基于51單片機的簡易晶體管輸出特性圖示儀原理與設(shè)計
摘    要：介紹了一種基于51單片機的簡易晶體管輸出特性測試儀的設(shè)計原理。詳細(xì)說明了該系統(tǒng)的基本原理、硬件結(jié)構(gòu)和軟件框架。該儀器配合普通的示波器可用來觀察一般的各種常見晶體管的輸出特性曲線。
關(guān)鍵詞：晶體管；輸出特性；51單片機；示波器
引言
    晶體管特性圖示儀是用來觀察晶體管各種輸入輸出特性的儀器。目前市場上存在很多這種儀器，但它們雖然可以測量的參數(shù)較多，性能、精度高、使用方便程度也比較好，但這些晶體管特性圖示儀一般都采用模擬電路制作。它們有一個共同的弱點就是價格昂貴，一般這種儀器都要幾千甚至上萬元，而且制作復(fù)雜。晶體管的主要特性就是它的輸出特性。而本文所介紹的晶體管輸出特性圖示儀可專門用來測量觀察晶體管的輸出特性曲線。雖然相對于專門的圖示儀，該儀器的測量精度以及可以測量的參數(shù)不如專業(yè)的儀器好，但是它有一個很大的好處就是該系統(tǒng)主要采用數(shù)字電路制作，制作簡單且成本低廉，具體使用也很方便。配合人們常見的普通示波器，該系統(tǒng)基本可以滿足一般研究人員的要求。
系統(tǒng)基本原理
    晶體管的輸出特性是指在一定的基極電流Ib時，晶體管集電極與發(fā)射極之間的電壓Uce同集電極電流Ic之間的關(guān)系。每個Ib對應(yīng)一條輸出特性曲線。將多個Ib對應(yīng)的曲線同時顯示在示波器上，就可以得到一簇輸出特性曲線。所以，我們要完成的任務(wù)：一是提供一簇基極階梯電流；二是提供一個從小到大變化的集電極掃描電壓；三是將Uce和Ic的數(shù)據(jù)取出并送到普通示波器上顯示。因此，一個簡易晶體管輸出特性圖示儀主要由以下三部分組成,即：基極階梯電流產(chǎn)生電路、集電極掃描電壓產(chǎn)生電路和測量顯示電路。
    基極階梯電流產(chǎn)生電路可由51單片機控制DAC0832(1)直接產(chǎn)生所需的電流；集電極掃描電壓產(chǎn)生電路由51單片機控制DAC0832(2)產(chǎn)生從零開始增大的電壓，再經(jīng)電壓放大電路放大以產(chǎn)生所需的掃描電壓；顯示觀察電路由電流/電壓轉(zhuǎn)換電路將電流Ic轉(zhuǎn)換成示波器所需的電壓值，而將Uce直接接到示波器上測量即可。圖1所示是系統(tǒng)的整體框圖。
系統(tǒng)主要硬件電路介紹
本系統(tǒng)硬件電路由階梯電流產(chǎn)生電路、掃描電壓產(chǎn)生電路和測量顯示電路三部分組成。其中階梯電流產(chǎn)生電路由AT89C51控制DAC0832(1)產(chǎn)生每秒20 Hz的8級階梯電流做為基極電流(考慮到一般示波器的余輝效應(yīng)，此頻率不能太低，而太高則需要的集電極掃描電壓頻率也必須相應(yīng)提高，因而會增大設(shè)計成本)；掃描電壓產(chǎn)生
電路由AT89C51控制 DAC0832(2)來產(chǎn)生每秒20 Hz×8級(即160 Hz)的鋸齒波，之所以為160 Hz，是因為兩個DAC產(chǎn)生的波形在每個周期開始均須保持同步，同步效果如圖2所示，否則會使顯示的波形變形；在測量顯示部分可將Uce直接取出接到示波器的X軸。而對于集電極電流I■，則可在I■回路上接一個取樣電阻Rs，利用Ic在這個電阻上的電壓降等于IcRs，就可以取得正比于Ic的電壓，這個電壓便直接反映了Ic 的變化。
◇  基極階梯電流和集電極掃描電壓產(chǎn)生電路
    這兩部分電路由同一片AT89C51控制兩片DAC0832來分別產(chǎn)生所需的電流和電壓，其參考電壓均為5 V，要想示波器上顯示的圖形不失真，基極階梯電流和集電極掃描電壓必須接成同步方式，而DAC0832是帶兩級緩存的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，可以很方便的接成同步方式，其具體接法如圖3所示。 由于DAC0832是電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其輸出電流為：
I= (VREF/Rfb)(Dx/256)(1)
式中，DAC0832的Rfb為15 kΩ，Dx為輸出的數(shù)字量，最大輸出電流約為0.33 mA，而晶體管基極所需的動態(tài)電流最大只有1/5 mA左右就可以滿足要求了，因此通過控制數(shù)字量的輸出大小就可以得到所需大小的動態(tài)階梯電流。當(dāng)然，還需要在基極加一直流電源為其提供合適的靜態(tài)工作電壓，由于電源的設(shè)計非常簡單，這里就不再做介紹了。
    對于掃描電壓，在參考電壓為5V的情況下，有：
Uo=5（Dx-128）/128(2)
由于其最大輸出為5 V，而集電極掃描電壓一般須能達到20 V以上才能完全將輸出特性顯示出來，所以我們需要在其后加一個電壓放大電路將Uo放大，這里，筆者加了一個放大倍數(shù)為16倍的電壓放大電路，此時得到的集電極掃描電壓為：
Ucc=5（Dx-128）/128×16(3)
這樣就可以滿足掃描電壓大小的要求了。
◇  測量顯示部分
    當(dāng)基極階梯電流和集電極掃描電壓都準(zhǔn)備好后，便可將其接到晶體管的對應(yīng)地方，具體接法如圖4所示。
即可將圖3中的U■直接接到普通示波器的X軸。而對于集電極電流，因為示波器上需要的是電壓，所以，在圖4的I■回路中接一個采樣電阻Rs，利用I■在這個電阻上的壓降I■R■，來得到正比于I■的電壓，這個電壓可直接反映I■的變化，只要Rs取得小，是不會影響電路的測試結(jié)果的，這里取1Ω。
軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計分為基極階梯電流產(chǎn)生部分和集電極掃描電壓產(chǎn)生兩部分，可分別由兩個定時器中斷服務(wù)程序來完成。而主程序只負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)自檢、定時器初始化和中斷優(yōu)先級設(shè)置(由于同步的關(guān)系，設(shè)置定時器0的優(yōu)先級應(yīng)高于定時器1)，這一部分比較簡單，就不多做介紹了。下面對基極階梯電流產(chǎn)生部分和集電極掃描電壓產(chǎn)生部分分別予以介紹。
◇  基極階梯電流產(chǎn)生部分
    這一部分由定時器0來完成，定時器0的輸出頻率為20 Hz×8級，以12 MHz晶振計算，每隔1/160 s就需要更新一次輸出，即定時器0的定時間隔為6 250 μs。其輸出的值是階梯性變化的，所以，可事先將需要輸出的階梯電流所對應(yīng)的數(shù)字量以表格的方式存儲起來，以便在中斷服務(wù)程序中采用查表的方式直接得到所需的值(根據(jù)公式(1)，當(dāng)所選數(shù)字量為0、10、20、30、40、50、60、70時，取得所對應(yīng)的輸出電流為0、0.021、0.042、0.063、0.083、0.104、0.125、0.146 mA)；又由前文所述的階梯電流和掃描電壓的開始必須同步的要求可知，定時器0每輸出一次，都對應(yīng)一個鋸齒波的新的周期的開始，所以定時器0每中斷一次，還要將DAC0832(2)輸出清為0 V，以使其能夠開始一個新的輸出周期。其定時器的中斷服務(wù)程序請參照圖5的流程圖。
◇  集電極掃描電壓產(chǎn)生部分
    集電極掃描電壓的產(chǎn)生由定時器1來完成。定時器1產(chǎn)生的鋸齒波是從0 V開始連續(xù)變化的，當(dāng)其到達所設(shè)定的最大值時，又從0 V重新開始輸出。同時，由于定時器1的輸出頻率比較高。如按每周期鋸齒波輸出50個數(shù)字量來計算，定時器1每秒輸出次數(shù)為20 Hz×8級×50。當(dāng)采用12 MHz晶振時，每隔125 μs就需更新一次，所以為了節(jié)省時間，定時器1采用自動重裝模式，其定時間隔為125 μs。因為集電極對輸入的掃描電壓的精度要求不高，所以根據(jù)公式3，我們只需要簡單地設(shè)定定時器1的輸出數(shù)字量為從128開始到177(對應(yīng)的掃描電壓的大小從0~31 V)，然后再從128開始循環(huán)即可。具體的定時器2的中斷服務(wù)程序請參照圖5的流程圖。