基于STM32的晶體管特性曲線測試儀

劉士興，劉宏銀，趙 博，魯迎春，易茂祥

（合肥工業大學 電子科學與應用物理學院，安徽 合肥 230009）

晶體管特性曲線圖示儀能夠測量半導體晶體管的靜態參數［1］，顯示晶體管的輸入、輸出特性曲線，在高校電子信息類專業的教學中獲得了廣泛的應用［2］。目前大多數的晶體管圖示儀是基于模擬電路和邏輯電路的純硬件電路，沒有數字化接口，無法連接到計算機上做數據的進一步處理和保存。文獻［3—4］提出了基于單片機的晶體管特性曲線圖示儀，但顯示需借助于普通示波器［5］；文獻［6］提出的方案，實現了特性曲線的LCD顯示，但無法保存數據；文獻［7］的數據雖然能通過串口傳給計算機，但數據的處理還得借助Matlab之類的大型軟件。

本文提出的基于STM32F103VET6（以下簡記為STM32）［8－9］的晶體管特性曲線圖示儀能很好解決上述問題，像專用晶體管特性曲線圖示儀一樣實現晶體管輸入輸出特性曲線的測量和顯示，LCD觸摸屏的使用不僅實現了晶體管特性曲線的顯示功能，還取代了傳統的按鍵操作，同時基于LabVIEW［10］編寫了上位機軟件，可由PC端接收數據進行處理、顯示及保存。基于嵌入式系統的硬件電路設計使儀器結構更簡單，數字化程度更高，能更好地滿足相關專業的教學要求。

1 測試原理

以NPN型三極管為例，測試原理如圖1所示。集電極電流經采樣電阻RSC轉換成電壓，經儀表放大器放大后輸入ADC進行采樣，再計算得到集電極電流IC。而集電極與發射極的極間電壓VCE因采樣電阻上的壓降為mV量級，分壓作用可忽略，等效為集電極的掃描電壓。

圖1 晶體管輸出特性曲線測試原理

輸出特性曲線以VCE為橫坐標，IC和基極電流IB分別為左右縱坐標。當IB恒定為一個階梯電流值時，VCE一個掃描周期內若干階梯掃描電壓值所對應IC的變化規律，即一條曲線。當IB完成一個階梯變化時，即完成了整組輸出特性曲線的測試。IB與VCE的關系如圖2所示。其函數關系為

圖2 基極階梯電流與集電極掃描電壓的關系

2 硬件設計

儀器采用意法半導體（ST）公司推出的STM32處理器。該芯片基于超低功耗的ARM Cortex－M3處理器內核，片內Flash為512KB，片內SRAM為64KB，主頻為72MHz。內嵌16通道的12位ADC轉換器、16通道的12位DAC轉換器以及SPI等豐富的外設資源，使得本系統的電路結構簡單緊湊。

圖3為晶體管測試儀體系結構框圖。測試儀由基極電流階梯波發生電路、集電極電壓階梯波發生電路、STM32嵌入式處理器構成的測量和LCD顯示電路等組成。

圖3 測試儀體系結構框圖

2.1 基極階梯波發生電路

本設計需要為基極提供階梯狀高精度恒定電流，故選擇LM334作為恒流源芯片。LM334在工作電流內，恒流源可調范圍比為10 000∶1，并且具有1～40 V的動態電壓范圍，恒流特性非常好，只需外接一只電阻即可實現恒流源的建立。采用數字電位器取代其外接電阻，即可實現STM32對電流源的控制。原理如圖4所示。圖4輸出電流為

IBIAS同ISET存在簡單的百分比關系，VR近似為214μV/K，工作溫度取25℃，即298K。則上式進一步簡化為

式（2）和式（3）中，RSET為數字電位器 MAX5402阻值，ISET即為基極電流為IB。輸出電流0～160μA，對應電阻變化范圍為10kΩ～39Ω，電流分辨率達到0.1μA。

圖4 基極階梯電流產生原理電路

由于NPN晶體管和PNP晶體管的基極電流方向相反，在NPN晶體管電路中－VIN端接到NPN晶體管的基極，＋VIN端接＋5V電壓得到正向電流；而在PNP晶體管電路中＋VIN端接到PNP晶體管的基極，－VIN端接－5V電壓得到反向電流。

2.2 集電極階梯波發生電路

集電極階梯波發生電路（見圖5）由STM32嵌入式處理器內嵌12位DAC、運算放大器和三端可調穩壓器等構成。嵌入式處理器控制12位DAC輸出控制電壓模擬量VDA，該電壓與運算放大器的參考電壓VR做運算后控制三端可調穩壓器從0V開始輸出階梯電壓，實現0～30V可調的可編程電壓輸出。

圖5 集電極階梯波產生電路

本儀器選用linear公司的三端穩壓電源LT1086產生三極管集電極端的掃描電壓；電壓調整率為0.015%，負載調整率為0.1%。VCE為電壓源的輸出，VREF為三端可調穩壓器的參考電壓，其值為1.25V。輸出電壓VCE如公式（4）所示，調節VO即可實現對VCE的控制。

圖5所示電路提供合適的VR，經減法電路與控制電壓VDA做運算得到VO，使得當VDA＝0時，VO＝－1.25V，得到：

VDA由12位的DAC產生，電壓范圍0～3.3V，分辨率為0.8mV，選擇合適的R1和R2的阻值，實現集電極掃描電壓范圍0～30V，相鄰階梯電壓間距為7.27mV。

2.3 電流測量電路

如圖6所示，RSC將待測電流IC轉換成待測電壓，為保證采樣精度，采用了0.1%精度的0.1Ω的低阻值采樣電阻；為實現小信號的幅度變換，使之滿足ADC轉換時對幅度的要求，需選用儀表放大器。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，采用同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對微弱輸入信號的衰減；差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得共模抑制比得到提高。

本儀器選用了TI公司的INA211，其具有放大倍數為500倍，具有低漂移、低功耗、高共模抑制比、寬電源供電范圍及小體積等一系列優點。有如下關系：

圖6 測量電路原理圖

3 測量軟件設計

測量軟件包括初始化、中斷服務、LCD顯示、網絡通信擴展程序等。測量軟件總流程見圖7。開機后系統首先進行系統初始化，包括系統定時器、LCD、觸摸屏、SD卡、FLASH和網口的初始化。初始化后，系統進入等待狀態，一邊監聽網絡端口，一邊檢測來自觸摸屏的中斷，分別對應上位機顯示和LCD顯示。

以NPN輸出特性的LCD顯示子程序為例，程序流程圖見圖8。NPN的輸出特性曲線為IB恒定的情況下，VCE和IC的變化關系。VCE每改變一個值，都需采樣多次做中位值平均濾波。VCE一個周期結束，IB的值改變一次，IB預置了5個值，畫完5條曲線即完成測試。其他類型的特性曲線的流程只是稍有不同，這里不再介紹。

4 測試分析

圖7 測量軟件總流程

圖8 NPN晶體管輸出特性測試程序流程

圖9是本系統測試的S9014三極管的輸出特性曲線。點擊屏幕右側的IB的數值，即可顯示對應IB值時的輸出特性曲線及hFE的值。圖9中所示hFE的值（359.35）為IB為100.6μA時的放大倍數。由于基極電流的輸出是基于數字電位器MAX5402，受限于分辨率，無法達到精確的40μA和100μA的測試條件，故以接近的39.8μA與100.6μA作比較。表1給出了本儀器與YB4810的測試結果。

表1 測試結果

圖9 LCD顯示的S9014輸出特性曲線

由表1的測試結果可以看到，本儀器的測試精度較高。測試數據也可由網口上傳給上位機顯示，同時將測試數據以電子文檔的方式完整的保存下來。可用于打印數據和電子存檔。

5 結論

本儀器以STM32F103VET6嵌入式處理器為核心，基于DAVICOM 公司的百兆網絡［11］驅動芯片DM9000，實現了與上位機的高速傳輸。基于電阻觸摸屏，實現了簡化操作；提供了LCD截屏和上位機電子存檔兩種數據保存的方式。經測試本儀器達到了工作穩定、操作簡單、測試準確的設計目標，相對誤差在0.5%以內，非常適合應用于高校電子信息類專業的教學實驗中。

（

）

［1］Walton，Jack，Hebel，et al.the characteristic curves of tubes and transistors［J］.Audio Xpress.2004，35（8）：40－45.

［2］童詩白，華成英.模擬電子技術基礎［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006.

［3］陳艷燕，楊小鋒.基于單片機的晶體管特性圖示儀［J］.儀器儀表學報，2005（增刊1）：1344－1345.

［4］De Buyl，Pierre.Adigital oscilloscope setup for the measurement of a transistor’s characteristic curves［J］.American Journal of Physics，2010，78（12）：1425－1429.

［5］吳文全，馬曲立.示波器作為X－Y圖示儀測量功能擴展［J］.電子測量技術2004（3）：16－17.

［6］俞菲，陳慶昉，鄔楊波.基于C8051F020的晶體管V－I特性測試儀設計［J］.信息技術2010（12）：11－14.

［7］林益平.基于LCD的晶體管特性曲線圖示儀［J］.電子測量技術，2008，31（2）：109－112，126.

［8］劉火良，楊森.STM32庫開發實戰指南［M］.北京：機械工業出版社，2013.

［9］Yiu Joseph，宋巖.ARM Cortex－M3權威指南［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［10］陳樹學，劉萱.LabVIEW 寶典［M］.北京：電子工業出版社，2011.

［11］Scaglia Sergio，潘琢金.嵌入式Internet TCP IP基礎、實現及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.