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作者：辽宁工业大学 张群群 唐国策 李馨

指导教师：牛芳琳 于玲

　　作品简介

　　传统的晶体管特性图示仪是利用电子扫描的原理，在示波管的荧光屏上直接显示各种半导体器件输出特性曲线的仪器，如三极管、二极管、场效应管等晶体管器件，主要组成是由阶梯波信号源、集电极扫描电压发生器、工作于X—Y方式的示波器、测试转换开关以及附属电路等组成的仪器。随着数字技术的发展，单片机等可编程芯片的出现，数字晶体管图示仪已经开始逐渐取代传统的示波器显示的图示仪了，其最大的优点是成本比较低廉，有合适的容易操作的界面，直接观测器件的静态特性曲线和参数;可以直接读取任意位置的数值;得到晶体管的得到最佳静态工作点，因此使用起来十分方便。

　　我们根据设计要，完成了以下的功能：

　　1) 此作品能够实现能够对Bipolar型的晶体三极管进行I-V特性曲线测试，并且所测的的晶体管特性曲线能够通过LCD进行显示，并且对应的特性曲线能够通过可调整的自动光标进行读数;

　　2) 主动识别被测三极管的类型NPN型和PNP型;

　　3) 基极阶梯电流范围从100uA到10mA分档自动可调，集电极电压从2V到20V分档自动可调，当前测试设置参数能够在LCD屏幕上显示出来;

　　4) 在某一特定测量设置条件下，晶体管特性曲线的扫描阶梯不小于10个;

　　5) 能够计算并显示当前被测三极管的β;

　　6) 自动求得并显示被测三极管的最佳静态工作点的位置;

　　7) 能够在U盘上存储当前测试结果的数据或图片。

　　作品特色：

　　1)自动判别三极管的NPN和PNP;

　　2)具有按键设置的功能;设置了快、慢调节的按键调节移动光标;

　　3)可以存贮当前的测试图片到SD卡，并进行读取;

　　4)为了适用于本题目内容，独立设计一个低功耗(采用MSP430F169的单片机主芯片)的单片机最小系统;

　　5)设计成本相对较低(和嵌入式系统相比)，总价格小于150元。

　　作品图如下：

　　平台选型说明

　　在本次比赛中，实验平台选取的是MSP430，市场上的MPS430开发板存在功能不足的情况，因此根据比赛内容的实际特点，我们自己设计完成关于MPS430芯片的晶体管图示仪的设计

　　与其他的单片机相比，MSP430F149的具有以下的优点:

　　1) MSP430系列单片机最显著的特点就是它的超低功耗。在1.8—3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1—400mA之间，RAM在节电模式耗电为0.1mA，等待模式下仅为0.7mA。

　　2)MSP430F149采用16位RISC结构，其丰富的寻址方式、简洁的内核指令、较高的处理速度(8M晶体驱动，指令周期125ns)、大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力。

　　3)MSP430F149的运行环境温度范围为-40—+85℃，可以适应各种恶劣的环境。

　　MSP430F149自带硬件资源：

　　(1) 基础时钟模块，包括1个数控振荡器(DCO)和2个晶体振荡器; (2) 看门狗定时器Watchdog Timer，可用作通用定时器： (3) 带有3个捕捉/比较寄存器 的16位定时器Timer-A; (4) 带有7个捕捉/比较寄存器的16位定时器Timer_B; (5) 2个具有中断功能的8位并行端口：P1与P21 (6) 6个8位端口：P1、P2、P3、P4、P5、P6。 (7) 模拟比较器COMPARATOR_A; (8) 12位A/D转换器; (9) 2通道串行通信接口(软件选择UART/SPI模式); (10) 1个硬件乘法器; (11) 60KB+256字节FLASH，2KBRAM

　　基于以上特点，我们的电路设计选取MSP430作为功能控制芯片，来实现本次比赛的设计要求。

　　设计说明

　　1设计原理：

　　三极管的输出特性曲线测量，是需要选取三极管基极VB电压保持不变的收，VC电压发生变化，得到的关于IC-VC曲线，随着VB电压的不同的时候，IC-VC曲线也会不同。三极管主要分为NPN和PNP，根据电流流向的不同，判断出所测的三极管类型。对于三极管的输出特性曲线测试，需要在被测三极管三端加入可控制的电压，并且通过读取被测电路不同位置的电压，通过单片机计算其Ib、IC电流的大小得到输出特性曲线。

　　2设计方案：

　　将被测的晶体管器件3个管脚分别插入到“1”“2”“3”端，根据三极管的类型“1”、“3”分别为三极管NPN的C极和E极(或E极和C极PNP)，“2”端为基极。MPS430 控制DA1、DA0、VREF输出扫描电压的大小，由于单片机输出电压最大为2.5V，因此，单片机输出的电压需要经过放大的电压分别加到被测电路的“1”、“2”端;提供三极管的测量电压。

　　晶体管的输出特性是指在一定的基极电流Ib时，晶体管集电极与发射极之间的电压Uce同集电极电流Ic之间的关系。每个Ib对应一条输出特性曲线。将多个Ib对应的曲线同时显示在显示屏上，就可以得到一簇输出特性曲线。所以，我们要完成的任务：一是提供一簇基极阶梯电流;二是提供一个从小到大变化的集电极扫描电压;三是将Uce和Ic的数据取出并送到显示屏上显示。因此，一个晶体管输出特性图示仪主要由以下三部分组成,即：基极阶梯电流产生电路、集电极扫描电压产生电路和测量显示电路。

　　3单片机外围电路及程序设计：

　　1)外围电路设计

　　单片机外围电路如下图所示：该电路主要由放大电路和衰减电路两部分组成，运放芯片采用OP07。

　　基极阶梯电流产生电路是在基极电阻两端加上由单片机控制的阶梯电压，由阶梯电压直接产生所需的电流;集电极扫描电压产生由单片机控制产生从零开始增大的电压，再经电压放大电路放大以产生所需的扫描电压;显示观察电路由电流/电压转换电路将电流Ic转换成示波器所需的电压值，而将Uce直接接到示波器上测量即可。

　　2)实现MS430程序设计

　　程序流程图如图所示：

　　4按键设计：

　　对于按键的设计，由于本次设计所使用的按键较多，这次设计采用矩阵键盘，这样设计的一个最大好处就是节省单片机的IO口，同时可以接入更多的按键。对于按键的设计，本设计也打破了常规的矩阵键盘的排布，我们把0-9这10个数字排布在一起，同时把剩余的6个按键中的其中4个当做上、下、左、右移动键，最后把剩余的两个按键当做确认和返回按键。这样对按键进行排布，不仅外观好看，同时使用也更加方便。

　　显示屏设计：

　　由于要对10阶的曲线同时进行显示，同时为了区分各条曲线，我们采用320*240分辨率的彩屏进行显示。

　　存储功能设计：

　　存贮功能，我们选择普通的SD卡进行存贮，不采用SD卡读写的FAT文件系统，直接对SD卡进行操作，实现了数据及图片的保存。

　　数据读入数据输出设计：

　　数据的保存我们采用单片机直接写入，每一个像素点的数据位采用的是以8位的ASCII进行保存，同样读取的时候以同样的方法进行读取。

　　5各部分模块介绍：

　　1)测试原理：首先固定Vc1的电压为0伏，把Vb1从0伏开始往上升，当Vb1的电压与Vb2的电压之差为Ib1乘以Rb的时候，把Vc1从0伏开始往上升，从而测出Ib1这条曲线。同理通过调节Vb1与Vc1的电压值，进而得到不同值的Ib的特性曲线。

　　2)控制及显示部分：采用单片机进行控制，单片机的主芯片采用MSP430F169，它的内部具有2K的RAM和60K的ROM,有6路12位AD和2路12位DA。其显示部分采用3.2寸TFT彩屏进行显示。

　　3)测量部分：测量部分主要是由单片机的两路DA信号来控制Vc1的电压和Vb1的电压，单片机的两路AD信号来分别检测Vb2的电压和Vc2的电压，由于单片机的参考电压为2.5伏，所以单片机的DA信号要进行9倍放大，而相应的DA信号要进行相应的9倍的衰减。所默认的晶体管为NPN型，如果换做PNP型晶体管，要通过单片机的I/O口进行控制继电器，从地切换到正20伏的基准电源上，从而通过调整Vc1的电压和Vb1的电压实现晶体管特性曲线的绘制。

　　4)NPN/PNP自动识别电路设计：测量三端1，2，3分别插入三极管的c、b、e。图3所示，根据加在R9或R10两端电压是否存在电压来判断NPN还是PNP的，如果是NPN三极管，VC加入正电压，三极管VB加入电压能够工作，电阻上有电压存在，电压大于0，则可以判断是NPN;相反，如果是PNP，VC加入正电压，VB输入电压则电路不工作，单片机控制K3,加入20V基准电压，与DA1的控制电压形成一个电压差，使PNP三极管能够正常工作。

　　5)实际作品：如下图所示，作品分为三个部分，第一部分为电源，主要分为正24伏和负5伏及正5伏电源。其中正24伏和负5伏电源为测量系统供电，正5伏电源为单片机TFT彩屏及继电器供电。

　　5总结：

　　通过软件及硬件的设置，我们实现了对晶体管特性曲线的测量。在测量的同时我们也可以自动判别出晶体管的类型，并且可以对相应的参数进行设置。另外，我们可以通过移动光标，把光标定位到特性曲线上，进行参数的读取。最后我们可以按保存键进行图片的保存。

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