文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)09-0007-03
晶體管特性圖示儀作為一種可通過屏幕觀察和測試半導體管特性曲線和直流參數的測量儀器，具有動態性好、實時跟蹤、特性顯示直觀等優點。隨著測試技術、微控制器技術及虛擬儀器技術的進步，出現了以微控制器或數據采集卡作為下位機實現數據采集，在PC實現數據存儲、顯示等功能的數字式晶體管圖示儀，其具有數據顯示直觀、測試結果精確、分析功能強大等優點[1]。但此類圖示儀需要借助PC、并采用有線方式傳輸數據。
2008年Google公司推出Android移動終端平臺，目前基于Android的智能手機穩居市場份額第一，且其性能遠超早期PC。有鑒于此，及針對數字式晶體管圖示儀存在的問題，本文提出了一種基于Android平臺，通過藍牙技術實現無線傳輸的晶體管特性圖示儀方案。該方案中，以最新的性能卓越的Cortex-M0+微控制器為下位機核心，實現晶體管特性曲線測量數據的采集，并通過藍牙模塊向Android 移動終端上傳數據，采用智能手機代替PC作為上位機，完成測量數據的存儲、顯示、分析等功能。
1 基本原理及系統框架
1.1 晶體管特性曲線測量原理[2]
晶體管共發射極輸出特性曲線是描述基極電流IB為一常量時，集電極電流iC與集電極和發射極之間的電壓uCE之間的函數關系，即：
對于每一個確定的IB，都有一條確定的曲線與之對應，因此當IB改變時，相應的曲線亦隨之變化，進而輸出特性是一組曲線。
以NPN型晶體管共發射極輸出特性曲線為例，其測量原理如圖1所示。在基極施加階梯電流的同時，在集電極施加鋸齒波掃描電壓，并確保當IB恒定為一個值時，集電極電壓完成一個周期的掃描變化。這個變化周期由195個小階梯組成，在每個小階梯周期內，通過A/D轉換電路測量集電極負載電阻上的電壓，從而以計算出集電極電流iC作為縱坐標，以測出的集-射電壓uCE作為橫坐標，這樣就可以確定輸出特性曲線上的一個點，進而一個集電極電壓掃描周期就可以畫出一條晶體管輸出特性曲線[3]。
1.2 系統框架
整個系統的框架如圖2所示。晶體管輸出特性圖示儀主要由電源模塊、控制面板、基極階梯波電流發生器、集電極掃描電壓發生器、測量電路及藍牙通信模塊等構成。當進行晶體管輸出特性測量時，基極階梯波電流發生器在主控制器作用下依次為基極提供5 
A、10 
A、20 
A、30
A、35 
A和50 
A的階梯電流，在每一個基極階梯電流期間，集電極掃描電壓發生器為集電極提供0～20 V階梯變化(見前述)的掃描電壓，并且在每個掃描周期內實現195組iC～uCE數據所需的A/D轉換、計算等數據采集處理工作，同時通過藍牙模塊將測量數據傳輸給Android智能手機，進而實現輸出特性曲線的顯示、分析及管理。
2 系統硬件設計
2.1 Cortex-M0+主控芯片
主控制芯片采用Freescale公司基于Cortex-M0+處理器的Kinetis L系列的微控制器MKL25Z128(簡稱KL25)。Kinetis L系列MCU特別適用于價格敏感、能效比相對較高的領域，是8/16位MCU應用領域的理想升級換代產品。KL25微控器主要特點有：CPU工作頻率為48 MHz；具有128 KB片內Flash、16 KB片內RAM、64 B Cache；具有DMA、UART、SPI、IIC、TSI、16位ADC、12位DAC等模塊。
2.2 基極階梯波電流發生器
基極階梯波電流發生器為晶體管輸出特性曲線的測量提供工作基礎，其性能的好壞至關重要。從圖3可知，基極階梯波電流發生器電路由電壓基準、極性轉換、V/I轉換3部分電路組成?；鶞孰娐分械腞1、R2分別為精度1%以內的100 k
、10 k的電阻，通過二者的分壓為V/I轉換電路提供基準電壓(Ui=0.455 V)。虛線框中的極性轉換電路是為了測量NPN和PNP管時改變輸出極性而設的。當對NPN管進行測量時， MAX-S1閉合，MAX-S2斷開，基準電壓直接加至V/I轉換電路；當對PNP管進行測量時，MAX-S1斷開， MAX-S2閉合， 基準電壓經反相后變為負電壓加至V/I轉換電路。MAX-S1、MAX-S2為MAX4602內部的2路電子開關，MAX4602是一款導通電阻僅為2.5 Ω的CMOS模擬開關，內部有4個常開開關，具有低功耗、小尺寸、可靠性高等優點。
運算放大器A3、A4，電阻R6～R9(均為10 k
)及數字電位器RW1構成了典型的電壓-電流轉換電路。經過簡單計算可知[3]：
![D2M3QMFC%{58}VQ[1_D]~`5.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/25/6362096185084700008892718.png "D2M3QMFC%{58}VQ[1_D]~`5.png")
顯然，當Ui保持恒定時，只要RW1保持恒定，由于A4的隔離作用，IB就保持恒定，而與UBE的大小無關。若改變基極電流IB，只需要改變數字電位器RW1的阻值即可實現。MCP42100是一款具有256個抽頭的雙100 kΩ的數字電位器，與MCU 通過SPI口相連，操作十分方便，具體使用方法可參考文獻[4]。
2.3 集電極掃描電壓發生器和測量電路
集電極掃描電壓發生器由D/A模塊、極性轉換、功率放大等電路構成。主控芯片KL25片上提供1個12位的DAC模塊，可用來產生階梯電壓，當階梯步長取21時，可提供195梯階梯電壓。由于DAC模塊最大輸出電壓僅為3.3 V，而集電極掃描電壓一般不低于20 V，因此需要對DAC輸出電壓進行功率放大。極性轉換電路與基極階梯波電流發生器中的相應電路原理、功能基本相同，為此不再贅述。
測量電路的功能是實現測量電壓的極性轉換和信號調理，使之滿足A/D轉換時對極性和幅度的要求。0～20 V間階梯變化的集電極掃描電壓無法直接送至KL25的ADC模塊，經調理后，電壓變化范圍為0～2 V，鑒于KL25高達16 bit的A/D轉換精度，并不會降低采樣電壓的分辨率。
2.4 藍牙通信模塊設計
藍牙技術作為一種非常流行的低成本、短距離的無線通信技術，能夠有效地簡化固定與移動設備、移動設備之間的通信連接。選用的BLK-MD-BC04-B藍牙模塊只需配備少許外圍元件，就能實現所有功能。本設計中僅需將TXD端、RXD端依次連接到主控制器KL25的PTA19端、PTA18端即可。
3 系統軟件設計
3.1 下位機軟件
晶體管特性圖示儀下位機測量軟件除主程序外，還主要包括基極階梯波電流產生、鍵盤控制、集電極掃描電壓生成、數據測量及藍牙通信等子程序模塊。圖4為測量主程序流程圖。主控制器上電后，系統初始化：設定內部功能寄存器、I/O口等初始值，MAX4602、MCP42100初始狀態，藍牙模塊初始化等；調用鍵盤控制模塊查詢系統功能設定模式；測量時，依次調用基極階梯波電流產生、集電極掃描電壓生成、數據測量等相關子程序實現1條輸出特性曲線測量；基極階梯波電流產生子程序依次輸出6組電流，從而完成1組輸出特性曲線的測量；最后調用藍牙傳輸子程序完成測量數據向Android手機的上傳。
3.2 藍牙數據傳輸
藍牙數據傳輸通常不支持自動連接，在開始傳輸數據之前需對藍牙進行手動連接。藍牙設備之間的數據傳輸主要分為6個步驟[5]：(1)打開藍牙；(2)搜索藍牙設備；(3)獲取藍牙設備；(4)創建客戶端藍牙Socket；(5)創建數據流，進行傳輸；(6)關閉藍牙。鑒于藍牙占用系統較多的資源，故設計若5 min內無數據傳輸，將自動斷開藍牙連接，以節約系統資源，同時節省電量。
3.3 特性曲線顯示實現
Android系統釆用改良的2D向量圖形處理函數庫Skia來實現字型、坐標轉換以及點陣圖等的顯示。主要有如下幾步[6]：(1)構建一個自定義的畫波形的視圖類；(2)獲取Canvas畫布，每一個視圖類都提供一個Canvas畫布，其可以直接從視圖類中獲??；(3)獲取Paint畫筆，畫筆類是Paint，通過該類可以設置畫筆的風格、顏色、屬性等；(4)線段繪制和文字繪制，通過Canvas提供的線段繪制方法drawLines和文字繪制方法drawText，就可以繪制想要的線段和文字了；(5)調用自定義View的onDraw方法，把所繪制的圖形顯示在屏幕上。
4 測試結果
分別利用優利德UT56數字萬用表、上海新建XJ4828晶體管圖示儀及本文設計調試好的晶體管特性圖示儀，依次對4種不同型號晶體三極管測量hFE值進行比較，其結果如表1所示。三者測得的hFE值相近，說明本圖示儀的測量值是可靠的。
圖5為利用本文設計的晶體管特性圖示儀測量的9013晶體管的輸出特性曲線，在Android智能手機上的顯示效果。與新建XJ4828晶體管圖示儀測試比較，二者在小電流低電壓范圍內的測試結果非常接近，相似度很高，說明本圖示儀的測量精度是很高的。
本文提出了一種基于Android手機的晶體管特性圖示儀的設計方案，并在此基礎上進行了軟件和硬件的實現。系統下位機采用Cortex-M0+主控制器為核心，產生并提供基極階梯波電流和集電極掃描電壓，實現對晶體管輸出特性的測量，既使得測量裝置體積減小、重量變輕，同時測量響應速度快、數據準確、穩定性好。利用目前技術成熟的藍牙技術作為測量數據上傳方案， 采用市場上廣泛使用的移動終端操作系統Android作為平臺，借助智能手機實現晶體管特性曲線的存儲、顯示、分析等功能。實際測試結果表明，該系統具有測量精度高、使用方便和測量結果直接明了等特點。此外，該系統很容易擴充功能，如測量輸入特性曲線，測量場效應管特性等。
參考文獻
[1] 劉舉平，余為清，姚立志．數字式晶體管特性圖示儀的設計[J]．測控技術，2013，32(6)：1-3，8．
[2] 童詩白，華成英．模擬電子技術基礎(第4版)[M]．北京：高等教育出版社，2011．
[3] 林益平．基于LCD的晶體管特性曲線圖示儀[J]．電子測量技術，2008，31(2)：109-111．
[4] 楊增汪，李祥超，陳斯．基于單片機的電涌保護器現場檢測裝置研究[J]．低壓電器，2010(24)：53-57．
[5] 蘇維嘉，楊靜，唐宇．Android手機麥克端的數據采集與顯示[J]．電子技術應用，2012，38(7)：30-32．
[6] 鄧繁．基于Android系統的心電儀的設計和實現[D]．北京：北京交通大學，2011．