晶體管特性圖示儀作為一種可通過屏幕觀察和測試半導(dǎo)體管特性曲線和直流參數(shù)的測量儀器，具有動態(tài)性好、實時跟蹤、特性顯示直觀等優(yōu)點。隨著測試技術(shù)、微控制器技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了以微控制器或數(shù)據(jù)采集卡作為下位機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，在PC實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、顯示等功能的數(shù)字式晶體管圖示儀，其具有數(shù)據(jù)顯示直觀、測試結(jié)果精確、分析功能強大等優(yōu)點[1]。但此類圖示儀需要借助PC、并采用有線方式傳輸數(shù)據(jù)。

　　2008年Google公司推出Android移動終端平臺，目前基于Android的智能手機(jī)穩(wěn)居市場份額第一，且其性能遠(yuǎn)超早期PC。有鑒于此，及針對數(shù)字式晶體管圖示儀存在的問題，本文提出了一種基于Android平臺，通過藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)無線傳輸?shù)木w管特性圖示儀方案。該方案中，以最新的性能卓越的Cortex-M0+微控制器為下位機(jī)核心，實現(xiàn)晶體管特性曲線測量數(shù)據(jù)的采集，并通過藍(lán)牙模塊向Android 移動終端上傳數(shù)據(jù)，采用智能手機(jī)代替PC作為上位機(jī)，完成測量數(shù)據(jù)的存儲、顯示、分析等功能。

1 基本原理及系統(tǒng)框架

　　1.1 晶體管特性曲線測量原理[2]

　　晶體管共發(fā)射極輸出特性曲線是描述基極電流IB為一常量時，集電極電流iC與集電極和發(fā)射極之間的電壓uCE之間的函數(shù)關(guān)系，即：

　　對于每一個確定的IB，都有一條確定的曲線與之對應(yīng)，因此當(dāng)IB改變時，相應(yīng)的曲線亦隨之變化，進(jìn)而輸出特性是一組曲線。

　　以NPN型晶體管共發(fā)射極輸出特性曲線為例，其測量原理如圖1所示。在基極施加階梯電流的同時，在集電極施加鋸齒波掃描電壓，并確保當(dāng)IB恒定為一個值時，集電極電壓完成一個周期的掃描變化。這個變化周期由195個小階梯組成，在每個小階梯周期內(nèi)，通過A/D轉(zhuǎn)換電路測量集電極負(fù)載電阻上的電壓，從而以計算出集電極電流iC作為縱坐標(biāo)，以測出的集-射電壓uCE作為橫坐標(biāo)，這樣就可以確定輸出特性曲線上的一個點，進(jìn)而一個集電極電壓掃描周期就可以畫出一條晶體管輸出特性曲線[3]。

　　1.2 系統(tǒng)框架

　　整個系統(tǒng)的框架如圖2所示。晶體管輸出特性圖示儀主要由電源模塊、控制面板、基極階梯波電流發(fā)生器、集電極掃描電壓發(fā)生器、測量電路及藍(lán)牙通信模塊等構(gòu)成。當(dāng)進(jìn)行晶體管輸出特性測量時，基極階梯波電流發(fā)生器在主控制器作用下依次為基極提供5 A、10 A、20 A、30A、35 A和50 A的階梯電流，在每一個基極階梯電流期間，集電極掃描電壓發(fā)生器為集電極提供0～20 V階梯變化(見前述)的掃描電壓，并且在每個掃描周期內(nèi)實現(xiàn)195組iC～uCE數(shù)據(jù)所需的A/D轉(zhuǎn)換、計算等數(shù)據(jù)采集處理工作，同時通過藍(lán)牙模塊將測量數(shù)據(jù)傳輸給Android智能手機(jī)，進(jìn)而實現(xiàn)輸出特性曲線的顯示、分析及管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 Cortex-M0+主控芯片

　　主控制芯片采用Freescale公司基于Cortex-M0+處理器的Kinetis L系列的微控制器MKL25Z128(簡稱KL25)。Kinetis L系列MCU特別適用于價格敏感、能效比相對較高的領(lǐng)域，是8/16位MCU應(yīng)用領(lǐng)域的理想升級換代產(chǎn)品。KL25微控器主要特點有：CPU工作頻率為48 MHz；具有128 KB片內(nèi)Flash、16 KB片內(nèi)RAM、64 B Cache；具有DMA、UART、SPI、IIC、TSI、16位ADC、12位DAC等模塊。

　　2.2 基極階梯波電流發(fā)生器

　　基極階梯波電流發(fā)生器為晶體管輸出特性曲線的測量提供工作基礎(chǔ)，其性能的好壞至關(guān)重要。從圖3可知，基極階梯波電流發(fā)生器電路由電壓基準(zhǔn)、極性轉(zhuǎn)換、V/I轉(zhuǎn)換3部分電路組成?；鶞?zhǔn)電路中的R1、R2分別為精度1%以內(nèi)的100 k、10 k的電阻，通過二者的分壓為V/I轉(zhuǎn)換電路提供基準(zhǔn)電壓(Ui=0.455 V)。虛線框中的極性轉(zhuǎn)換電路是為了測量NPN和PNP管時改變輸出極性而設(shè)的。當(dāng)對NPN管進(jìn)行測量時， MAX-S1閉合，MAX-S2斷開，基準(zhǔn)電壓直接加至V/I轉(zhuǎn)換電路；當(dāng)對PNP管進(jìn)行測量時，MAX-S1斷開， MAX-S2閉合， 基準(zhǔn)電壓經(jīng)反相后變?yōu)樨?fù)電壓加至V/I轉(zhuǎn)換電路。MAX-S1、MAX-S2為MAX4602內(nèi)部的2路電子開關(guān)，MAX4602是一款導(dǎo)通電阻僅為2.5 Ω的CMOS模擬開關(guān)，內(nèi)部有4個常開開關(guān)，具有低功耗、小尺寸、可靠性高等優(yōu)點。

　　運算放大器A3、A4，電阻R6～R9(均為10 k)及數(shù)字電位器RW1構(gòu)成了典型的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。經(jīng)過簡單計算可知[3]：

　　顯然，當(dāng)Ui保持恒定時，只要RW1保持恒定，由于A4的隔離作用，IB就保持恒定，而與UBE的大小無關(guān)。若改變基極電流IB，只需要改變數(shù)字電位器RW1的阻值即可實現(xiàn)。MCP42100是一款具有256個抽頭的雙100 kΩ的數(shù)字電位器，與MCU 通過SPI口相連，操作十分方便，具體使用方法可參考文獻(xiàn)[4]。

　　2.3 集電極掃描電壓發(fā)生器和測量電路

　　集電極掃描電壓發(fā)生器由D/A模塊、極性轉(zhuǎn)換、功率放大等電路構(gòu)成。主控芯片KL25片上提供1個12位的DAC模塊，可用來產(chǎn)生階梯電壓，當(dāng)階梯步長取21時，可提供195梯階梯電壓。由于DAC模塊最大輸出電壓僅為3.3 V，而集電極掃描電壓一般不低于20 V，因此需要對DAC輸出電壓進(jìn)行功率放大。極性轉(zhuǎn)換電路與基極階梯波電流發(fā)生器中的相應(yīng)電路原理、功能基本相同，為此不再贅述。

　　測量電路的功能是實現(xiàn)測量電壓的極性轉(zhuǎn)換和信號調(diào)理，使之滿足A/D轉(zhuǎn)換時對極性和幅度的要求。0～20 V間階梯變化的集電極掃描電壓無法直接送至KL25的ADC模塊，經(jīng)調(diào)理后，電壓變化范圍為0～2 V，鑒于KL25高達(dá)16 bit的A/D轉(zhuǎn)換精度，并不會降低采樣電壓的分辨率。

　　2.4 藍(lán)牙通信模塊設(shè)計

　　藍(lán)牙技術(shù)作為一種非常流行的低成本、短距離的無線通信技術(shù)，能夠有效地簡化固定與移動設(shè)備、移動設(shè)備之間的通信連接。選用的BLK-MD-BC04-B藍(lán)牙模塊只需配備少許外圍元件，就能實現(xiàn)所有功能。本設(shè)計中僅需將TXD端、RXD端依次連接到主控制器KL25的PTA19端、PTA18端即可。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 下位機(jī)軟件

　　晶體管特性圖示儀下位機(jī)測量軟件除主程序外，還主要包括基極階梯波電流產(chǎn)生、鍵盤控制、集電極掃描電壓生成、數(shù)據(jù)測量及藍(lán)牙通信等子程序模塊。圖4為測量主程序流程圖。主控制器上電后，系統(tǒng)初始化：設(shè)定內(nèi)部功能寄存器、I/O口等初始值，MAX4602、MCP42100初始狀態(tài)，藍(lán)牙模塊初始化等；調(diào)用鍵盤控制模塊查詢系統(tǒng)功能設(shè)定模式；測量時，依次調(diào)用基極階梯波電流產(chǎn)生、集電極掃描電壓生成、數(shù)據(jù)測量等相關(guān)子程序?qū)崿F(xiàn)1條輸出特性曲線測量；基極階梯波電流產(chǎn)生子程序依次輸出6組電流，從而完成1組輸出特性曲線的測量；最后調(diào)用藍(lán)牙傳輸子程序完成測量數(shù)據(jù)向Android手機(jī)的上傳。

　　3.2 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸

　　藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸通常不支持自動連接，在開始傳輸數(shù)據(jù)之前需對藍(lán)牙進(jìn)行手動連接。藍(lán)牙設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸主要分為6個步驟[5]：(1)打開藍(lán)牙；(2)搜索藍(lán)牙設(shè)備；(3)獲取藍(lán)牙設(shè)備；(4)創(chuàng)建客戶端藍(lán)牙Socket；(5)創(chuàng)建數(shù)據(jù)流，進(jìn)行傳輸；(6)關(guān)閉藍(lán)牙。鑒于藍(lán)牙占用系統(tǒng)較多的資源，故設(shè)計若5 min內(nèi)無數(shù)據(jù)傳輸，將自動斷開藍(lán)牙連接，以節(jié)約系統(tǒng)資源，同時節(jié)省電量。

　　3.3 特性曲線顯示實現(xiàn)

　　Android系統(tǒng)釆用改良的2D向量圖形處理函數(shù)庫Skia來實現(xiàn)字型、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及點陣圖等的顯示。主要有如下幾步[6]：(1)構(gòu)建一個自定義的畫波形的視圖類；(2)獲取Canvas畫布，每一個視圖類都提供一個Canvas畫布，其可以直接從視圖類中獲取；(3)獲取Paint畫筆，畫筆類是Paint，通過該類可以設(shè)置畫筆的風(fēng)格、顏色、屬性等；(4)線段繪制和文字繪制，通過Canvas提供的線段繪制方法drawLines和文字繪制方法drawText，就可以繪制想要的線段和文字了；(5)調(diào)用自定義View的onDraw方法，把所繪制的圖形顯示在屏幕上。

4 測試結(jié)果

　　分別利用優(yōu)利德UT56數(shù)字萬用表、上海新建XJ4828晶體管圖示儀及本文設(shè)計調(diào)試好的晶體管特性圖示儀，依次對4種不同型號晶體三極管測量hFE值進(jìn)行比較，其結(jié)果如表1所示。三者測得的hFE值相近，說明本圖示儀的測量值是可靠的。

　　圖5為利用本文設(shè)計的晶體管特性圖示儀測量的9013晶體管的輸出特性曲線，在Android智能手機(jī)上的顯示效果。與新建XJ4828晶體管圖示儀測試比較，二者在小電流低電壓范圍內(nèi)的測試結(jié)果非常接近，相似度很高，說明本圖示儀的測量精度是很高的。

　　本文提出了一種基于Android手機(jī)的晶體管特性圖示儀的設(shè)計方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了軟件和硬件的實現(xiàn)。系統(tǒng)下位機(jī)采用Cortex-M0+主控制器為核心，產(chǎn)生并提供基極階梯波電流和集電極掃描電壓，實現(xiàn)對晶體管輸出特性的測量，既使得測量裝置體積減小、重量變輕，同時測量響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好。利用目前技術(shù)成熟的藍(lán)牙技術(shù)作為測量數(shù)據(jù)上傳方案， 采用市場上廣泛使用的移動終端操作系統(tǒng)Android作為平臺，借助智能手機(jī)實現(xiàn)晶體管特性曲線的存儲、顯示、分析等功能。實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有測量精度高、使用方便和測量結(jié)果直接明了等特點。此外，該系統(tǒng)很容易擴(kuò)充功能，如測量輸入特性曲線，測量場效應(yīng)管特性等。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 劉舉平，余為清，姚立志．?dāng)?shù)字式晶體管特性圖示儀的設(shè)計[J]．測控技術(shù)，2013，32(6)：1-3，8．

　　[2] 童詩白，華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版)[M]．北京：高等教育出版社，2011．

　　[3] 林益平．基于LCD的晶體管特性曲線圖示儀[J]．電子測量技術(shù)，2008，31(2)：109-111．

　　[4] 楊增汪，李祥超，陳斯．基于單片機(jī)的電涌保護(hù)器現(xiàn)場檢測裝置研究[J]．低壓電器，2010(24)：53-57．

　　[5] 蘇維嘉，楊靜，唐宇．Android手機(jī)麥克端的數(shù)據(jù)采集與顯示[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(7)：30-32．

　　[6] 鄧繁．基于Android系統(tǒng)的心電儀的設(shè)計和實現(xiàn)[D]．北京：北京交通大學(xué)，2011．