基于虚拟技术的晶体管特性测试

刘燕，陈兴文

（大连民族学院信息与通信工程学院，辽宁大连 116605）

基于虚拟技术的晶体管特性测试

刘燕，陈兴文

（大连民族学院信息与通信工程学院，辽宁大连 116605）

在传统的晶体管特性测试实验中，通常需要使用多种测量仪器来完成实验任务。为了降低实验成本，简化实验操作过程，设计了基于虚拟仪器技术和PCI－6221型通用数据采集卡完成晶体管特性测试实验方案，通过分别对IN4148和2SC9014晶体管进行实际测量，证明其能够满足测试实验要求。

虚拟技术;晶体管特性;LabVIEW

晶体管特性测试是电子技术实验中的基本实验之一，目前各院校实验教学中通常使用万用表、晶体管图示仪等多种仪器来完成该实验项目。这个实验项目往往是面向初学电子技术的学生开设，学生初次利用多种实验仪器完成实验势必影响实验效果。随着虚拟仪器技术的广泛应用，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合，把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。因此采用虚拟仪器技术开发晶体管特性测试仪器，可以实现对不同型号晶体管参数的测量并显示相应的特性曲线，完全可以达到实验测试要求。

1 晶体管特性测量原理

1.1 二极管正向伏安特性的测量原理

通常二极管正向伏安特性是指流经它的电流的大小与加在二极管两端电压之间的关系，为了能够实现二极管正向伏安特性曲线，需在二极管两端加上随时间而改变的电压，这样才能测量二极管在不同电压下通过的电流，其测量原理如图1所示。根据此原理，实验时可以利用LabVIEW产生一个时变的电压源，然后利用数据采集卡在二极管两端进行电压输出，然后再通过数据采集卡的全双工特性将二极管两极引出端作为数据采集卡的输入进行电压采集，这样便可得到在屏幕上显示的二极管伏安特性曲线。

图1 二极管正向伏安特性测量电路原理图

1.2 三极管伏安特性的测量原理

因为在低频条件下由三极管本身产生的耦合电阻、耦合电容几乎对它们在不同外界条件下表现出来的特性干扰很小，因此在低频条件下测量三极管特性曲线时只考虑集电极和发射极间的电压Uce、流经集电极的电流Ic、基极电流Ib。通过直接和间接测量得到这三者，再将他们有机地结合起来，在同一坐标中表示出来，这样就可以在屏幕上观察到三极管的伏安特性曲线。其测量原理如图2。

在专门的三极管伏安特性测量仪器中常用的测量方法是电压扫描法，即提供两个同步的信号源U1和U2，其中U1是一个阶梯波，U2是取了绝对值的正弦波。在这两个信号的作用下，就可扫描出三极管的特性。基于虚拟技术进行实际测量时，利用LabVIEW编程得到直流阶梯波和同周期的正弦波分别加到三极管的基极和集电极，再利用LabVIEW的全双工特性测得基极电压和集电极电压并输入到系统中，在LabVIEW程序中完成各个参数的转化，最终得到三极管的伏安特性曲线。

图2 三极管伏安特性测量电路原理图

2 硬件平台构建及测量流程

本系统采用NI公司生产的PCI－6221型DAQ数据采集卡，采集卡内部含8路16位A/D转换器和2路16位D/A转换器，可实现8通道同时采集输入信号和2通道同时输出模拟信号，D/ A转换精度为1/（216－1）≈0.000015259;A/D转换精度1/216≈0.00001001。系统硬件平台结构如图3，测量操作流程如图4。

图3 系统硬件总体结构平台

图4 测量操作流程

3 基于LabVIEW实现二极管的伏安特性测量VI软件设计

根据图1的测量原理，构建出在LabVIEW上可实现实际二极管的测量程序。在输入端口施加可变直流电压，设电阻两端的电压为，U1二极管两端的电压为U2，则流经二极管的电流为U1/R。

扫描电压是用一个由两帧组成的顺序结构程序实现的。在0帧先产生周期性的信号类型、频率及幅值可控的电压扫描信号。在1帧中从AI的0、1两个通道各采集一个电压波形，0通道是U1，将其除以10 kΩ后得到电流，单位是mA;通道1是U2，将两波形经Bundle控件后送给XY Graph，这样就可以得到所需的特性曲线，整个程序框图如图5。对型号为1N4148型二极管的特性曲线如图6，其中横坐标表示二极管两端电压（单位V），纵坐标表示流经二极管的电流（单位mA）。

图5 二极管的伏安特性测量程序框图

图6 1N4148型二极管的伏安特性曲线

4 基于LabVIEW实现三极管伏安特性测量VI软件设计

根据图2测量原理，需要提供两个同步的信号源U1和U2，其中U1是一个阶梯波，U2是取了绝对值的正弦波。该程序仍采用两帧的顺序结构，首先发生所需的电压数据波形，然后采集需要处理的有关数据。图7左上角规定了两个基波的参数:阶梯波每周期含9个阶梯，每个阶梯含300个数据点。这样，与一个阶梯波周期相对应需要产生9个正弦半波，每个正弦半波也是300个数据点，共2700个样本。这里使用最基本的正弦函数编辑程序将更加简单。图7左下角循环用来产生一个周期的阶梯波的数据样本，样本中使用了Initialize Array和Build Array两个函数，每次循环产生元素的个数为300，元素值为阶梯波增量与循环变量i的数组之积，Build到上一次得到的数组中。循环后就得到所需的样本。图8的右下角是先将上面得到的两个样本先转换为waveform格式;然后build为一个waveform array，送给模出函数;最后在输出驱动程序中定义DAQ数据采集卡的AO0，AO1分别得到阶梯波和取了绝对值的正弦波。图8是数据采集和处理程序，共安排了3个输入通道，其中AI0为Ub，AI1为Ue，AI2为U2－Ue。将AI2的数据除以0.22kΩ得到单位为mA的电流IC，将IC与AI1通道的Ue捆绑起来送给XY Graph，将得到所需的输出特性曲线，如图9。

图7 加在三极管各端的输入信号程序框图

图8 数据采集和处理程序框图

图9 实际测得的三极管特性曲线

4 结语

本文采用虚拟仪器技术设计二极管和三极管伏安特性测量，经实测证明整个系统性价比高、通用性强、数据存储方便、性能稳定可靠，完全可以满足电子技术实验的教学要求需求，而且与传统实验方案相比，节约了实验成本，简化了实验操作，同时让学生能够较早了解虚拟技术在电子工程领域中的应用。如果利用Labview提供的网络通信功能就可以完成实验结果的在线提交功能，从而实现教师对学生实验过程、实验数据处理的网上交互，极大地改善了实验教学效果。

［1］陈兴文.LabVIEW在数字信号处理实践教学中的应用［J］.高师理科学刊，2007（6）:90－92.

［2］秦曾煌.电工学［M］.7版.北京:高等教育出版社，2009.

［3］盖立平，王桂莲，张蓓蓓.三极管特性曲线测试系统［J］.实验室科学，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

刘燕（1970－），女，辽宁大连人，高级工程师，主要从事计算机应用及电子设计自动化。

（责任编辑 刘敏）