三极管参数测试仪参考方案

简易半导体三极管参数测试仪简易半导体三极管参数测试仪

摘要

本设计以AT89C55WD单片机最小系统为核心，用c51编程，通过多组继电器的组合，可靠地实现了对三极管基极和发射极电流的检测，通过ADC0809和运放组成数据采集电路；由DAC0832和多组继电器组成数控电压源。系统能精确测量三极管交直流放大系数、集电极－发射极反向击穿电压和反向饱和电流。系统所用高压通过倍压电路获得。单片机根据采集所得数据进行处理，并通过液晶对各项参数和输入输出曲线进行显示。在此基础上，用MAX232实现了单片机和PC机的串行数据通讯，使显示更直观准确，并可进行存储打印。

一、方案论证与比较

根据题目的设计要求，本系统的设计可以划分为以下几个部分，下面对每个设计方案分别进行论证与比较

1．三极管基极和集电极电压采样电路

方案一：采用在基极和集电极电阻两端直接测电压的方法。用这种方法虽然简单，但是电路复杂，需要多个运算放大器，精确度不高，很难达到题目要求。

方案二：采用在发射极串电阻，直接在发射极测量电流I ce 的方法。这种方案

由于电阻两端对地电压较低，便于放大检测。但由于发射极电阻的存在，使基极电位很难确定，不便于基极电阻的选择，对Uce的确定也会带来一定困难。

方案三：用两路数据采集电路分别对基极电压和发射极电阻两端电压进行采

样。基极电压经过普通运放组成的同向比例放大电路进行放大后送AD采样。而极电极电阻两端的电压采用高精度低漂移仪用放大器INA126进行放大。若所测三极管为PNP型管，则经过反向比例电路转换成正电压以满足ADC0809采样的需要。

综合考虑，方案三电路结构简单，测量精度较高，故采用方案三。

2．反向击穿电压测量电路

方案一：通过变压器、三端稳压器等组成可调电压源，实现0—100V电压的连

续输出。这种方案输出电压简单易行，但由于高压的检测存在一定困难，且大电流易对电路造成损坏，不宜采用。

方案二：将DAC0832的输出经倍压电路后得到可调高压，通过DA控制逐步增

大加在三极管集电极的电压，同时对集电极电流实时检测，当检测到电流发生突变时，记录下此时的DA输出电压值。根据加压倍数即可得到Uceo.这种方法控制容易，便于检测。且倍压电路输出电流小，即使出现误操作也不易对电路造成损坏。综合考虑，决定采用第二种方案。

3． 反向饱和电流测量电路

由于反向饱和电流极小，测量中容易产生较大的误差。测量时用继电器将1M 大电阻切入集电极电路，。方便检测，减小误差。根据实际测量经验，

4． 三极管共射极输入输出特性曲线测量 ⑴三极管输入特性曲线的测量方案：

固定电压|V C |=12V,通过DAC0832逐渐增大基极电压,每增大一次电压采集一次电流 i B ,记入内存.单片机将采集所得的各项数据处理后，在LCD 上输出曲线。 ⑵三极管输出特性曲线的测量方案

通过改变基极电阻,达到题目要求的基极电流。同样通过DA 输出改变电压V CE 每当改变一次集电极电压就采集一次电流i C ,记入内存,显示输出曲线 。

5. 测量结果显示方案

方案一：把测量所得的参数和特性曲线通过液晶屏显示，这种方案虽然简便易行，但显示精度不高。

方案二：把所有的测量结果送到上位计算机进行显示，显示精度比较高，但不够方便灵活，并且需两个全双工串行接口，实现比较困难。

权衡以上两种方案，我们做了很好的折中，在电路中不仅扩设计了LCD 显示，而且扩展了与PC 机连接的RS232串行通讯接口，这样使用起来既方便灵活，又提高了精度，而且扩展了数据存储、打印等功能。

二、主要电路工作原理分析与计算 1． 总体设计思路

本系统信息流程图如下:

采 样 电 路

AT89C52 单片机最小系统

显示电 路

三极管

数控电源

PC

图2

2. 采样电路设计与放大系数计算

（1）基极集电极电阻大小的选取。

题目要求在Ib=0、10μA 、20μA 、3CE V 0μA 的条件下绘出共射极输出特性曲线，由于发射极直接接地，在测放大倍数和输出曲线时，基极电压保持+5V （或-5V ）不变。取0.65BE V V =,可计算出三种情况下的基极电阻分别为：

1(50.65)43510V R K A μ-=

=Ω 2(50.65)21820V R K A μ-==Ω 3(50.65)14530V

R K A

μ-==Ω

实际应用时，由于用固定电阻很难匹配准确，故选用电位器，将阻值精确调到上

述值后再接入电路。电阻之间的切换用继电器实现。

对于集电极，电流一般在1mA —10mA ,由于送到ADC0809的电压要在0—5V ,电阻两端电压又要经仪表放大器5倍放大，故集电极接一个75Ω电阻，对其两端电压进行检测。同时为保证测量放大倍数时CE V 约为10V ，集电极再接入一500Ω电阻进行分压，确保CE V 在10V 左右。

⑵基极采样电路:

电路图如图3。图中每个继电器一端接+12V 电压，一端接一个BJT 的集电极，每个BJT 的基极由单片机的一个I/O 口控制。当单片机的I/O 口输出高电平时，BJT 的基极得电导通，继电器就闭合。P3.1—继电器8， P3.2—继电器7，P3.3—继电器3，P3.4—继电器5， P3.5—继电器4。

在||10B I A ≈μ,CE V ||10CE V V ≈条件下，继电器1的两个开关分别接在+12V 和

+5V （如果被测三极管是PNP 型接-5 V 和-12V ）。继电器3的开关闭合在接电源的一侧。为产生所需电流||10B I A ≈μ，继电器8的两个开关分别接在电阻1R 和3R 侧。继电器7的开关接在1’侧。由模拟数字转换芯片ADC0809读取三极管基极电压B V 。由于电路末端接5± V 电压。则电路两端的电压是RB B V = 5-V 易得基极电流B I 的表达式 ： B B

B

I R R ==

B

RB

5-V V

⑶集电极采样电路：

电路图如图3。同样的条件下，电路中继电器4的开关接在电阻5R 侧，继电器5的开关接在电源12±V 一侧。由专用仪表放大器INA126负责直接读取集电极电阻两端的电压RC V ，经过转换送给单片机。INA126是一种低电压，微功耗的

放大器，对采样电路的输入信号影响很小，可尽量减小测量结果的误差，

经试验测试完全能把误差控制在5

1100

N +以内，符合题目的要求。

在测三极管的的放大系数时，继电器的开关打在电阻5R 上。电阻5R 的电阻值是75欧姆 ，易得集电极的电流表达式：75

C I =RC V 。根据三极管直流电流放大

系数的定义式可以算出：

C CEO C

B B

I I I I I β-=

≈ 一般来说，β 和 β的大小是不一样的，β 不是一个固定不变的常数，它是两个变化量之比，其值的大小与工作点密切相关。但是在恒流特向较好的区域，如果忽略了CEO I ,两者的大小是基本相等的。由于在完成本题中前两个任务时，三极管一直工作在恒流特性较好的区域，可以认为β和β是相等的。只要把|B I |从10μA 改变到20μA ， |CE V |保持不变，三极管的静态工作点已经发生了改变，此时用与测直流放大倍数相同的办法就可以测出交流放大系数。也就 是说只要使基极电路中的继电器8的开关改变方向，使电阻2R 接在电路中，电流就会改变到20μA ，再用同样的方法测量即可。

⑷A/D 转换输出电路：

A/D 转换器是数据测量系统的核心部件，它把采集的模拟量变换成数字序 列，并读回计算机。在设计中，我们对A/D 的转换速度、精度和器件成本作了最好的折中，选用了8位A/D 转换器ADC0809.

54

23

12

1A

OP07

R110K

R210K

R310K

5

4

2

3

12

2A

OP07

R410K

AD

+15+15

-15

-15

3RELAY-SPDT

+12

P3.2

Q7

NPN1

基极电压

图 4

图 为与ADC0809相连接的放大电路。当测量NPN 型三极管时，单片机P3.2口控制继电器3的开关，使之与放大器1A 相连。当测量PNP 型三极管时，由于基极和集电极电路均施加了负电压，为满足ADC0809的转换要求，电压信号需经1：1反向放大，所以开关应该接在直接与放大器2A 相连的一侧。

3． 施压电路设计与计算

⑴倍压电路：

由于三基管的反向击穿电压一般不会小于70 V 而且测量穿电压时要求用单片机控制加在集电极上的电压以一定步长逐渐变化，而单片机只能输出最大

12 V 、的电压。我们设计了一个 由CMOS 与非门组成的倍压电路。

。

A 4069

A 4069A

4069

A 4069D2

D3

D1

C2

C3

C4

GND

+3V

V

C11000uF

10K

2.7K

A

B

A'

B'

图6

图中为三倍压电路，当接通电源时，电路中A 点电位为“0”，则B 点电位

为电源电压V 。这时电源电压V 通过1D 对2C 充电，使2C 两端电压为V 值，而2D 并不导通。当反向器输出电位翻转之后，A 点电位上升为V 值，于是A ,点电位相应上升为2V ?值，此时1D 反偏，而2D 导通.在下一个半周时，B 点电位上升为V 值，B ,点电位相应上升为3V ?。经过3D 对4C 充电，使输出电压为3V ?。

⑵DA 双极性电压输出电路：

由于三极管有NPN 和PNP 两种型号，测量两种三极管输入输出特性曲线时所

用电压极性相反。这就要求单片机输出的控制电压有正负两个极性。在此采用了一种典型的DAC0832双极性输出电路，电路图如下：

Vcc 20Io u t111lsb DI07Io u t2

12

DI16DI25Rfb

9

DI34DI416Vref 8DI515DI614msb DI713ILE

19WR2

18

CS 1WR1

2Xfer 17AGND 3DGND 10

DAC0832

VCC R320K

32

1

8

4

1A

LF35332

1

8

4

2A

LF353

R110K

R25K

R4

5K1

VREF(+5V)

+12

+12

-12

-12

VO1

VO2

图中放大器2的输入端3通过电阻1R 与参考电压REF V 相连，因此运算放大器2的输出电压：

223121(()())O O REF V R R V R R V =-+

代入1R 、2R 、3R 的值，可得： 21(42)O O REF V V V =-+ 我们所用的基准电压是+5V,所以当10O V V =时，210O V V =-； 当1 2.5O V V =-时，20O V V =； 当15O V V =-时，210O V V =。

于是我们通过单片机控制输出从0到-5V 的渐变电压就可以得到从-10V 到+10V 连续变化的电压。

4. 测量集电极—发射极反向击穿电压和反向饱和电流

⑴测反向饱和电流：

集电极—发射极反向饱和电流CEO I 定义为基极开路时，在集电结和发射极之间加反向电压，得到反向电流。

(1)CEO CBO C I I I =+≈β

测量时，继电器7控制开关接在2’端，继电器8控制开关分别接在2和4端。由于4端悬空，所以基极开路。在集电极施加电压。继电器4接通电阻4R 。用仪用放大器INA126将4R 两端的电压RC V 送给单片机。由于CEO I 的值很小，在0.1μA-10μA 之间变化，为了减小误差，选择4R 电阻为1M Ω.所以方向饱和电

流的计算式为： 4

RC

CEO V I R =

⑵测反向击穿电压：

在测反向击穿电压时，通过继电器将三极管基极电路断开，根据三极管不同型号改变集电极和发射极电阻，在发射极与集电极之间，施加DA 输出经过倍压电路产生的可调高压。

当单片机检测到电流突变时,记录下DA 输出值,即可得到击穿电压.

5． 输入输出特性曲线测量 ⑴ 输入特性曲线：

使| V CE |=10 V ，

NPN 型的三极管共发射极接法时，其输入量是基极电流

B i 和发射结压降BE u 。其输出量是集电极电流

C i 和管压降CE u 。输入特性曲线反映

的是以CE U 为参变量，基极电流 B i 和发射结压降BE u 之间的关系。其表达式为：

()|CE B BE U i f u ==常数

本系统在测量NPN 型三极管时，继电器3的开关接在DA 输入一侧。为了 满足发射结压降的变化要求，使基极电阻1R 连接在电路中，也就是继电器8的 开关分别接在电阻1R 和3R 侧。继电器7的开关接在与1R 连接的0通路中。先用 单片机通过DAC0832输出控制电压从0开始变化，每次改变0.05，直到+5 V 。发 射结压降BE u 跟随控制电压变化，变化范围约为0.6-0.8 V 。由于发射极接地，BE u =B u 。 每改变一次电压，单片机通过基极采样电路获得一组基极电流B i 和基极电压B u 的 变化的数值（B i 的计算方法同第二部分）。存入内存单元。处理并记录完所有的数 据后，将数据送给显示电路输出。可以得到一条基极电流B i 随发射结压降BE u 变化 的光滑曲线。测PNP 型三极管时，只要将电压从0V 逐渐改变，每次改变-0.05V , 直到-5V 为止。

⑵输出特性曲线：

输出特性曲线反映的是以基极电流B I 为参变量。集电极电流C i 和管压降

CE u 之间的关系，其表达式为：

()|B C CE I i f u ==常数

当 管压降CE u 超过1 V 后，集电极电流C i 的大小与基极电流B i 成正比，即

C B i i β =。如果等间隔的改变B i 的大小继续测试，可以得到一组间隔基本均匀，彼此平行的直线。

本系统在测量时，先用单片机控制继电器 是电阻 连接在电路中。此时基极 电流B I 是 然后通过DAC0832输出控制电压从0变化，每次改变0.1 V ，单片机通 过集电极采样电路获得电流C i 的变化的数值记录在内存单元中，直到控制电压达 到12伏。然后改变基极电阻 ，从而改变基极电流B I 。用同样的方法测量。基极 电阻共改变3次，所以可以得到三条输出特性曲线。处理并记录完所有的数据后， 将数据送给显示电路输出。显示结果是三条集电极电流C i 随管压降CE u 变化的平滑 曲线。

6.人机界面

1.输入部分 ：

本系统人机界面友好，可通过键盘输入使液晶对不同测量值进行分屏显示。键盘管理器件采用周立功公司的ZLG7289A 。该芯片具有SPI 串行接口，可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED ），还可连接多达64键的键盘矩阵，单块芯片即可完成LED 显示、键盘接口等全部功能。ZLG7289具有“读键盘数据”指令，操作相当方便。当ZLG7289A 检测到有效的按键时，KEY 脚将从高电平变为低电平，并一直保持到按键结束。在此期间，如果ZLG7289A 接收到“读键盘数据指令”，则输出当前按键的键盘代码； 根据此键盘代码，方便得实现了散转程序的设计。

2．显示部分 ：

I 液晶驱动 本系统采用OCMJ4X8C(128*64)图形汉字两用液晶作为主要显示工具。该液晶带有总多控制字，程序开始时，先对液晶初始化，之后，每次先通过控制字制定开始位置，然后写入点阵信息。开机时显示欢迎画面，对用户操作进行提示，人机界面友好，图形美观。

II 汉字显示 本系统内置国标GB2312码简体中文字库（16X16点阵），每个汉字的内码有两个字节，顺序连续写入即可显示汉字。根据液晶的资料，自行编写了字符串显示、浮点数显示等功能函数，在其它程序中调用非常方便。 III 曲线显示 液晶中的绘图显示RAM 提供64×32个位元组的记忆空间，可以控制256×64点的二维绘图缓冲空间，在更改绘图RAM 时，连续写入水平与垂直的坐标值，再写入两个8位元的资料到绘图RAM 。由于液晶屏的点的组织比较复杂，逐个写入比较麻烦。在显示曲线时，先在外部RAM 中开辟一片区域，根

据AD 采样和数据处理后得到的数据集和，将各个点置好，再一次写入液晶屏。

7.管脚插错,损坏指示报警功能的实现

此功能完全通过软件实现,当单片机检测到的Ube,Ic 不在规定范围,以及AD 读数频繁变化(由于ADC0809输入大于5V 所致)时,即判定三极管已损坏.通过实际检测中遇到的问题,还加入了其他一些判定管脚插错或损坏的条件

8. 其它功能扩展

系统制作完成后，已可以在液晶上显示输入、输出曲线。但由于液晶点阵大小的限制，不可能较精确的显示曲线。本系统在液晶显示的基础上扩展了串口通讯功能，能将单片机采集到的各项数据传送到上位机，在上位机的操作界面上更精确的显示三极管的输入、输出曲线，并可以对各项数据和曲线进行打印。

具体实现如下：采用MAX232实现电平转换，以完成单片机与PC 机的串行通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，PC 串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL 电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，采用了专用芯片MAX232进行转换，用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND 、第2脚的RXD 、第3脚的TXD 。，电路如下图所示，MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。

1

62738495RS232

R1 IN 13R2 IN 8

T1 IN 11T2 IN 10R1 OUT

12R2 OUT 9

T1 OUT 14T2 OUT 7C1+1C1 -3

C2+

4

C2 -5v +2

v -6GND 15VCC 16U?MAX232

C2

10u F

C1

10u F

C4

10u F

+5

C3

10u F

P3.1P3.0

TX RX

图8

上位机程序用VC 开发.其中串口通讯的Visual C++程序采用MSComm 控件编写.PC 机按照与单片机约定好的次序将接收到的数据存入对应存储单元.当上位机操作面板上的某个按钮被按下时,系统产生消息响应,对数据进行运算,同时激发OnPaint 函数,刷新绘图显示.程序中还加入了Splash 控件,上位机操作软件启动时出现漂亮的启动画面,使人机界面更加友好. 系统运行时上位机操作界面的平面截图如下：

9. 误差分析

造成误差的原因有：

I 运放零点漂移

由于普通运算放大器的零点漂移，温度漂移等带来的误差。II 电阻温度特性：

由于电阻在温度上升时阻值会变小，使计算结果偏大。 III AD 转换的读数误差

受AD 转换器精度，及基准源稳定程度的限制，不可避免地带来一定程度的误差。 IV 计算误差：

虽然我们尽量减小计算误差，如保留尽量多的小数位，在集电极电路中串联阻值很 大的电阻来计算反向饱和电流，但误差还是存在的。

三、 软件设计

1．系统主程序

程序全部采用C 语言编写，可实现数据采集、参数计算、数据、图形显示等功能。采用液晶分屏显示基本参数、输入曲线、输出曲线和击穿电压。在输入输出曲线模块中，程序将AD 采样得到的数据进行处理后，再一次性写入液晶的DDRAM 和GDRAM 进行显示。程序同时加入了软件复位功能，通过按键返回开机画面，程序进行重新检测。程序设计模块化，其它程序也可直接调用其中的功能函数，使用非常方便。

本系统软件主程序流程图如下

开始

液晶初始化，显示开机画面

有键按下

判断键盘指令 测 基本输入曲输出曲反向击F1 F2

F3

F4

三极管F5

F6

发送数

四、系统测试及数据分析

1． 测试使用的仪器

半导体管特性图示仪 XJ-4810 数字式万用表FLUKE175 示波器 PC 机

2． 测试数据

为测试本仪器测量三极管交直流放大系数的精确度，我们用的本仪器测量的数据和图示仪测量的数据相比较，测试结果如下：

测量在||10B I A ≈μ时，BJT 的直流放大系数β：

BJT1 BJT2 BJT3 BJT4 BJT5 BJT6 BJT7 BJT8 BJT9 BJT10

用图示仪 280 263 155 211 165 197 288 120 226 188 用本仪器 285

270

161

220

171

204

290

128

231

196

观察图示仪输出波形与我们得到的液晶显示波形相比较,图形基本吻合,能较准确的反映三极管的输入输出特性.

测量结果分析

考虑到用万用表测量时，BJT 的工作点和用本仪器测量时BJT 的工作点不 同，所以结果稍有偏差，但误差大小在题目要求的范围之内。说明本仪器有较 高的精度和较高的实用价值。

五、总结

本系统采用继电器开关控制的多路采样电路，对各项数据准确、实时检测。使用单片机作为中央控制器和计算器件，控制各个部分协调有序地工作。系统有功能强，性能可靠的特点。采用了多种方法减小测量误差，用LCD显示测量结果，测量精度高，显示直观。全部实现了题目的要求。加上扩展的串口通讯功能，使它具有更好的显示功能和打印存储功能。

在工作过程中，我们充分体会到了创造的乐趣和分工合作的重要性，在动手的过程中，不但增强了实践能力，而且在理论上有了更深的认识。

Abstract

The design is based on the microcontroller AT89C55WD system, has reliably actualized the meterage of dynatron base pole current and collector current by the combination of a few groups of relays, and has the part of sampling circuit composed of ADC0809 and amplifiers and the part of digitally controlled power supply composed by DAC0832 and relays. Our system can accurately measure β,Uceo and

Iceo. The data collected is processed by the microcontroller and then is displayed in the LCD. In addition, to make the display more visual and printable, we actualize the serial communication between the microcontroller and PC.

Subject terms:

microcontroller, meterage, relays,dynatron base pole current, collector current, sampling circuit, serial communication

参考书目：

1．王济浩编著，《模拟电子技术》，山东科技出版社，2002

2．何小艇.《电子系统设计》.浙江大学出版社, 2001

3．谢自美主编. 《电子电路设计、实验、测试》. 华中科技大学出版社, 2000

4．胡伟、季晓衡编著. 《单片极C程序设计及应用实例》. 人民邮电出版社, 2003

5．李现勇编著. 《Visual C++串口通信技术与工程实践》. 人民邮电出版社, 2002

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