基于STM32的晶体管特性曲线测试仪

刘士兴，刘宏银，赵 博，鲁迎春，易茂祥

（合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009）

晶体管特性曲线图示仪能够测量半导体晶体管的静态参数［1］，显示晶体管的输入、输出特性曲线，在高校电子信息类专业的教学中获得了广泛的应用［2］。目前大多数的晶体管图示仪是基于模拟电路和逻辑电路的纯硬件电路，没有数字化接口，无法连接到计算机上做数据的进一步处理和保存。文献［3—4］提出了基于单片机的晶体管特性曲线图示仪，但显示需借助于普通示波器［5］；文献［6］提出的方案，实现了特性曲线的LCD显示，但无法保存数据；文献［7］的数据虽然能通过串口传给计算机，但数据的处理还得借助Matlab之类的大型软件。

本文提出的基于STM32F103VET6（以下简记为STM32）［8－9］的晶体管特性曲线图示仪能很好解决上述问题，像专用晶体管特性曲线图示仪一样实现晶体管输入输出特性曲线的测量和显示，LCD触摸屏的使用不仅实现了晶体管特性曲线的显示功能，还取代了传统的按键操作，同时基于LabVIEW［10］编写了上位机软件，可由PC端接收数据进行处理、显示及保存。基于嵌入式系统的硬件电路设计使仪器结构更简单，数字化程度更高，能更好地满足相关专业的教学要求。

1 测试原理

以NPN型三极管为例，测试原理如图1所示。集电极电流经采样电阻RSC转换成电压，经仪表放大器放大后输入ADC进行采样，再计算得到集电极电流IC。而集电极与发射极的极间电压VCE因采样电阻上的压降为mV量级，分压作用可忽略，等效为集电极的扫描电压。

图1 晶体管输出特性曲线测试原理

输出特性曲线以VCE为横坐标，IC和基极电流IB分别为左右纵坐标。当IB恒定为一个阶梯电流值时，VCE一个扫描周期内若干阶梯扫描电压值所对应IC的变化规律，即一条曲线。当IB完成一个阶梯变化时，即完成了整组输出特性曲线的测试。IB与VCE的关系如图2所示。其函数关系为

图2 基极阶梯电流与集电极扫描电压的关系

2 硬件设计

仪器采用意法半导体（ST）公司推出的STM32处理器。该芯片基于超低功耗的ARM Cortex－M3处理器内核，片内Flash为512KB，片内SRAM为64KB，主频为72MHz。内嵌16通道的12位ADC转换器、16通道的12位DAC转换器以及SPI等丰富的外设资源，使得本系统的电路结构简单紧凑。

图3为晶体管测试仪体系结构框图。测试仪由基极电流阶梯波发生电路、集电极电压阶梯波发生电路、STM32嵌入式处理器构成的测量和LCD显示电路等组成。

图3 测试仪体系结构框图

2.1 基极阶梯波发生电路

本设计需要为基极提供阶梯状高精度恒定电流，故选择LM334作为恒流源芯片。LM334在工作电流内，恒流源可调范围比为10 000∶1，并且具有1～40 V的动态电压范围，恒流特性非常好，只需外接一只电阻即可实现恒流源的建立。采用数字电位器取代其外接电阻，即可实现STM32对电流源的控制。原理如图4所示。图4输出电流为

IBIAS同ISET存在简单的百分比关系，VR近似为214μV/K，工作温度取25℃，即298K。则上式进一步简化为

式（2）和式（3）中，RSET为数字电位器 MAX5402阻值，ISET即为基极电流为IB。输出电流0～160μA，对应电阻变化范围为10kΩ～39Ω，电流分辨率达到0.1μA。

图4 基极阶梯电流产生原理电路

由于NPN晶体管和PNP晶体管的基极电流方向相反，在NPN晶体管电路中－VIN端接到NPN晶体管的基极，＋VIN端接＋5V电压得到正向电流；而在PNP晶体管电路中＋VIN端接到PNP晶体管的基极，－VIN端接－5V电压得到反向电流。

2.2 集电极阶梯波发生电路

集电极阶梯波发生电路（见图5）由STM32嵌入式处理器内嵌12位DAC、运算放大器和三端可调稳压器等构成。嵌入式处理器控制12位DAC输出控制电压模拟量VDA，该电压与运算放大器的参考电压VR做运算后控制三端可调稳压器从0V开始输出阶梯电压，实现0～30V可调的可编程电压输出。

图5 集电极阶梯波产生电路

本仪器选用linear公司的三端稳压电源LT1086产生三极管集电极端的扫描电压；电压调整率为0.015%，负载调整率为0.1%。VCE为电压源的输出，VREF为三端可调稳压器的参考电压，其值为1.25V。输出电压VCE如公式（4）所示，调节VO即可实现对VCE的控制。

图5所示电路提供合适的VR，经减法电路与控制电压VDA做运算得到VO，使得当VDA＝0时，VO＝－1.25V，得到：

VDA由12位的DAC产生，电压范围0～3.3V，分辨率为0.8mV，选择合适的R1和R2的阻值，实现集电极扫描电压范围0～30V，相邻阶梯电压间距为7.27mV。

2.3 电流测量电路

如图6所示，RSC将待测电流IC转换成待测电压，为保证采样精度，采用了0.1%精度的0.1Ω的低阻值采样电阻；为实现小信号的幅度变换，使之满足ADC转换时对幅度的要求，需选用仪表放大器。仪表放大器是一种精密差分电压放大器，采用同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得共模抑制比得到提高。

本仪器选用了TI公司的INA211，其具有放大倍数为500倍，具有低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供电范围及小体积等一系列优点。有如下关系：

图6 测量电路原理图

3 测量软件设计

测量软件包括初始化、中断服务、LCD显示、网络通信扩展程序等。测量软件总流程见图7。开机后系统首先进行系统初始化，包括系统定时器、LCD、触摸屏、SD卡、FLASH和网口的初始化。初始化后，系统进入等待状态，一边监听网络端口，一边检测来自触摸屏的中断，分别对应上位机显示和LCD显示。

以NPN输出特性的LCD显示子程序为例，程序流程图见图8。NPN的输出特性曲线为IB恒定的情况下，VCE和IC的变化关系。VCE每改变一个值，都需采样多次做中位值平均滤波。VCE一个周期结束，IB的值改变一次，IB预置了5个值，画完5条曲线即完成测试。其他类型的特性曲线的流程只是稍有不同，这里不再介绍。

4 测试分析

图7 测量软件总流程

图8 NPN晶体管输出特性测试程序流程

图9是本系统测试的S9014三极管的输出特性曲线。点击屏幕右侧的IB的数值，即可显示对应IB值时的输出特性曲线及hFE的值。图9中所示hFE的值（359.35）为IB为100.6μA时的放大倍数。由于基极电流的输出是基于数字电位器MAX5402，受限于分辨率，无法达到精确的40μA和100μA的测试条件，故以接近的39.8μA与100.6μA作比较。表1给出了本仪器与YB4810的测试结果。

表1 测试结果

图9 LCD显示的S9014输出特性曲线

由表1的测试结果可以看到，本仪器的测试精度较高。测试数据也可由网口上传给上位机显示，同时将测试数据以电子文档的方式完整的保存下来。可用于打印数据和电子存档。

5 结论

本仪器以STM32F103VET6嵌入式处理器为核心，基于DAVICOM 公司的百兆网络［11］驱动芯片DM9000，实现了与上位机的高速传输。基于电阻触摸屏，实现了简化操作；提供了LCD截屏和上位机电子存档两种数据保存的方式。经测试本仪器达到了工作稳定、操作简单、测试准确的设计目标，相对误差在0.5%以内，非常适合应用于高校电子信息类专业的教学实验中。

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

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［5］吴文全，马曲立.示波器作为X－Y图示仪测量功能扩展［J］.电子测量技术2004（3）：16－17.

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［8］刘火良，杨森.STM32库开发实战指南［M］.北京：机械工业出版社，2013.

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［10］陈树学，刘萱.LabVIEW 宝典［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［11］Scaglia Sergio，潘琢金.嵌入式Internet TCP IP基础、实现及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.