劉燕，陳興文

（大連民族學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，遼寧大連 116605）

基于虛擬技術(shù)的晶體管特性測(cè)試

劉燕，陳興文

（大連民族學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，遼寧大連 116605）

在傳統(tǒng)的晶體管特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，通常需要使用多種測(cè)量?jī)x器來(lái)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。為了降低實(shí)驗(yàn)成本，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器技術(shù)和PCI－6221型通用數(shù)據(jù)采集卡完成晶體管特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)分別對(duì)IN4148和2SC9014晶體管進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，證明其能夠滿(mǎn)足測(cè)試實(shí)驗(yàn)要求。

虛擬技術(shù);晶體管特性;LabVIEW

晶體管特性測(cè)試是電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的基本實(shí)驗(yàn)之一，目前各院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通常使用萬(wàn)用表、晶體管圖示儀等多種儀器來(lái)完成該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往是面向初學(xué)電子技術(shù)的學(xué)生開(kāi)設(shè)，學(xué)生初次利用多種實(shí)驗(yàn)儀器完成實(shí)驗(yàn)勢(shì)必影響實(shí)驗(yàn)效果。隨著虛擬儀器技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合，把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。因此采用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)晶體管特性測(cè)試儀器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)晶體管參數(shù)的測(cè)量并顯示相應(yīng)的特性曲線，完全可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)測(cè)試要求。

1 晶體管特性測(cè)量原理

1.1 二極管正向伏安特性的測(cè)量原理

通常二極管正向伏安特性是指流經(jīng)它的電流的大小與加在二極管兩端電壓之間的關(guān)系，為了能夠?qū)崿F(xiàn)二極管正向伏安特性曲線，需在二極管兩端加上隨時(shí)間而改變的電壓，這樣才能測(cè)量二極管在不同電壓下通過(guò)的電流，其測(cè)量原理如圖1所示。根據(jù)此原理，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以利用LabVIEW產(chǎn)生一個(gè)時(shí)變的電壓源，然后利用數(shù)據(jù)采集卡在二極管兩端進(jìn)行電壓輸出，然后再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的全雙工特性將二極管兩極引出端作為數(shù)據(jù)采集卡的輸入進(jìn)行電壓采集，這樣便可得到在屏幕上顯示的二極管伏安特性曲線。

圖1 二極管正向伏安特性測(cè)量電路原理圖

1.2 三極管伏安特性的測(cè)量原理

因?yàn)樵诘皖l條件下由三極管本身產(chǎn)生的耦合電阻、耦合電容幾乎對(duì)它們?cè)诓煌饨鐥l件下表現(xiàn)出來(lái)的特性干擾很小，因此在低頻條件下測(cè)量三極管特性曲線時(shí)只考慮集電極和發(fā)射極間的電壓Uce、流經(jīng)集電極的電流Ic、基極電流Ib。通過(guò)直接和間接測(cè)量得到這三者，再將他們有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，在同一坐標(biāo)中表示出來(lái)，這樣就可以在屏幕上觀察到三極管的伏安特性曲線。其測(cè)量原理如圖2。

在專(zhuān)門(mén)的三極管伏安特性測(cè)量?jī)x器中常用的測(cè)量方法是電壓掃描法，即提供兩個(gè)同步的信號(hào)源U1和U2，其中U1是一個(gè)階梯波，U2是取了絕對(duì)值的正弦波。在這兩個(gè)信號(hào)的作用下，就可掃描出三極管的特性?；谔摂M技術(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，利用LabVIEW編程得到直流階梯波和同周期的正弦波分別加到三極管的基極和集電極，再利用LabVIEW的全雙工特性測(cè)得基極電壓和集電極電壓并輸入到系統(tǒng)中，在LabVIEW程序中完成各個(gè)參數(shù)的轉(zhuǎn)化，最終得到三極管的伏安特性曲線。

圖2 三極管伏安特性測(cè)量電路原理圖

2 硬件平臺(tái)構(gòu)建及測(cè)量流程

本系統(tǒng)采用NI公司生產(chǎn)的PCI－6221型DAQ數(shù)據(jù)采集卡，采集卡內(nèi)部含8路16位A/D轉(zhuǎn)換器和2路16位D/A轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)8通道同時(shí)采集輸入信號(hào)和2通道同時(shí)輸出模擬信號(hào)，D/ A轉(zhuǎn)換精度為1/（216－1）≈0.000015259;A/D轉(zhuǎn)換精度1/216≈0.00001001。系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3，測(cè)量操作流程如圖4。

圖3 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)平臺(tái)

圖4 測(cè)量操作流程

3 基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)二極管的伏安特性測(cè)量VI軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1的測(cè)量原理，構(gòu)建出在LabVIEW上可實(shí)現(xiàn)實(shí)際二極管的測(cè)量程序。在輸入端口施加可變直流電壓，設(shè)電阻兩端的電壓為，U1二極管兩端的電壓為U2，則流經(jīng)二極管的電流為U1/R。

掃描電壓是用一個(gè)由兩幀組成的順序結(jié)構(gòu)程序?qū)崿F(xiàn)的。在0幀先產(chǎn)生周期性的信號(hào)類(lèi)型、頻率及幅值可控的電壓掃描信號(hào)。在1幀中從AI的0、1兩個(gè)通道各采集一個(gè)電壓波形，0通道是U1，將其除以10 kΩ后得到電流，單位是mA;通道1是U2，將兩波形經(jīng)Bundle控件后送給XY Graph，這樣就可以得到所需的特性曲線，整個(gè)程序框圖如圖5。對(duì)型號(hào)為1N4148型二極管的特性曲線如圖6，其中橫坐標(biāo)表示二極管兩端電壓（單位V），縱坐標(biāo)表示流經(jīng)二極管的電流（單位mA）。

圖5 二極管的伏安特性測(cè)量程序框圖

圖6 1N4148型二極管的伏安特性曲線

4 基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)三極管伏安特性測(cè)量VI軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2測(cè)量原理，需要提供兩個(gè)同步的信號(hào)源U1和U2，其中U1是一個(gè)階梯波，U2是取了絕對(duì)值的正弦波。該程序仍采用兩幀的順序結(jié)構(gòu)，首先發(fā)生所需的電壓數(shù)據(jù)波形，然后采集需要處理的有關(guān)數(shù)據(jù)。圖7左上角規(guī)定了兩個(gè)基波的參數(shù):階梯波每周期含9個(gè)階梯，每個(gè)階梯含300個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。這樣，與一個(gè)階梯波周期相對(duì)應(yīng)需要產(chǎn)生9個(gè)正弦半波，每個(gè)正弦半波也是300個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，共2700個(gè)樣本。這里使用最基本的正弦函數(shù)編輯程序?qū)⒏雍?jiǎn)單。圖7左下角循環(huán)用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)周期的階梯波的數(shù)據(jù)樣本，樣本中使用了Initialize Array和Build Array兩個(gè)函數(shù)，每次循環(huán)產(chǎn)生元素的個(gè)數(shù)為300，元素值為階梯波增量與循環(huán)變量i的數(shù)組之積，Build到上一次得到的數(shù)組中。循環(huán)后就得到所需的樣本。圖8的右下角是先將上面得到的兩個(gè)樣本先轉(zhuǎn)換為waveform格式;然后build為一個(gè)waveform array，送給模出函數(shù);最后在輸出驅(qū)動(dòng)程序中定義DAQ數(shù)據(jù)采集卡的AO0，AO1分別得到階梯波和取了絕對(duì)值的正弦波。圖8是數(shù)據(jù)采集和處理程序，共安排了3個(gè)輸入通道，其中AI0為Ub，AI1為Ue，AI2為U2－Ue。將AI2的數(shù)據(jù)除以0.22kΩ得到單位為mA的電流IC，將IC與AI1通道的Ue捆綁起來(lái)送給XY Graph，將得到所需的輸出特性曲線，如圖9。

圖7 加在三極管各端的輸入信號(hào)程序框圖

圖8 數(shù)據(jù)采集和處理程序框圖

圖9 實(shí)際測(cè)得的三極管特性曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)二極管和三極管伏安特性測(cè)量，經(jīng)實(shí)測(cè)證明整個(gè)系統(tǒng)性?xún)r(jià)比高、通用性強(qiáng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便、性能穩(wěn)定可靠，完全可以滿(mǎn)足電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求需求，而且與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案相比，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)讓學(xué)生能夠較早了解虛擬技術(shù)在電子工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。如果利用Labview提供的網(wǎng)絡(luò)通信功能就可以完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的在線提交功能，從而實(shí)現(xiàn)教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)上交互，極大地改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

［1］陳興文.LabVIEW在數(shù)字信號(hào)處理實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用［J］.高師理科學(xué)刊，2007（6）:90－92.

［2］秦曾煌.電工學(xué)［M］.7版.北京:高等教育出版社，2009.

［3］蓋立平，王桂蓮，張蓓蓓.三極管特性曲線測(cè)試系統(tǒng)［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2009（2）:59－60.

Transistor Characteristics Testing Based on Virtual Technology

LIU Yan，CHEN Xing－wen

（College of Information＆Communication Engineering，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China）

In traditional transistor characteristics testing experiment，it is usually needed to use a variety of measuring instruments to complete experiments.In order to reduce experiment costs and simplify operating process，the transistor characteristics testing plan based on virtual instrument technology and PCI－6221 universal data acquisition card is designed.After the actual measurement of IN4148 and 2SC9014，it is proved that the tester can meet demand of the experiments.

virtual technology;transistor characteristics;LabVIEW

TN919

A

1009－315X（2011）03－0260－04

2011－03－11

劉燕（1970－），女，遼寧大連人，高級(jí)工程師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用及電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯 劉敏）