基于虛擬技術的晶體管特性測試

劉燕，陳興文

（大連民族學院信息與通信工程學院，遼寧大連 116605）

基于虛擬技術的晶體管特性測試

劉燕，陳興文

（大連民族學院信息與通信工程學院，遼寧大連 116605）

在傳統的晶體管特性測試實驗中，通常需要使用多種測量儀器來完成實驗任務。為了降低實驗成本，簡化實驗操作過程，設計了基于虛擬儀器技術和PCI－6221型通用數據采集卡完成晶體管特性測試實驗方案，通過分別對IN4148和2SC9014晶體管進行實際測量，證明其能夠滿足測試實驗要求。

虛擬技術;晶體管特性;LabVIEW

晶體管特性測試是電子技術實驗中的基本實驗之一，目前各院校實驗教學中通常使用萬用表、晶體管圖示儀等多種儀器來完成該實驗項目。這個實驗項目往往是面向初學電子技術的學生開設，學生初次利用多種實驗儀器完成實驗勢必影響實驗效果。隨著虛擬儀器技術的廣泛應用，通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合，把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。因此采用虛擬儀器技術開發晶體管特性測試儀器，可以實現對不同型號晶體管參數的測量并顯示相應的特性曲線，完全可以達到實驗測試要求。

1 晶體管特性測量原理

1.1 二極管正向伏安特性的測量原理

通常二極管正向伏安特性是指流經它的電流的大小與加在二極管兩端電壓之間的關系，為了能夠實現二極管正向伏安特性曲線，需在二極管兩端加上隨時間而改變的電壓，這樣才能測量二極管在不同電壓下通過的電流，其測量原理如圖1所示。根據此原理，實驗時可以利用LabVIEW產生一個時變的電壓源，然后利用數據采集卡在二極管兩端進行電壓輸出，然后再通過數據采集卡的全雙工特性將二極管兩極引出端作為數據采集卡的輸入進行電壓采集，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量電路原理圖

1.2 三極管伏安特性的測量原理

因為在低頻條件下由三極管本身產生的耦合電阻、耦合電容幾乎對它們在不同外界條件下表現出來的特性干擾很小，因此在低頻條件下測量三極管特性曲線時只考慮集電極和發射極間的電壓Uce、流經集電極的電流Ic、基極電流Ib。通過直接和間接測量得到這三者，再將他們有機地結合起來，在同一坐標中表示出來，這樣就可以在屏幕上觀察到三極管的伏安特性曲線。其測量原理如圖2。

在專門的三極管伏安特性測量儀器中常用的測量方法是電壓掃描法，即提供兩個同步的信號源U1和U2，其中U1是一個階梯波，U2是取了絕對值的正弦波。在這兩個信號的作用下，就可掃描出三極管的特性。基于虛擬技術進行實際測量時，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的全雙工特性測得基極電壓和集電極電壓并輸入到系統中，在LabVIEW程序中完成各個參數的轉化，最終得到三極管的伏安特性曲線。

圖2 三極管伏安特性測量電路原理圖

2 硬件平臺構建及測量流程

本系統采用NI公司生產的PCI－6221型DAQ數據采集卡，采集卡內部含8路16位A/D轉換器和2路16位D/A轉換器，可實現8通道同時采集輸入信號和2通道同時輸出模擬信號，D/ A轉換精度為1/（216－1）≈0.000015259;A/D轉換精度1/216≈0.00001001。系統硬件平臺結構如圖3，測量操作流程如圖4。

圖3 系統硬件總體結構平臺

圖4 測量操作流程

3 基于LabVIEW實現二極管的伏安特性測量VI軟件設計

根據圖1的測量原理，構建出在LabVIEW上可實現實際二極管的測量程序。在輸入端口施加可變直流電壓，設電阻兩端的電壓為，U1二極管兩端的電壓為U2，則流經二極管的電流為U1/R。

掃描電壓是用一個由兩幀組成的順序結構程序實現的。在0幀先產生周期性的信號類型、頻率及幅值可控的電壓掃描信號。在1幀中從AI的0、1兩個通道各采集一個電壓波形，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Bundle控件后送給XY Graph，這樣就可以得到所需的特性曲線，整個程序框圖如圖5。對型號為1N4148型二極管的特性曲線如圖6，其中橫坐標表示二極管兩端電壓（單位V），縱坐標表示流經二極管的電流（單位mA）。

圖5 二極管的伏安特性測量程序框圖

圖6 1N4148型二極管的伏安特性曲線

4 基于LabVIEW實現三極管伏安特性測量VI軟件設計

根據圖2測量原理，需要提供兩個同步的信號源U1和U2，其中U1是一個階梯波，U2是取了絕對值的正弦波。該程序仍采用兩幀的順序結構，首先發生所需的電壓數據波形，然后采集需要處理的有關數據。圖7左上角規定了兩個基波的參數:階梯波每周期含9個階梯，每個階梯含300個數據點。這樣，與一個階梯波周期相對應需要產生9個正弦半波，每個正弦半波也是300個數據點，共2700個樣本。這里使用最基本的正弦函數編輯程序將更加簡單。圖7左下角循環用來產生一個周期的階梯波的數據樣本，樣本中使用了Initialize Array和Build Array兩個函數，每次循環產生元素的個數為300，元素值為階梯波增量與循環變量i的數組之積，Build到上一次得到的數組中。循環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樣本先轉換為waveform格式;然后build為一個waveform array，送給模出函數;最后在輸出驅動程序中定義DAQ數據采集卡的AO0，AO1分別得到階梯波和取了絕對值的正弦波。圖8是數據采集和處理程序，共安排了3個輸入通道，其中AI0為Ub，AI1為Ue，AI2為U2－Ue。將AI2的數據除以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程序框圖

圖8 數據采集和處理程序框圖

圖9 實際測得的三極管特性曲線

4 結語

本文采用虛擬儀器技術設計二極管和三極管伏安特性測量，經實測證明整個系統性價比高、通用性強、數據存儲方便、性能穩定可靠，完全可以滿足電子技術實驗的教學要求需求，而且與傳統實驗方案相比，節約了實驗成本，簡化了實驗操作，同時讓學生能夠較早了解虛擬技術在電子工程領域中的應用。如果利用Labview提供的網絡通信功能就可以完成實驗結果的在線提交功能，從而實現教師對學生實驗過程、實驗數據處理的網上交互，極大地改善了實驗教學效果。

［1］陳興文.LabVIEW在數字信號處理實踐教學中的應用［J］.高師理科學刊，2007（6）:90－92.

［2］秦曾煌.電工學［M］.7版.北京:高等教育出版社，2009.

［3］蓋立平，王桂蓮，張蓓蓓.三極管特性曲線測試系統［J］.實驗室科學，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，高級工程師，主要從事計算機應用及電子設計自動化。

（責任編輯 劉敏）