基于51單片機(jī)的簡(jiǎn)易晶體管輸出特性圖示儀原理與設(shè)計(jì)
摘    要：介紹了一種基于51單片機(jī)的簡(jiǎn)易晶體管輸出特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)原理。詳細(xì)說(shuō)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(lái)觀(guān)察一般的各種常見(jiàn)晶體管的輸出特性曲線(xiàn)。
關(guān)鍵詞：晶體管；輸出特性；51單片機(jī)；示波器
引言
    晶體管特性圖示儀是用來(lái)觀(guān)察晶體管各種輸入輸出特性的儀器。目前市場(chǎng)上存在很多這種儀器，但它們雖然可以測(cè)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(gè)共同的弱點(diǎn)就是價(jià)格昂貴，一般這種儀器都要幾千甚至上萬(wàn)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(zhuān)門(mén)用來(lái)測(cè)量觀(guān)察晶體管的輸出特性曲線(xiàn)。雖然相對(duì)于專(zhuān)門(mén)的圖示儀，該儀器的測(cè)量精度以及可以測(cè)量的參數(shù)不如專(zhuān)業(yè)的儀器好，但是它有一個(gè)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(jiǎn)單且成本低廉，具體使用也很方便。配合人們常見(jiàn)的普通示波器，該系統(tǒng)基本可以滿(mǎn)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(shí)，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(gè)Ib對(duì)應(yīng)一條輸出特性曲線(xiàn)。將多個(gè)Ib對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)同時(shí)顯示在示波器上，就可以得到一簇輸出特性曲線(xiàn)。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(gè)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(gè)簡(jiǎn)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(cè)量顯示電路。
    基極階梯電流產(chǎn)生電路可由51單片機(jī)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(jī)控制DAC0832(2)產(chǎn)生從零開(kāi)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(guān)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(cè)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(cè)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(jí)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(huì)增大設(shè)計(jì)成本)；掃描電壓產(chǎn)生
電路由AT89C51控制 DAC0832(2)來(lái)產(chǎn)生每秒20 Hz×8級(jí)(即160 Hz)的鋸齒波，之所以為160 Hz，是因?yàn)閮蓚�(gè)DAC產(chǎn)生的波形在每個(gè)周期開(kāi)始均須保持同步，同步效果如圖2所示，否則會(huì)使顯示的波形變形；在測(cè)量顯示部分可將Uce直接取出接到示波器的X軸。而對(duì)于集電極電流I■，則可在I■回路上接一個(gè)取樣電阻Rs，利用Ic在這個(gè)電阻上的電壓降等于IcRs，就可以取得正比于Ic的電壓，這個(gè)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(lái)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(jí)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(dòng)態(tài)電流最大只有1/5 mA左右就可以滿(mǎn)足要求了，因此通過(guò)控制數(shù)字量的輸出大小就可以得到所需大小的動(dòng)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(jì)非常簡(jiǎn)單，這里就不再做介紹了。
    對(duì)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(dá)到20 V以上才能完全將輸出特性顯示出來(lái)，所以我們需要在其后加一個(gè)電壓放大電路將Uo放大，這里，筆者加了一個(gè)放大倍數(shù)為16倍的電壓放大電路，此時(shí)得到的集電極掃描電壓為：
Ucc=5（Dx-128）/128×16(3)
這樣就可以滿(mǎn)足掃描電壓大小的要求了。
◇  測(cè)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(duì)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(duì)于集電極電流，因?yàn)槭静ㄆ魃闲枰�的是電壓，所以，在圖4的I■回路中接一個(gè)采樣電阻Rs，利用I■在這個(gè)電阻上的壓降I■R■，來(lái)得到正比于I■的電壓，這個(gè)電壓可直接反映I■的變化，只要Rs取得小，是不會(huì)影響電路的測(cè)試結(jié)果的，這里取1Ω。
軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)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(gè)定時(shí)器中斷服務(wù)程序來(lái)完成。而主程序只負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)自檢、定時(shí)器初始化和中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置(由于同步的關(guān)系，設(shè)置定時(shí)器0的優(yōu)先級(jí)應(yīng)高于定時(shí)器1)，這一部分比較簡(jiǎn)單，就不多做介紹了。下面對(duì)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(shí)器0來(lái)完成，定時(shí)器0的輸出頻率為20 Hz×8級(jí)，以12 MHz晶振計(jì)算，每隔1/160 s就需要更新一次輸出，即定時(shí)器0的定時(shí)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(duì)應(yīng)的數(shù)字量以表格的方式存儲(chǔ)起來(lái)，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(shí)，取得所對(duì)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(kāi)始必須同步的要求可知，定時(shí)器0每輸出一次，都對(duì)應(yīng)一個(gè)鋸齒波的新的周期的開(kāi)始，所以定時(shí)器0每中斷一次，還要將DAC0832(2)輸出清為0 V，以使其能夠開(kāi)始一個(gè)新的輸出周期。其定時(shí)器的中斷服務(wù)程序請(qǐng)參照?qǐng)D5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(shí)器1來(lái)完成。定時(shí)器1產(chǎn)生的鋸齒波是從0 V開(kāi)始連續(xù)變化的，當(dāng)其到達(dá)所設(shè)定的最大值時(shí)，又從0 V重新開(kāi)始輸出。同時(shí)，由于定時(shí)器1的輸出頻率比較高。如按每周期鋸齒波輸出50個(gè)數(shù)字量來(lái)計(jì)算，定時(shí)器1每秒輸出次數(shù)為20 Hz×8級(jí)×50。當(dāng)采用12 MHz晶振時(shí)，每隔125 μs就需更新一次，所以為了節(jié)省時(shí)間，定時(shí)器1采用自動(dòng)重裝模式，其定時(shí)間隔為125 μs。因?yàn)榧�電極對(duì)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(jiǎn)單地設(shè)定定時(shí)器1的輸出數(shù)字量為從128開(kāi)始到177(對(duì)應(yīng)的掃描電壓的大小從0~31 V)，然后再?gòu)?28開(kāi)始循環(huán)即可。具體的定時(shí)器2的中斷服務(wù)程序請(qǐng)參照?qǐng)D5的流程圖。