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基于 片机小功率三极管测试仪原理图 图二 基于 片机小功率三极管测试仪 2013 1 1( 2( 12of a 84 in of of of N P of of as to of I. in or on As a of 0 is of in It in is to In to to be is a of It s of is of to of be of To a on of a in in a It is of an is of if it is in of to be by of in A of in 1-8. In it is to a 8is F of is as It 4as 5V or to of in S2 S4 5, S6 of is to of in of on of is A. s of in as It 2 5 I/O 10 to B. of 100 50on of of to be on a 9783/$2013 1 of C. 4It is It in of D. In 6x2 is to F by to is is be is on N in 3. In V to of to K of to is K to of is on to in be is is in to on is or is to of of is by to In at in of . In is if is if is of 2 is to of In of by to is or be to as N in by of is or is by of of V 00 to K in of . be F F to to K K 1 K in T3 in of K in T1 in of of of 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 on be in in so is a JT JT is it is JT it is to a JT is to JT of is to JT In a to is to be to of is in is is to a If it is be be be is a is at to by is of 2. 3 2 of of is 5. in is be be as to of 5. is is to is V. of is 3. 3 of 4 of A 5V is of 2is as In is to no of of in is if if of to to CD to of is by 4is to of of to of of of is no of at is to of of of be to 4 of F 5 6 CD 5 of of 6 of JT its of its 5 s 1 - A 3 K; 6 s 176; 5 V By of a is in be to as to on (in 1 I. M. D. A. S. . B. 318, 1172008. 2 R. L. . 10th 2009. 3 T. L. 7th 2008. 4 R. , 2007. 5 A. S. . C. 5th 6 7 74 8 以单片机为基础的低成本高性能半导体器件测试仪 摘要 本文旨在设计和实现的万能测试机系统能测试二极管 ， 双极型晶体管 ( 结面型场效应晶体管 (这种测试机的基本构建块包括了 8控制器， 模拟多路复用器 /解复用器 74液晶显示器 (本文讨论了该测试系统能准确识别半导体器件 (如 能识别 双极型晶体管的类型 (、 )，能识别结面型场效应晶体管类型 (N 通道 P 通道 该测试系统还能发现二极管，双极结晶体管 (结面型场效应晶体管 (引线 。该测试仪除了能测试上面提到的各种半导体器件外还能测量各种参数如二极管正向电压 (正向电流 ( 面结型场效应管（ 极空载时的饱和电流 (所有的测量和测试结果由显示屏 行清晰的显示。低功耗 ， 硬件简单 ， 用户界面设计友好和精巧的尺寸是该半导体器件测试仪的特征。 关键词 ： 二极管、双极型晶体管 (面结型场效应管 ( 控制器、电流增益 I 简介 半导体 器件用于现今所有的电气或电子产品市场。随着半导体需求的增加，半导体行业在过去的 8 到 10 年里经历了显著地成长。半导体产业是世界上最富有成效的和活力的行业之一。它推动了技术、新设备和集成电路的持续和快速发展。行业所面临的挑战是，不断提高产品和服务的质量及产品可靠性，以实现更大的功能、更高的性能及高速度和零缺陷。为了满足所有这些挑战电子产品和集成电路必须要有高度的可测试性。测试是一个在产品开发和生产过程中非常关键的部分。它可以提高产品的性能，提高产品的质量和可靠性，并降低价格。目前对于制造商来说电子产品测试成本的 上升是一个主要的挑战。有时测试成本甚至大于产品制造的成本本身。为了对测试成本产生一个重大的影响则可能需要改变测试策略，这样才有可能带来一个新的、成本更低的测试平台。据估计，当一个错误在生产过程中被替代时失败的代价会降低 10 倍，而如果是在设计过程将错误替代掉则代价会再降低 10 倍。因此为了减少生产成本和提高产量应当制造出半导体器件测试仪。 因此考虑到上述提到的事实的实际意义中所应有的工作价值后已经设计出了新的半导体器件通用测试方案。在最近几天里 将 提出一些半导体器件测试仪的设计方法。本文旨在提供一个基于 控制器 的简单的、成本低的半导体器件测试仪。软件编码部分使用的是 半导体器件测试框图是如图 1 所示。它由 5 个模块 控制器、显示屏拟多路转换器 74阻器件及在测试设备的相互作用下组成，单片机应用 5V 的电压或接地电位而使未知设备通过电阻器组并执行必要的进一步测试电压的测量和参数的计算。 示为 择的线路 , 示为 择的线路和 示 择的 线路。模拟多路复用器选择线路的目的是为了在电阻器组的帮助下能选择出正确的电阻值。所有的测量和测试设备的测试结果清晰地显示液晶显示屏上。每个模块的详细描述将在下面给出。 A 单片机 单片机采用的是 片，其内置的部分特征如下：它的程序存储器寻址范围为 32字存储寻址范围为 节， 5 个 I/O 端口，内置的 10 位模拟数字转换器（ 有 8 个输入通道，并行从动端口（ 模拟比较器（ B 电阻器 电阻器包括阻值为 110150据测试程序选择合适的电阻 并在测试设备上进行测试。 C 模拟开关 74是双 4 通道模拟多路复用器 /解复用器拥有常见的选择逻辑，它在制造半导体器件测试仪的中起着非常重要的作用从而使用户设计更加友好。 D 液晶显示器 在这个系统中使用的是 16符的液晶显示，用于显示晶体管和二极管的测试和测量结果。 量技术和电子测试仪的硬件 图 1 半导体器件测试框图 微控制器最开始的步骤是通过执行第一次测试来确定设备是否在测试之下是一个双引线装置的二极管。二极管可以连接的测试端子在 1 和 3 之间。该试验基于 中只有一个方 向的传导电流这一基本概念上。该试验中单片机采用 5V 电压使二极管的引线通过 1。而连接到测试终端 3 的二极管引线是通过同一个1片机经 1 再连接开关来测试电压并存储测量值。这一类的更多的测量可由不同的引线序列来完成。微控制器对这两个测量值进行逻辑运算以获得最终结果。现在有两种方式，在该二极管可以连接的 1 和 3 测试端子之间有阴极朝向端子 3 和阴极朝向端子 1。现在，二极管以另一种方式连接使相同的测试序列重复从而得到一个更最终的结果。因此，基于这两个结果 微控制器确定被测设备是否是二极管或是任何其它装置。这个测试也足以用来确定二极管阳极和阴极的引线。当二极管的引线被识别后通过进行必要的模拟电压测量和计算可得出二极管的正向电压。表 1 表示了定位二极管阳极和阴极引线的逻辑理论。在这个表中，测试端口 1和 3 三的应用和测量电平值表示为逻辑 1 和 0。 在两种条件下单片机执行的是晶体管设备测试 3 的程序。第一个条件是，如果二极管的测试失败，其次是，如果二极管的测试是正向的并且测试终端（ 2 的电压不为零。单片机检查第二个条件是为了避免在测试下的设备识别有错误。在测试晶体管时 微控制器首先进行电压测量，以确定相连的设备是否是双极结型晶体管或结场效应晶体管。同一逻辑的二极管测试也可以扩展到晶体管测试；而作为晶体管还包括只有一个电流传导方向的 ，因此考虑电流导通的唯一方向可以确定在测试下的晶体管是否是双极型晶体管或结场效应晶体管。该试验由三根导线中的一根连接到晶体管并经过100V 的电压，其他两引线经过 1后它们的电压以逻辑电平 0和 1的形式进行数字读取。这个过程可以对其他的两个序列进行重复。 表 1 二极管阳极和阴极逻辑的检测 每次单片机都存储测量得的电压值，并在其上进行一些 逻辑运算。现在晶体管在三个测试端子之间有六种连接方式，所以测试序列重复多次。分析表明， N 沟道的 唯一对应的十六进制数；而 P 沟道的 十六进制数是相同的，因此一旦被确认测试设备是 P 沟道 则进行进一步的测试，以从 P 沟道的 分出 一测试也足以确定 基极引线和 栅极引线。鉴定基极引线后，接着的任务仍是确定 集电极和发射极这两个引线。在一个适当的偏置下晶体管从基极到集电极的电流增益是远高于基极到发射极 的。此属性可用来鉴别实际晶体管的集电极引线。 这个电路被连接在共发射极结构中，施加基极电流并且假定集电极通过 1电阻引线连接到电源。 如果它是真正的集电极，电流增益将会很高，集电极电流将会很高，集电极电压将会很低。对其他引线重复这个过程和比较的集电极电压则可以确定实际的集电极引线。一旦集电极引线被确定则可通过多路复用器选择合适的集电极和基极电阻以施加适当的偏置。使用模数转换器对集电极和基极的模拟电压进行测量。集电极电流和基极电流是通过集电极的测量电压和基极电阻、电流增益计算出来的。测量二极管正向电压和正向电 流、 电流增益、 N 沟道 漏电流系统如图 2 所示。 表模拟复用器 /解复用器 74开关内阻。其阻值约为 65。大多数的 在本质上是对称性的，其源极和漏极端子可以互换，因此测试仪只可以确定 栅极引线而其他两只引线可假定为源极和漏极而不改变有关其的参数计算结果。一旦栅极引线确定了 是正偏并且栅极短接到源极所得的饱和电流被计算为 V = 0V。如图 3 为半导体器件测试仪的操作流程： 图 2 测量漏电流 如图 4 为半导体器件测试仪的电路图。电路的工作电压需求由 5V 的 电源提供。用12外部晶振作为时钟源。在所提出的模块设备进行测试时，通过适当的电阻值进行完美序列的排列和逻辑电平的组合。 如果没有拆卸测试装置则模拟开关是有可能被用于正确的路由信号的。三个模数转换器的输入通道是用来进行必要的模拟电压测量。液晶显示屏与 8 位模式的微控制器通信。电流流经设备端子时必须经过选定的串联电阻和模拟开关的内阻。通过测量串联电阻的电位差计算电流；因此，第二个模拟开关 74用来将串联电阻的其他电位连接到单片机模拟输入端上。 单片机模拟输入的输入阻抗总是很高的，因此没有电流流 过二次开关的内部电阻，在所需的点的所有的电压都耦合到单片机进行模拟输入。因此，模拟开关内部电阻的影响可以得到一定程度上的补偿，同时可以进行电流测量。 图 3 半导体器件测试仪的操作流程图 导体器件测试仪的测试结果 图 5 和图 6 表示了半导体测试仪测试的结果显示在液晶面板上。图 5 显示了二极管的测试结果。显示器的第一行显示二极管的正向电流和显示器的第二行显示二极管的引脚排列和正向电压。图 6 显示双极结型晶体管的测试结果。显示器的第一行显示 类型和它的电流增益 h。第二行显示它的引脚排列和集电极电流。 V 结论与未来工作 通 过考虑测试半导体器件特别是二极管、双极结型晶体管和结场效应晶体管的巨大实用价值，本文提出了一种简单、低成本的测试方案。该模块可以进一步开发测试金属氧化物半导体场效应晶体管（ 计算额外的参数如截止电压（ R 的阈值电压（ V）并进行软件和硬件上的一些修改硬件。 图 4 半导体器件测试仪的电路图 在 电路中进行 晶体管漏电流 的 测试 摘要 一种能够测量电路中晶体管漏电流的仪器正在被开发。这种仪器提供了在各种大的电路中用于在该领域进行精确的漏电流测量，其操作简单，重量轻 ，由电池供电，便于携带。它是通过测量晶体管的漏电流 测量在晶体管的集电极和发射极结反向偏置时的集电极电流来实现的。这种特殊的漏电流被选中是因为它几乎是晶体管的一个独立增益参数且非常接近基极漏电流 前该仪器测量漏电流可低至 1集电极负载电阻可下降到 500 。目前，该仪器可以用于准确的测量电路中晶体管的漏电流但还未进行售往市场。本文提出的结果表明，在电路中进行晶体管漏电流测量的方法给未来晶体管测试仪增加了新性能。 简介 在制造商的开发和生产线的测试中必须使用晶体管测试仪来检查各种晶体管 的参数，但在现场测试中制造商通过晶体管的指示条件进行生产测试所需执行的测试数量是有限。调查显示，漏电流、短路和开路的测量将是最有意义的测试，测试结果可以确定一个晶体管是否损坏，恶化，或实际损坏。因此，任何一个测试仪至少都应包含这三个测量值。该检测仪能够检测电路中的晶体管以及外围电路，因为晶体管多次焊接到印刷电路板上会因热损坏导致铅破损因而需将它们从电路中切除并进行测试。 漏电流的测量是确定晶体管抗受能力的最可靠的质量测试之一。在排除直接的短路和开路后，经过长时间运行的晶体管会出现大比例的故障，这时可由过 大的漏电流来反应的。准确测量晶体管漏电流，值，和短路开路可以使外围电路无故障。另外，值 、短路和开路口可在电路中进行相当准确的测量而不会遇到太多的问题。目前市场上制造的晶体管测试仪是可用来进行这些测量的。 然而，在电路中进行漏电流的测量并不是一件容易的任务，而目前用于进行这样测量的并没有可用的仪器。市场上缺乏的可在电路中进行测量晶体管漏电流的这一测试仪开始进行研制。如图 1 为晶体管的漏电流特性。 晶体管不同漏电流的定义如图 1 所示。这些电流中 有剩余的漏电流都 可以表现出是这两个电流的功能。这些基本的漏电流在电路中同时进行测量是不可能的，因为 而 于晶体管的发射极或集电极不能在电路中的同时在开路条件下运行，所以在电路测量中必须采取测量晶体管漏电流的其中一种。该系统选择用于测量的泄漏电流是 其是晶体管在集电极和发射极结反向偏置时的集电流。选择了这个特殊的漏电流的原因是它在晶体管的增益参数中几乎是独立的，是一个非常接近似的 别是晶体管会有很大的表面漏电流流过过集电结。由于漏 电流 体管的恶化可通过测量表面泄漏的增加来显示， 用于测量漏电流 在电路中测量会遇到的实际困难，以及用于进行这些测量的技术会在本文的其余部分中描述。一种实用的电路漏电流测试仪已经被设计和制造，并可对各种电路进行精确的漏电流测量。该仪器操作简单，重量轻，电池供电，并且便携式在现场使用。 晶体管模型 下面的数学分析为选定的测试方法提供了理论依据。当发射集和集电极结反向偏置时支配晶体管操作的基本方程是： 图 1 晶体管的漏电流特性 （ 1） 上述方程是假定表面漏电流可以忽略不计且内部电阻下降可不考虑。上述方程中所用的参数如下： 在集电极结和发射极开路时施加反向电压的集电极漏电流； 直流下基极正向电流比上发射极与集电极输出短路电流； 发射极和集电极互换； n 为额定的，是基极到集电极直流电流的放大系数； r 为的倒数，同 r 一样，但发射极和集电极互换。 从中公式（ 1）可看出，当发射极和集电极结反向偏置，集电极电流 是晶体管的电流增益的百分之几的 例如，如果一个晶体管正常是十那的倒数将是十分之一， 间的误差仅为 一个典型的晶体管将有一个正常的值 100，反向为 3。这种情况下的误差是 对称晶体管正常的值和反向值几乎是相等的这使得集电极电流表现为晶体管实际集电极漏电流 果在电路测量中遇到这种类型的晶体管，则这一事实应加以考虑。 值得注意的是，漏电流 （ 1）的推导忽略了表面泄漏的影响。这两个反向漏电流是类似于理想 二极管饱和电 流。有关的理想二极管的电流和电压的方程如下： 式（ 2）的情况出现在图 2 中。如果这条曲线与实际半导体二极管的曲线比较，则会发现反向电流略多于由方程预测的，而且它不是一个常数，而是电压击穿区域以外的线性函数。饱和电流中添加的反向电流可以解释为是该结欧姆特性表面泄漏的一部分。这个结表现为就像是在用一个高的电阻值来进行分流。晶体管的结存在类似的情况。可以观察到， 等式（ 2）中饱和电流 据经验观察表明，当大多数晶体管的恶化，其泄漏电流从其初始值增加到一个较高的值 ，其损坏的性质是具有表面泄漏增加的特性。反向偏置曲线的斜率从基本的零值变化为一些显着的值，而饱和电流曲线的拐点似乎是相对不受影响。该故障的性质大约是相当于与一个分流电阻连接。在这些条件下，反向偏置的集电极电流 式（ 1）所示。这是正确的，因为整个晶体管集电极反向电流测量是由测试仪在不考虑包含了怎样的路径，而仅考虑了如式（ 1）所描述的发生泄漏电流的饱和分量。这些结论的事实，是经过测量一大批大量的晶体管表面漏电流 与实际非常接近。 (2) 泄漏的测量 为了在电路进行集电极电流的测量同时使集电结反向偏置而组建了一个线路板。该线路板是以一个晶体管为中心而构造出传统的单电阻偏置结构，其用到的十级可变电阻是可以允许快速变化的偏置条件和电路阻抗。大量的晶体管在这块线路板上进行反向偏压条件下的测试以观察它们是否符合前述的预测方程。检查所获得的数据的显示，在电路中进行的漏电流测试值为 1 微安，即实际是可行的。 在进行电路漏电流测量中要克服的主要问题是电路阻抗对读数的影响。通常情况下，在测试时如果有直流电流路径以外的直流负载电阻连接到晶 体管的集电极，电路中的漏电流不能准确测量的。额外的漏电流路径通常是未知的直流电阻，其可以采取以下方式来发现（如图 3）： 1）发射结通过一个电池（ 行反向偏置。通常 1V 的电压是足够了的。 2）集电结由一个电池（ 联电流表进行反向偏置。电流表读取晶体管的漏电流加上通过 其他直流通路的集电极电流。 3）额外的电压源（ 过晶体管的基极的元件包括直流电流通路连接到晶体管集电极的另一侧。该电压源是先进行调整，直至其电压与集电极 使得集电极电阻为零电位差，因此，没有电 流通过它们。在这些条件下，由电流表显示的电流仅仅是晶体管的泄漏电流。等效电路如图 3 所示（ b）。 如图 3 所示的安排是用来测试一个直接耦合放大器的漏电流，包含了一个双稳态多谐振荡器，和一个除了 无直流漏电路径的单电池偏压阶段。这种技术可以用来测量一个大的有各种各样配置的电路泄漏电流。这种方法在调整分流阻抗的电位差时可调精度是有限的；集电极的分流电阻（包括 并联总电阻不能接近零。在测量漏电流时该组合的电阻越低，越接近于零电位差是为了避免必要的误差。例如，如果电位差仅为 1 么一个 1000 欧的并联分流 电阻只存在 1 微安的误差。将电位差调整到图 2 理想二极管漏电流和电压关系 1000 欧的测量误差将是 通常是没有问题的。在该技术中用于测量泄漏电流的电压的绝对值要小，以避免对其它电路元件可能的损坏。所构造的测试 电路大约用 的电压。 本节中描述的概要和技术被提出，以显示在电路中进行晶体管漏电流测量的可行性。下一节介绍了一种实用的电路漏电流测试仪，利用这种技术进行设计，建造和测试。 漏电流测试仪 电路漏电流测试仪基本上是采用了在上一节所描述的测量技术。该仪器的核心是一个单位增益的直流放大器。该放大器代替了图 3 中的 电池 的是消除掉晶体管集电极分流电阻路径需调整电位差的必要。 该放大器具有的增益加上一个精确到四位有效数字，一个约 的输出阻抗，一个通过 100 欧的负载后输出能力在 + 的信号。增益的稳定性和低输出阻抗是通过使用围绕晶体管化的直流差分放大器的负反馈所具有差分输入和单端输出来获得的。必要的差分输入是为了获得低的漂移直流和正增益。 该放大器的工作由电池供电，这部分是可调节的。这些电池有足够的容量来进行 150至 200 小时的供电。这个仪器包含一个 镉镍电池作为信号源和一个 0 到 25 的读出器。仪表的电路图如图 4 所示。在图 4 中显示的放大器，如框图所示，在图5 中给出了电路原理图。 图 3（ a）泄漏电流经过集电极的特性 图 3（ b）等效电路 测量技术的示意图由图 6 给出。晶体管在测试的基础上被用作参考。用微安表串联的电压源连接在晶体管基极和集电极之间。单位增益放大器的输入端也连接在晶体管的基极和集电极之间。在集电极出现的电压伏也出现在具有低输出阻抗的直流放大器的输出端。该放大器的输出电压（ V）是用来引导测试下晶体管集电极的所有阻抗路径。如果这些并联路径的电位差是零，那么电压源的唯一电流是晶体管集电极电流。放大器的输出也被用来作为晶体管在测 试下发射结的反向偏置。在这些条件下，在晶体管中流动的集电极电流将是 在图 6 中可以看到所有的必要的连接，如果晶体管是处在一个单电池偏置阶段，可通过简单的四部分连接到电路，一个连接到晶体管的基极，一个连接到集电极，一个连接到到 B+，和一个连接到到 通过离开单位增益放大器的输出连接到测试电路的B+和 样可以导致另一个晶体管工作。 该方案将适用于 n 个串联的单体电池偏压阶段。只要在晶体管的测试时有一个直流集电极电阻大于一些较低的限制电阻，该电阻可通过测量精度要求，放大 器的限制，和所需的分辨率来确定。则该测试程序交流或直流耦合阶段工作。作为目前测试仪，如果需要读取电流值在 1微安之间则低电阻的限制是 100欧或低电阻的限制是 1000欧时电流值在 安之间。如果在 n 级串联阶段从去耦电阻和滤波电容器将 B +或 从单位增益放大器测试仪输出的辅助引线必须连接到另外的 B +和 B 图 4 仪表电路图 图 5 电路原理图 图 6 显示了电路泄漏测试仪是如何连接到一个单级晶体管上。使用该测试仪所需的操作将进行如下描述 : 首先，没有内部电源的电路应通过 B +和 B 端子供给电源。其次，如图描 述进行适当的电路连接，根据被测设备的极性（图 7）将“ 关设置为 三、电流量程开关用来切换到漏电流的值，预期为（ 25， 250，或 2500， a）。第四、“ 关设置到“零”的位置，和调整“ 钮直到仪表读数为零。第五、“ 关设置为“读”的位置，并且读书是晶体管集电极漏电流。如果需要测量 1 阶泄漏电流，且至少有 20%的准确性，那么 须不低于 500 。大时准确性提高，但在 于 2500 时进行仪器调零电流在 1水平其有利于精确度在 5 百分数内。 除了以上的电阻方面的考虑外， 并联组合应不小于 100 ,因为这些电阻是直接连接到单位增益直流放大器输出测试的。如果这个电阻（ 于 100 ，直流放大器的增益就会减小，从而引入错误的读数。 值的注意的是，上述电阻的限制是由于单位增益直流放大器的限制的。开发一个单位增益直流放大器应该不会有很大的困难，但需提高仪器至少一个数量级的分辨率或允许的幅度较低的阻力水平才能与目前测定的分辨率水平的一致。这可能需要使用一个斩波稳定的直流放大器来代替一个直流差动 放大器。斩波稳定放大器在读取前也可以消除将设备调零的必要。 图 6 测量技术示原理 摘 要 在电子类产品中，晶体三极管是电路中最重要的组成部分之一。其能够放大信号，并且具有良好的功率控制、工作速度快、持久力强等特点，故常被用来构成放大电路，开关电路，并广泛的应用于电子、机械等领域。面对种类繁多，功能各异的晶体三极管，电路设计人员需要用专用仪器检测其特性参数，并根据检测结果筛选使用合适的三极管。 本课题提出了一款小功率三极管测试仪的设计制作，其实现了晶体三极管引脚的自动识别与直流放大倍数的测试，漏电流的测试。该测试系统以 片机作为控制的核心，由 换器 为压 控恒流源，能给基极提供稳定的电压；由三个多路开关 成的自动切换电路，能实现三极管 测量电路及 测量电路的自动切换；再取一个模拟开关 换器 同组成采样电路，以实现引脚电压的自动切换采样。最后利用单片机对采集所得的数据进行处理，并通过 示三极管的引脚与管型及直流放大倍数的值和漏电流的值。 本课题的研究内容主要有以下几个方面 ： 介绍了三极管测试技术的现状及未来发展趋势，学习现有技术的优点； 详细阐述了系统的测试原理，对主要电路的硬件设计进行了概述和分析； 介绍了系统软件设计思路并给出了测量参数的主流程图及各模块流程图； 完成了晶体三极管引脚的自动识别及管型的判别，进行放大倍数的测量及漏电流的测量，对测量参数进行必要的误差补偿以提高测量精度。 测试结果表明，所研制的小功率三极管测试仪达到了设计要求，其测试精度高，使用简单，方便，该仪器具有良好的稳定性及较高的性价比。 关键词 ： 拟开关 极管引脚自动识别；三极管放大倍数 n is of It is to in a of of to a to of a of of C of as of by A as a to to a is of of PN to of NP a D in to by of of C of of of of of is in of is of is of of of of of of of is to 目 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 题背景 . 1 功率三极管测试仪的现状 . 2 极管测试技术的发展方向 . 2 章小结 . 3 2 小功率三极管测试仪的总体设计 . 4 统实现功能 . 4 统各模块方案的选择 . 4 流源的方案 . 4 动切换电路方案 . 5 小系统方案 . 5 样电路方案 . 6 示模块方案 . 6 电电源方案 . 7 极管参数的理论分析 . 7 极管引脚及管型 . 7 极管放大倍数 . 8 极管漏电流 . 8 章小结 . 8 3 系统硬件电路的设计 . 9 统硬件电路总体设计图 . 9 片机最小系统电路 . 9 转换电路 . 11 量电路 . 12 动切换电路 . 13 （论文）报告用纸 第 1 页 共 50 页 1 绪论 题背景 早在 1904 年弗莱明 等人 发明 出了 真空二极管， 之后在 1906 年 时 德福雷斯特 等人又研究出 真空三 极管， 新兴起的 电子学 以其独特的学科力量迅速壮大起来 。 而且自从 晶体三极管 发明以后电子学真正开始 取得了 突飞猛进的进步。 特别 是 双极结型晶体管的 出现， 其优越的性能和强大的功能迅速打开了 电子 原 器件的 新大门 ， 推动了电子技术的迅猛发展 。 在近十余年里，蓬勃发展的晶体管工业逐渐取代了传统电子管的地位，并推动和促进了全球范围内的半导体电子工业的发展，成为电子集成领域不可或缺的重要元素。 在半导体器件中晶体三极管有着非常重要的地位，它广泛应用于生产生活的各个领域中，并产生了巨大的经济效益，使我们的生活变得快捷可科技化。由于晶体三 极管具有重量轻、体积小等特点，且其对信号具有放大作用、能进行功率控制，三极管工作速度快、具有持久力强等特点，故晶体三极管常被用来进行电路放大，电路开关，以及各种电气设备，广泛的应用于电子、机械等各种领域。其在应用中可巧妙地改变电子线路的构造，因而引发了大规模集成电路的产生，从而简便和快速地制造出高速电子计算机等高精度仪器。现如今晶体三极管的应用越来越广泛，在我们的日常生活中也是随处可见的，如我们平时使用的电子表、收音机、和电视机、智能手机、照相机等，以及研究室中的各种测量仪器、检测仪器，工业生产设备及国防军 用设备等，还有智能化的机器人、交通工具等，晶体三极管在这些设备和仪器中发挥着极其重要的作用。所以说，晶体三极管奠定了现代电子技术的基础并将持续普及在未来的各个领域中。 所以说 在电子技术 的发展过程 中， 晶体 三极管是一种 常用及便捷的 元器件， 因而 三极 管的参数 在电路的应用和设计中显得尤为重要，如三极管的引脚，一般国内的小功率三极管都是有规律的排列，但是也有个别厂家生产出来的三极管引脚排列不符合一般的规律，引脚的判别失误导致在电路设计过程中电压电流参数的混乱，因此设计出一款能自动能识别三极管的引脚排列的仪器是非常有必要 的。晶体管的最大功能之一是放大作用，而在晶体三极管的各种参数中放大倍数的值是检验三极管放大性能的重要指标，当放大倍数处于正常的范围时三极管将工作在最佳的放大状态，晶体三极管的放大倍数的值将影响电路设计中如何选择合适的三极管，因而准确地测出三极管的放大倍数给各领域中的电路设计带来很大的方便。此外三极管的漏电流是检测三极管性能好坏的重要因素，对于生产规范的小功率三极管来说，漏电流是非常小的甚至几乎没有，但我们常用到的小功率三极管中还是会存在微小的漏电流，因而能测量出三极管漏电流的值将可以在计算其他参数时将考虑到 其值对所算参数的影响并进行处理，这样将有效提高所算参数的精度并提高三极管的使用性能。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 43 页 除了上述提到的三极管引脚的自动识别、放大倍数的值、漏电流的值对各领域的电路设计及应用中有重要影响外，三极管还有 许多电参量 可以表征三极管性能及功能的好坏，如三极管反向击穿电压，反向击穿电流，输入输出特性曲线等 1。这些参数的值或或变化范围都将对电路的 测量方案 ， 测量结果有 非常重要的影响。 因此，在 电路 电子 的设计中，三极管 参数值的 测量非常重要。 目前市场上已经有各种测量晶体三极管参数的测试仪，但其体积大，价格贵，因而研制出一款轻巧、便捷且能针对性的测量三极管某一参数值的测试仪将是日后晶体管测试仪的重要发展方向。现代工业中 测量三极管 引 脚的方法 多种多样 ， 而我们所熟悉的教学实验中是使用 万 用 表 根据 三极管 三个引 脚 的电流电压 特点进行测量， 但晶体 三极管体积小 且其 各个引脚间的电压、电流 关系不容易判断 ，这使得在测量过程中较难操作 ， 所以现有技术在进行 三极管 引 脚 及 类型 的 自动判别 方面还是存在着一定的缺陷的 2。 因此， 该设计针对这一市场前景将设计出一款自动识别出出小功率三极管引脚排列及管型且精确测出三极管放大倍数及漏电流的测试仪。 功率三极管测试仪的现状 自 50 年代起，电子器件发生了重大的转变，电子器件工业由电子管时代向晶体管时代发展，这是一次巨大的突破。随着晶体管的出现，用来测试其参数的测试仪也逐渐发展起来，并在不断的成熟化和智能化。早期的晶体管参数测试仪一般也称为图示仪，晶体管图示仪的发展过程经历了全电子管式，全晶体管式，与集成电路混合式等几个阶段。在 1964 年时，我国出现了 第一台电子管式图示仪 ，这标志着晶体管参数的测量开始规范化。在 70 年代初，由上海无线电二十一长厂研制出的 晶体管式图示仪进一步推动了半导体器件迅猛发展。 80 年代， 出现了以 晶体管测试仪与集成电路混合式的晶体特型测试仪。目前国内生产着各种各样不同类型的三极管，我们一般在使用前都会阅读三极管的使用手册，充分掌握三极管的相应性能及相应的参数值和指标，查找结果虽准确但却不方便。市场上的晶体管图示仪需要带有示波管或者接在示波器上使用，价格贵，成本高，现如今市场上的晶体管在测量三极管时全面显示 三极管的性能且效率高速度快，但在测量过程中容易产生较大的误差，且其价格贵成本高不利于大范围的普及和使用。 此外，学校实验室一般常用万用表测量晶体管的基本参数，其性能虽满足基本要求但过程较为繁琐。如在使用万用表对三极管放大倍数进行测量过程中， 极管和极管的插孔是不一致的，这就得先知道三极管的管型才能测量其放大倍数。所以我们就需要一种可以直接自动辨别三极管管脚排列及类型且可以测量其基本参数的测量仪器。 极管测试 技术的发展方向 随着晶体三极管的广泛使用，其 测试仪 的技术也在不断的提高 ， 测试仪 的 功能 也因 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 43 页 测试参数不同 而多样化。比如 有的 测试仪 可以 精确地检测 放大系数、 测量 反向击穿电压、测量 反向饱和电流、 绘制出 输入输出特性曲线、 计算出 延迟时间 等 多种参数， 而 有的 测试仪 只是 简单的 测试晶体管的好坏 。 第一种 类型的 测试仪功能强大、操作简 便 、测试 速度快 、精度高，但 其 体积较大、价格贵，不适合个人使用； 而第二 种测试仪价格相对便宜、体积小，但功能单一、精度 较低 。 随着科技的不断进步和智能化的发展及嵌入式技术、液晶显示技术、接口扩展技术的引入，测试电路不断扩大和优化，使晶体管的参数测试仪向着集成化、智能化，高精度、多功能方向 不断发展。目前市场上的晶体管测试仪存在着显著特点，如集成信号源是全合成化的，这使得在扫描过程中有着很好的稳定性和可靠性；其对显示部分提供良好的误差补偿可有效提高测试精度；此外其测试速度快，操作智能化，运行简便。所以现今所研制的晶体三极 管测试仪 将 趋于小型化， 利 于携带；功能 越来越 全面，测试范围广 ， 精度高。但是 研制出 这样的产品 其成本也在增加 ，如何降低成本且 可以精确的 测试指定的 参数和 项目 将成为日 后晶体 三极 管测试仪发展的 方向 。 针对这一市场趋势本设计主要设计并制作一个测量精度达到 5%以上，轻巧便捷成本低，拥有良好的人 机界面，在功能方面能够自动辨别 与 引脚排列并快速测试出三极管放大倍数及漏电流晶体三极管参数测试仪。 章小结 本章是全文的开篇概述，主要介绍了本题目的提出背景和意义，介绍了三极管测试仪的现状及三极管测试技术未来的发展方向。详细的课题背景为本次设计带来了良好的设计基础，希望通过与现有技术的对比，能为本次课题的设计挖掘出创新、实用、便捷的设计思路并很好的完成课题任务的相关要求。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 43 页 2 小功率三极管测试仪的总体设计 统实现功能 这是一款简便、快捷、测试精度高的小功 率三极管测试仪，可自动测试三极管引脚及管型，并快速测量三极管放大倍数及三极管漏电流。以下将对三极管各测量参数进行原理分析及方案选定，对部分主要元器件选型作出分析。 系统实现的功能： （ 1）小功率三极管引脚的自动识别及类型的判定； （ 2）小功率三极管直流放大倍数的测量； （ 3）小功率三极管漏电流的测试； （ 4）利用液晶显示相关测量参数。 为了实现以上的系统功能并设计出一款良好的人机界面测试仪，该测试仪总体设计方案主要由恒流源模块、自动切换模块、采样模块、最小控制系统模块、显示模块几个部分组成。图 2该系 统的整体框架图。 统各模块方案的选择 流源的方案 恒流源的设计是系统的重点，恒定的基极电流 精度直接影响到测量参数的精确度。所以基极电流的恒定是整个测试结果精度的重要影响因素。 方案一：采用专用恒流源，专用恒流源性能稳定，在电路设计过程中无需进行复杂的设计。但一般购买来的专用恒流源所提供的恒流值是固定的，能根据设计需要进行调节但不方便系统进行扩展。 方案二：用单片机作为控制中心制作压控恒流源，其产生数字可调的稳定电压源。在单片机的操控下，通过向数模转换器 输入可改变的数字量来控 制输出的模拟电压值，从而可根据需要改变晶体三极管的基极电压，间接地改变输出电流的大小。 比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活，因为本系统中所测试的三极管有和 ，其测量电路所需的基极电压是有差别的所以采用方案二由 换器输入的数字量有效的改变所需的电压值，在 换器上本次设计选择的是 10 位串行输入的 早期的电流型 比， 有更优越的工作性能，其电源电路 自动切换模块 恒流源模块 单片机最小系统模块 采样模块 显示模块 图 2统框图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 43 页 只需 3 根串行总线就可实现 10 位的数据串行输入，在和单片机接口时易于实现和理解，且选择的串行输入可以减少使用单片 机的 I/O 口。 动切换电路方案 三极管三个引脚的电压在 的放大电路下和 的的放大电路下电压是有差异的，当单片机检测到不同放大电路下不同管型的引脚电压时并经过数据的分析，这一过程就需要通过开关来切换三极管引脚与对应 E、 B、 C 测量电路的连接，以实现引脚的自动识别三极管参数的测量。 在自动切换开关模块里我们平时 常 用 的可控开关是继电器，继电器 在工作时是将其触点进行 吸合或释放 这样就可实现 电路 的 接通或断开 ，其 驱动 电路 在 高电平或低电平 时为有效状态。继电器的驱动电路较为复杂且其触点较容易磨损，故在本设计中不考虑采用继电器作为自动切换开关部分。 拟开关 是另一种控制开关 ， 它一般工作在 小电流的模拟或数字 电路中，在正常 电压 范围内时可靠进行开关操作。 最常用且较为方便 的模拟开关 ，其导通电阻相对较小，一般只为几百欧姆，所以 较宽的供电电压，控制速度快，其工作原理易于掌握。但是， 拟开关也存在不足的地方，当电压增大 时其导通电阻会减小，其控制信号的电平会变大，所以在使用需全面考虑，为保证其能工作正常，在电源电压的选择上要结合设计的实际需求选择合适的电源电压。 综上所述由于模拟开关 有低功耗、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，本设计将直接采用模拟开关 为切换电路。 小系统方案 方案一：采用专用的单片机芯片，这种高性能芯片自带 换，使系统连线减少，不用另设计转换电路，但此类芯片的通用性差，市场价格高，不适合该系统低成本的设计理念。 方案二：采用 外置 控制采样及数据处理。该组合的优点是控制可靠，实现精度高，成本较低，易于实现。此外所选择的 片机芯片是一款增强型的高性能高档产品，它是一种低功耗、可靠性强的八位微控制器，片内含通用8 位 储单元， 8 反复擦写上千次。该芯片具有高密度 、不易失性存储技术，能为很多嵌入式控制系统提供高灵活、高性价比的解决方案因而其也是大多电路设计中首选的控制芯片。 针对以上方案的比较，最终选择以方案二即采用 为最小控制系统，用于实现数 据的控制、采样和处理。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 43 页 样电路方案 本系统所设计的采样电路是为了采集三极管引脚处的电压，所采集到的电压需送至单片机进行处理和分析，而单片机只能识别二进制的代码，所以需要采用 错误 !未找到引用源。 转换器将采集到的电压进行模数转换， 错误 !未找到引用源。 转换器的功能是将模拟量的电压转换为 D 位的数字量这样单片机才能读取数据。其转换关系如式 2示。 错误 !未找到引用源。 （ 2 其中： 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 转换器的主要性能指标可由转换精度及转换时间来恒定，转换精度一般用分辨率和量化误差来表示，而转换时间是指完成一次 错误 !未找到引用源。转换所需的时间，转换时间越短，输入信号的应变能力则越强。以下为转换精度中分辨率及量化误差的说明： 分辨率是指当输出的数字量有一个相邻数码的变化此时所需输入模拟电压变化量，当 错误 !未找到引用源。 转换器的位数越大时，分辨率越高。 量化误差是指零点和满度较准后在转换范围内 出现的最大误差 错误 !未找到引用源。 转换器按信号传输形式可分为并行 错误 !未找到引用源。 和串行 错误 !未找到引用源。 ，常用的 并行输出数据，常用的 串行输出数据， 8 位 错误 !未找到引用源。 转换芯片， 片是 10 位 错误 !未找到引用源。 转换芯片，所以 分辨率明显比 高；而且并行接口的 积大引脚多将占用单片机的口线。在转换时间上 转换时间为 错误 !未找到引用源。 ， 转换时间为 错误 !未找到引用源。 ，所以 转换时间快，根据以上分析的 换器的性能指标，该系统采用的是并行的 为模数转换芯片。 示模块方案 该系统中采用 110 作为测量参数值的显示屏，作为液晶显示屏的经典机型，110 具有明显的优越性能： 与其他液晶屏相比， 这更高的性价比高，一般的显示屏如 2 个字符，而 以显示 30 个字符， 15 个汉字。在市场价格方面，对来说也高于 口技术简单易于理解和掌握，其仅需四根 I/O 口线就可进行驱动，而其他显示屏如 11 根 I/O 口线才能驱动， 是需要 12 根 I/O 口才能驱动。 行速度快，是 40 倍，是 20 倍。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 43 页 作电压低，正常工作时显示电流也低仅为 200下，同时其具有掉电模式，适用于各种便捷式的移动设备非常符合该系统便捷轻巧的设计理念。 综上所述，机身薄、省电、低辐射的经典显示屏 为该系统的设计带来良好的人机界面。 电电源方案 采用三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤波稳压。电流源部分由于要给外围测试电路提供比较大的功率，因此必须采用大功率器件，实现起来较为复杂。而本设计中的测量对象为小功率三极管，前述所选择的各模块中无需很大的电压供电即可达到测量目的，所以不进行电源电路的方案设定。在该系统中将有计算机 口所提供的电源，此电源电压为 错误 !未找到引用源。 ，优点在于方便快捷，成本低，只需一个下载器即可。缺点是功率低，只适合简单的数控电路但这完全可以满足设计电路的需求，该错误 !未找到引用源。 电压将做为稳定的电源部分为单片机最小系统，模拟开关 、 A/D 转换模块及显示模块提供稳定的电压。 极管参数的理论分析 极管引脚及管型 晶体三极管是一种三端器件，内部由两个背靠背排列的 组成，所以三极管有和 两种不同的类型。两个背靠背的 即集电结和发射结， 这两个结将三极管分成基区、发射区和集电区三个部分。从这三个区分别引出三根电极称为基极b、发射极 e 和集电极 c3。这三个电极即为三极管的三个管脚。 和 三极极管引脚结构如图 2示，对于 三极管，发射极电位最低，且正常放大时集电极电位最高，基极电位置中。对于 三极管，发射极电位最高，且正常放大时集电极电位最低，基极电位置中。 图 2极管引脚结构图 （ a） 引脚结构 （ b） 引脚结构 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 43 页 国内外不同类型的三极管其管脚的排列也不同，往往我们在电路设计中必须准确 知道三极管的管脚及类型，传统的三极管引脚测试技术有万用表进行测试，其虽测量准确但测试流程繁琐，因此该设计旨在了解三极管管型及引脚排列原理后设计出一款能够自动识别三极管引脚及管型的测试仪。 极管放大倍数 三极管的放大倍数则是衡量三极管放大性能好坏的最主要参数，当基极电压 生很小的变化时，基极电流 会发生微小的变化，受基极电流 制的集电极电流时会发生很大的变化，基极电流 集电极电流 线性关系。这就是三极管的放大作用，当忽略集电极和发射极反向饱和电流 错误 !未找到引用源。 时， 变化量与 化量之比即为三极管的放大倍数 错误 !未找到引用源。 。该系统测量的是共发射极直流电流放大系数 错误 !未找到引用源。 ，三极管的共射极连接适用于低频情况下，而低频时直流放大倍数和交流放大倍数误差不大，该系统测量的对象是小功率三极管，因此设计中只完成对三极管