[摘 要] 本文介紹一種基于NI LabVIEW和北京君合泰科技有限公司U18數(shù)據(jù)采集卡的晶體管特性測試儀的設(shè)計方法，內(nèi)容包含循環(huán)掃描數(shù)據(jù)采集、回掃消隱、多曲線顯示、傳輸系數(shù)計算、被測硬件電路設(shè)計等，并給出詳細(xì)的前面板圖和程序框圖以及三極管、MOS管、光電耦合器等部分器件的特性曲線測試?yán)印?/p>

[關(guān)鍵詞] 虛擬儀器；LabVIEW；U18數(shù)據(jù)采集卡；特性曲線

[中圖分類號] TN32 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A

晶體管特性測試儀是電子從業(yè)人員常用的電子測試儀器，傳統(tǒng)的晶體管特性測試儀體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴、功能固化，測試數(shù)據(jù)不易保存和傳輸，而基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計的晶體管特性測試儀體積小、價格低、測試功能由設(shè)計者隨意設(shè)定，測試數(shù)據(jù)可以利用計算機(jī)存儲、分析并和其他設(shè)備進(jìn)行通信，而且還可以根據(jù)用戶要求對外圍設(shè)備進(jìn)行控制，利用虛擬儀器組成的測控系統(tǒng)可以部分地替代PLC和單片機(jī)組成的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)。本項目采用美國國家儀器公司的LabVIEW2010和北京君合泰科技有限公司的迪陽U18數(shù)據(jù)采集卡以及被測試硬件電路組成的測試系統(tǒng)，可以測試包括二極管、三極管、MOS管以及光電耦合器等器件的輸入輸出特性曲線。

1 開發(fā)平臺介紹

1.1 LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器公司（NI）研制開發(fā)，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機(jī)語言又有顯著的區(qū)別：其他計算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 虛擬儀器的主要特點(diǎn)有：盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件；可充分發(fā)揮計算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，數(shù)據(jù)易于分析、保存和傳輸；用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器，功能增加和升級換代容易；虛擬儀器不但能測量還能控制，這是一般傳統(tǒng)儀器所不具備的。

1.2 U18數(shù)據(jù)采集卡

本項目采用北京君合泰科技有限公司U18數(shù)據(jù)采集卡，它具備AD輸入、DA輸出、數(shù)字輸入DI、數(shù)字輸出DO、計數(shù)器等基本功能。下圖為U18的函數(shù)調(diào)用流程圖，CreateID與ReleaseID必須成對出現(xiàn)，程序開始時用CreateID初始化設(shè)備，結(jié)束時用ReleaseID釋放設(shè)備。初始化設(shè)備后根據(jù)需要選擇1～5中的若干路進(jìn)行操作。ADINT與ADClose必須成對出現(xiàn)，ADINT初始化設(shè)備對象中的AD部件，ADClose釋放設(shè)備對象中的AD部件所占用的系統(tǒng)資源。ADRead必須在ADINT與ADClose之間進(jìn)行，當(dāng)不改變參數(shù)時，可以重復(fù)調(diào)用ADRead進(jìn)行連續(xù)采集。

用戶可以根據(jù)所需的輸入輸出方式對U18印制板上的短路套XF1-XF10進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。本項目設(shè)置DA輸出為單端輸出方式，模擬量輸出范圍為0 V～5 V，設(shè)置AD輸入為單端輸入方式，模擬量輸入范圍為0 V～5 V，設(shè)置方法詳見《U18硬件使用說明》。

2 基于虛擬儀器的晶體管特性測試儀的設(shè)計原理

從典型的三極管輸出特性曲線可知它由三部分組成，橫坐標(biāo)為晶體管集-發(fā)電壓Vce，縱坐標(biāo)為不同基極電流Ib輸入下的對應(yīng)集電極輸出電流Ic，所以它是由三種參數(shù)組成的多曲線波形。而LabVIEW的波形圖和波形圖表類似于普通示波器的測試波形，只能輸出基于時間為橫坐標(biāo)的幅度曲線；XY圖的橫坐標(biāo)雖然可以由非時間變量的數(shù)據(jù)構(gòu)成，但一般只能得到兩個參數(shù)構(gòu)成的波形曲線，如二極管的伏安特性曲線等。要想得到三極管的多波形輸出特性曲線，必須采用一些靈活的編程技術(shù)并結(jié)合硬件電路的設(shè)計才能完成。本項目采用步進(jìn)掃描、循環(huán)采集、數(shù)據(jù)組合和回掃消隱、數(shù)據(jù)濾波等技術(shù)得到所需要的多波形晶體管輸出特性曲線。

2.1 步進(jìn)掃描：利用程序框圖函數(shù)里面的for循環(huán)的計數(shù)端子i作為步進(jìn)基數(shù)，再乘以一步進(jìn)因子（由前面板輸入數(shù)值或循環(huán)總數(shù)的N值設(shè)定）使U18的數(shù)模DA輸出一個由低到高的階梯波電壓控制晶體管的集電極供電電壓。

2.2 循環(huán)采集：利用外面的for循環(huán)進(jìn)行循環(huán)掃描以采集得到不同階梯波基極電流下的集電極電壓數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)組合和回掃消隱：當(dāng)一條曲線顯示到終點(diǎn)再回到起始點(diǎn)顯示第二條曲線時會有一斜曲線顯示，類似于顯像管電視機(jī)的行掃描回掃線，利用數(shù)組存儲數(shù)據(jù)并重新排列組合可以消除這種現(xiàn)象，并實現(xiàn)多曲線的顯示。

2.4 數(shù)據(jù)濾波：利用for循環(huán)的移位寄存器對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采樣并進(jìn)行平均值濾波以消除干擾和噪聲。

3 測試電路的設(shè)計

圖2a為被測三極管的測試電路，來自U18的模擬控制電壓DA0經(jīng)過運(yùn)放組成的射隨器和電阻R1后接到被測三極管的基極，DA1輸出0-5V的階梯波控制電壓經(jīng)同相放大電路放大2倍后再經(jīng)Q1電流放大輸出0-10V的數(shù)控電源電壓，為被測器件提供可變的電源電壓，供其測試參數(shù)用。AD1是被測晶體管的集電極電壓經(jīng)1/2分壓的值，輸入到U18的模擬輸入通道。C1是電源濾波電容。圖2b是光電耦合器的測試電路，和圖2a的差別是R1由10k改成1k。

4 前面板的設(shè)計

前面板如圖3，主要有輸入數(shù)值控件（控制端起始電壓、Vbe或Vgs采樣間隔、Vce或Vds采樣間隔）、菜單下拉列表（器件類型選擇，可選擇三極管、MOS管、光電耦合器件等）、傳輸系數(shù)（三極管為放大倍數(shù)hfe，MOS管為跨導(dǎo)gm，光電耦合器件為CTR）、輸出布爾變量（器件質(zhì)量合格與否）、數(shù)組以及XY圖組成。

5 程序框圖的設(shè)計

VI程序采用兩個for循環(huán)嵌套，里面的for循環(huán)主要完成AD的初始化和釋放、集電極電壓采集及處理、集電極控制電壓輸出DA1等功能，外面的for循環(huán)主要完成基極驅(qū)動電壓輸出DA0。DA1和DA0都是輸出階梯波電壓，如圖4。

5.1 數(shù)控電源的設(shè)計：Vce的采樣間隔Vstep由前面板輸入決定，Vce的采樣點(diǎn)數(shù)即內(nèi)循環(huán)的循環(huán)總數(shù)N=5/Vstep，N*i用于控制DA1的輸出，DA1經(jīng)過圖2所示的測試電路得到步進(jìn)變化的Vce（或Vds）電壓供測試用，并作為波形圖的橫坐標(biāo)。直接控制Vce的電壓比較困難，在此利用U18DA1輸出步進(jìn)的0 V-5 V電壓經(jīng)U2-A和Q1放大后作為被測器件QX的集電極供電電源Vcc，Vcc=（1+R4/R5）*Vda1，范圍為0 V-10 V。再把不同的Vcc->Ic值映射到對應(yīng)的Vce->Ic值。

5.2 數(shù)據(jù)采集：采用循環(huán)掃描方式，控制DA0輸出步進(jìn)的電壓值經(jīng)過U2-B的緩沖變換成步進(jìn)的基極控制電流輸入到被測晶體管的基極，將采集得到的1/2Vce電壓通過移位寄存器進(jìn)行平均值濾波后輸入到AD1，就可以得到集電極電流值Ic，Ic=（Vda1*2-Vad1*2）/0.2。比較Ic和Ib就可以得到晶體管的傳輸系數(shù)。

5.3 XY圖顯示：橫坐標(biāo)X輸入取自AD1采樣處理后的步進(jìn)的Vce電壓，縱坐標(biāo)Y輸入取自集電極電流的5組數(shù)據(jù)，這樣就可以得到5曲線的晶體管輸出特性曲線。

5.4 傳輸系數(shù)計算

菜單下拉列表接“條件結(jié)構(gòu)”的分支選擇器，根據(jù)測試器件的不同，程序進(jìn)入對應(yīng)標(biāo)簽下的傳輸系數(shù)計算程序。選擇相鄰兩個階梯波的輸出電流數(shù)據(jù)相減，再除以Vbe采樣間隔就能得到傳輸系數(shù)。三極管的傳輸系數(shù)為放大倍數(shù)hfe=Ic/Ib，MOS管的傳輸系數(shù)跨導(dǎo)gm=Id/Vgs，光電耦合器的傳輸系數(shù)為電流傳輸比CTR=Ic/If。把傳輸系數(shù)輸入到判定范圍函數(shù)，根據(jù)預(yù)設(shè)定的上下限能判定被測器件是否合格，前面板上的器件質(zhì)量綠燈亮表示器件合格，否則不合格，還可以在前面板上添置蜂鳴器加以聲音提示。

6 程序運(yùn)行

圖3為S8050的輸出特性，其Hfe=153。圖5為MOS管IRFZ48的小信號輸出特性，如果增大Vgs和Vds的供電能力還能得到它的大電流特性曲線。圖6為光電耦合器PC817的電流輸入輸出特性，從圖中可以看到其電流傳輸比為213%。和器件的產(chǎn)品規(guī)格書基本吻合。

7 總結(jié)

有些公司的數(shù)據(jù)采集卡自帶有一些器件測試函數(shù)，VI編程就很容易，但用戶需要購買其昂貴的數(shù)據(jù)采集卡，且使用條件限制較多。本項目采用低成本的U18數(shù)據(jù)采集卡配以相應(yīng)的VI程序設(shè)計出的晶體管特性圖示儀顯示出成本優(yōu)勢且功能擴(kuò)展靈活方便，加以合適的控制接口就可以作為電子器件生產(chǎn)廠家的自動測試、質(zhì)檢和篩選設(shè)備使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]林靜，林振宇，鄭福仁.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2]雷振山.LabVIEW8.2基礎(chǔ)教程[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

作者簡介：秦逸平（1965.7-），男，教師，研究方向：電子產(chǎn)品設(shè)計。

蘇蓓蓓（1980.12-），女，講師，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。