基于51单片机的晶体管特性测试系统的设计

如图 2 所示 ,采用 DDS 芯片 AD9852 形成单片机控制 的 DDS 实用电路[6] 。由于 A T89S52 采用 CMOS 工艺 ,供 电电压是 + 3. 3 V ,存在 T TL 电路和 CMOS 电路的电平转 换问题 ,应用 Philip s 的 74L V T245B 实现 + 5 V 电源下的 逻辑电平到 + 3. 3 V 逻辑电平的转换 。DDS 数控频率源 具有带宽较宽 、频率转换时间短 、频率分辨率高 、输出相位 连续 、控制灵活方便等方面的特点 。
摘 要 : 介绍一种基于 A T89S52 单片机的晶体管特性测试系统的设计原理 。详细说明该系统的基本原理 、硬件框 架 、主要电路以及软件框架 。整个系统采用模块化设计 ,较精确的对晶体管交直流放大特性参数 、输入/ 输出特性曲线 和频率特性进行测量 。本系统具有性能可靠 、抗干扰能力强 、功耗低 、性价比高等优点 。 关键词 : 晶体管 ; 特性测试 ; 数控频率源 ; A/ D 转换 中图分类号 : TM930. 2 文献标识码 : B
数控电流源采用了 D/ A 转换芯片 DAC0832 ,在电路 中采用了 CMOS 电流开关和控制电路 ,从而达到较低的功 耗和较低的输出漏电流误差 , 利用单片机即可控制其工 作 。数控电压源是在 DAC0832 基础上 ,在其输出端加接 O PA27 ,将电流信号变换成电压输出就实现可控电压源 , 其后再接相应的运放实现双极性可控电压 。 2. 3 数控频率源
2 硬件主要电路设计
2. 1 电压采样电路 测试系统的电压采样电路主要由芯片 ADC080 、运放
O PA27 和 INA120 构成 , INA120 是一个较理想的精密仪 器专用放大器 , 具有很高的共模抑制比和很低的失调电 压 ,器件本身提供了标准的 ×1 、×10 、×100 、×1000 四档 增益值 ,若外加增益电阻还可以得到 1～5000 以内的任意 增益 。利用两路数据采集电路分别对发射结电压和发射 极电阻两端的电压进行采样 ,发射结电压经过 O PA27 组 成的同向比例放大电路进行放大 4 倍后送 ADC0809 的 IN22 通 道 进 行 采 样 。而 发 射 极 电 阻 两 端 的 电 压 经 过 INA120 放大 10 倍后送 IN20 进行转换 ,这样能提高测量精 度 ,减小转换误差[5] 。 2. 2 数控电源
3 软件设计
系统程序主要由初始化程序 、中断服务程序 、按钮控 制程序 、显示程序 、接口扩展程序等组成 。输入输出特性 测试的软件设计关键是基极阶梯电流产生部分和集电极 扫描电压产生 2 部分 ,由两个定时器中断服务程序来完 成 。基极阶梯电流产生部分由定时器 0 来完成 ,流程图如 图 4 所 示 , 定 时 器 0 的 输 出 频 率 为 500 Hz ×8 级 , 以 12 M Hz晶振计算 ,每隔 1/ 4 000 s 就需要更新一次输出 ,其 定时间隔为 250μs 。集电极扫描电压的产生由定时器 1 来 完成 ,定时器 1 产生的锯齿波是从 0 V 开始连续变化的 ,当 到达所设定的最大值时 ,又从 0 V 重新开始输出 。同时 ,
2. 4 频率测量电路 频率特性测量电路如图 3 所示 ,将示波器的两个通道
Y1 、Y2 接到电路上就可以实现晶体管频率特性的测量 。 DDS 数控频率源在程序控制下产生频率逐渐增大的正弦 信号 ,通过示波器观察晶体管的交流放大特性 ,在放大倍 数减小到一定程度时 ,在 DDS 数控频率源的 L CD 上读出 晶体管共射截止频率 。通过 DDS 数控频率源的键盘可以 更改测试频率和波形 ,进而可以对晶体管的频率特性作比 较全面的测试 。
1 系统框架及测量原理
整个系统的框架如图 1 所示 ,系统的测试对象主要包 括晶体管输入输出特性曲线 、频率响应特性 、交直流放大 倍数等特性参数 。本系统的控制及数据处理属于中等复 杂程度 ,采用 8 位单片机 A T89S52 就可以满足系统要求 。 系统的输入输出特性测量和频率特性测量部分各使用一 片单片机控制[4] 。
输出特性测试中 ,阶梯电流产生电路由 A T89S52 控 制 DAC0832 产生每秒 500 Hz 的 8 级阶梯电流做为基极电 流 ,扫描电压产生电路由 A T89S52 控制另一个 DAC0832 来产生每秒 500 Hz ×8 级 (即 4000 Hz) 的锯齿波 ,确保两 个 DAC 产生的波形在每个周期开始时同步 。示波器的 X 通道时间档位选择 50 μs/ div 。测量中可将集电极电流 Ic 用发射极电流 Ie 来代替 ,则可在 Ie 回路上接一个取样电阻 Re ,其电压降等于 Ie Re ,这个电压便直接反映了 Ie 即 Ic 的 变化 。为了提高精度对这个电压进行 10 倍放大 ,此倍数 不会使待测电压超过 A/ D 转换器的量程 。放大后的电压 信号通过接示波器 Y 通道显示 。
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第 32 卷
电 子 测 量 技 术
由于定时器 1 的输出频率比较高 ,如按每周期锯齿波输出 50 个数字量来计算 ,定时器 1 每秒输出次数为 500 Hz × 8 级 ×50 。采用 12 M Hz 晶振时 ,每隔 5μs 就需更新一次 , 为了节省时间 ,定时器 1 采用自动重装模式 ,其定时间隔 为 5μs 。设定定时器 1 的输出数字量为从 128 开始到 255 (对应的扫描电压的大小从 0～20 V) ,然后再从 128 开始 循环即可[7] 。
生逐渐增大的集电结电压 Uce 。在进行晶体管输入特性测 量时 ,先固定 Uce为一定值 ,然后从 0 开始逐渐增大基极电 流 。A/ D 转换器通过测量电路来检测 Uce ,将 A/ D 转换的 数据存储并处理后输出到显示电路 。在测量晶体管输出 特性时 ,数控电流源在单片机 1 的控制下产生一定频率的 阶梯电流 ,数控电压源在单片机 1 的控制下产生一定频率 从 0～20 V 的扫描电压 。提取表征集电极电流 Ic 的电压 给示波器 Y 轴显示输出特性曲线 。
数控电流源接在晶体管的基极 ,数控电压源接在发射 极与集电极两端 。数控电流源在单片机 1 的控制下产生 逐渐增大的基极电流 ,数控电压源在单片机 1 的控制下产
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图 1 晶体管特性测试的晶体管特性测试系统的设计
第1期
在测量频率特性时 ,数控频率源在单片机 2 的控制下 产生频率逐渐增大的交流信号 。此交流信号接入由待测 晶体管和辅助电路组成的基本阻容耦合共射放大电路 。 将放大电路的输出与输入信号分别接入示波器的 Y1 和 Y2 通道 。通过示波器显示的波形来测量交流放大倍数的 变化及相位特性 。当放大倍数降低至一定程度时由频率 显示部分读出共射截止频率 。数控频率源可以产生多种 波形 ,可以通过运行不同的波形产生程序来对晶体管的各 种频率性能进行测量 ,这是本系统的特点之一 ,可以通过 只改变程序来实现各种信号波形的测试功能 。在对不同 参数和管型测量时 ,系统采用相应的模式转换开关使硬件 电路工作在对应管型的待测模式 。
的电流 ,Dx 在单片机控制下可由 0 开始逐渐加 1 直至 255 。 发射结压降 Ube 跟随控制电流变化 ,变化范围约为 0. 6～ 0. 8 V 。单片机通过 ADC0809 获得一组发射结压降 Ube 跟 随控制电流变化的数值 ,存入内存单元 ,处理后将数据送 给显示电路输出 ,得到输入特性曲线 。
为确认系统的测量精度 ,这里对一些常见的 N PN 管 ( 9013 、3D G6C 及 BD241 ) 及 PN P 管 ( 9012 、TIP112 及 2SD1445) 进行了测试 。通过四位半数字万用表检验系统 的电流 、电压的测量精度 ,并对本系统测出的值与北方思 源的 Q T2 晶体管特性图示仪测量结果进行比较 ,测试结果 表明 :在测试低频中小功率三极管时 ,在选定 IB = 10μA 及 20μA 时 ,放大倍数测量误差较小 ,均在 2 %以内 ,在非饱 和情况测试下 , IB 选择适中时误差最小 ,数据处理后通过 L CD 显示输出特性曲线中间部分非常理想 ,和理论输出特 性曲线误差极小 ,测量的截止频率误差在 5 %左右 。测量 高频小功率三级管 (3D G6C) 时 ,误差稍微增大 ,但频率特 性测量较好 。测量大功率三极管 (BD241 和 2SD1445) 时 , 输入输出特性误差明显增大 ,达到 3 %～8 %。综合分析系 统在测量中小功率的三极管的输入输出及频率特性测量 精度较高[8] 。
0 引 言
目前市场上存在多种晶体管特性图示仪 ,用于观察及 测量晶体管各种输入输出特性 ,其性能较好 、精度较高 ,但 这些仪器一般采用模拟电路制作 ,制作复杂 ,而且价格昂 贵[1] 。部分小型的晶体管特性图示仪采用数字电路制作 , 价格低廉 ,但测量精度较低 ,而且测量的参数种类较少 ,一 般只能测量输出特性[223] 。本文所介绍的晶体管特性测试 系统各组成部分采用通用的集成芯片实现 ,制作相对简单 且成本较低 , 使用也很方便 , 并且能够对频率特性进行 测量 。
Design of the transistor characteristic test system based on 51 MCU
Zhang Yinsheng Shan Huilin
( College of Elect ronic & Information Engineering ,Nanjing Universit y of Information Science & Technology ,Nanjing 210044)
图 4 中断服务程序流程图[7] 输出特性曲线通过 L CD 显示的设计与通过示波器显 示测试原理及电路相同 ,但扫描电压频率不同 , ADC0809 的转换速度比 DAC0832 慢 ,所以在程序设计上要降低扫 描电压的频率 ,频率需要降低 20 倍以上 。 数控频率源的程序流程如图 5 所示 。设置 AD9852为 串口工作方式 ,通过查询键盘按键的被按情况来确定输入 的频率控制量 (具体的频率值 、频率步进值 、波形) ,通过查 表及计算处理后控制 AD9852 送出相应频率的波形 ,通过 显示程序显示频率值及波形代码 。