（微电子学与固体电子学专业论文）基于labview和usb接口的虚拟晶体管特性图示仪.pdf

第章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 目前学校教学使用的晶体管特性图示仪仍然是老式的体积庞大的模拟阴极射 线管显示仪器，开发一种易用、便携、廉价的新型图示仪是具有现实意义的。而 从电子测量仪器发展史看，经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器。虚拟仪器 通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的 计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结台在一起，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 仪器技术很符合我们对仪器易用廉价的要求。 1 1 1 半导体管特性图示仪简介 1 1 1 1 半导体管特性图示仪的特点和用途 5 0 年代起，电子器件出现了重大的突破，半导体器件逐渐代替了电子管器件， 使电子工业由电子管时代迈向了半导体时代，这是一次阶段性的飞跃。随着半导 体器件的出现，测量其各类参数的测试仪器半导体管特性图示仪( 以下简称图 示仪) 也相应而生，并随着半导体器件的发展而发展。 半导体管特性图示仪是一种能在示波管屏幕上观察和测试半导体管特性曲线 和直流参数的测量仪器。它的主要特点是：使用的广泛性，晶体管、场效应管、 光电管、可控硅、三极管、二极管等，几乎所有的二端、三端的半导体器件均可 进行观察和测试；显示的直观性，图示仪不是用表头、指针读测数据，而是将半 导体管的特性直接显示在示波管的屏幕上，一目了然，可直接读数进行分析、比 较、挑选和配对，使用极为方便。 鉴于图示仪的以上特点，图示仪广泛地用于工农业生产、科研、军事、教育 等各个领域。凡是设计、制造、使用、维修、计量、检测半导体器件的部门和单 位都需要使用半导体管特性图示仪。 1 1 1 2 我国图示仪发展简史及趋势 图示仪与其它电子测量仪器一样，也经历了全电子管式全晶体管式 图示仪与其它电子测量仪器一样，也经历了全电子管式全晶体管式 1 电子科技大学硕士学位论文 7 ) 数据传输可靠：u s b 传输有完善的错误检测和恢复机制。 8 ) 支持四种类型传输方式：u s b 有四种传输模式即控制传输、中断传输、同 步传输、块传输，因而可以满足不同设备的数据传输要求。 正是由于u s b 设备在通用设备方面的优异表现，提高了数采测控业界对它的 关注度。u s b 技术正在数采测控方面迅猛发展。目前，u s b 总线在数采测控方面当 前的发展趋势就是将u s b 总线技术与虚拟仪器技术相结合的u s b 总线虚拟仪器技 术。u s b 总线在设备小型化、便携化的转变上起着不可估量的作用。本课题正是基 于这种思路而展开的【”。 1 1 4l a b v i e w 简介 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统，其研究中涉及的 基础理论主要是数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的 计算机语言和开发环境是美国n i 公司的l a b v m w 。l a b v i e w ( 1 a b o r a t o n ，v i r t u a l i n s 打u m e n te n g 血血g 、v o r k b e n c h ) 是一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛 地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认为是标准的数据采集和仪器控 制软件。l a b v i e w 不仅提供了与遵从g p i b ，v ，r s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 协议的硬件 及数据采集卡通信的全部功能，还内置了支持t c p i p 。a c t i v e x 等软件标准的库函 数，而且其图形化的编程界面使编程过程变得生动有趣。以l a b v i e w 为代表的图 形化程序语言，又称为“g ”语言。使用这种语言编程时，基本上不需要编写程序 代码，而是“绘制”程序流程图。l a b v i e w 尽可能利用工程技术人员所熟悉的术 语、图标和概念，因而它是一种面向最终用户的开发工具，可以增强工程人员构 建自己的科学和工程系统的能力，可为实现仪器编程和数据采集系统提供便捷途 径。利用l a b e w 可产生独立运行的可执行文件。 1 2 系统总体介绍 采用虚拟仪器技术构建灵活方便的测试仪器取代传统的模拟式晶体管特性图 示仪。即利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有传 统仪器的基本功能，又有其所没有的特殊功能的高档低价的新型晶体管特性图示 仪。设计包括计算机上的软件设计，外部的仪器硬件设计和两者之问的接口。虚 拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同而具有不同特点，通用串行 总线( u s b ) 以其方便、快速、支持即插即用、价廉等优点，符合大中专院校对 6 第二章x j 4 8 1 0 型半导体管特性图示仪 的偏转值。 基极电流或基极源电压，由阶梯电流取样电阻上的分压值，经放大器而取得 的基极电流偏转值。 3y轴移位以及y轴(电流，度)0，1倍率开关(带开关的电位器) 它是通过差分平衡直流放大器的前级放大管中射极电阻的改变，以达到被测 信号或集电极扫描线在y轴方向移动。2 1 2 x 轴作用部分 4x轴(电压度)偏转系数开关 集电极电压vce，从o05，度50v度共10档，其作用是通过选择不同的分压 电阻，对其进行衰减达到其电压的偏转值。 基极电压vre，从o05度1v度共5档，其作用是将基极电压经过不同的分 压电阻对其进行衰减，达到其电压偏转值。 基极电流或基极源电压，由阶梯电流取样电阻上的电压值，经放大器而取得 的基极电流偏转值。 5x轴增益(同y轴) 6显示开关 转换：通过开关使放大器分差输入端二线相互对换达到图像(在i、ii 象限内)相互转换，便于npn管转测pnp管。 接地：放大器输入端接地，表示输入为零电位的基准点。 校准：校准电压接入x、y轴放大器，以达到lo度校正目的。 7 x 轴移位( 同y 轴) 2 1 3 阶梯信号部分 当阶梯选择开关置于电压级的位置时，选择不同的串联电阻串接于被测管的 输入电路中。一般为o、10kq、1mn三档。 9阶梯信号选择开关是一个具有22档二种作用的开关。 第二章x j 4 8 1 0 型半导体管特性图示仪 极管漏电流取样电阻，将电流转化为电压后，经y 轴作用的放大而取得读测电流 的偏转值。 基极电流或基极源电压，由阶梯电流取样电阻上的分压值，经放大器而取得 的基极电流偏转值。 3 y 轴移位以及y 轴( 电流，度) 0 ，1 倍率开关( 带开关的电位器) 它是通过差分平衡直流放大器的前级放大管中射极电阻的改变，以达到被测 信号或集电极扫描线在y 轴方向移动。 2 1 2x 轴作用部分 4 x 轴( 电压度) 偏转系数开关 它是一种具有1 7 档四种偏转作用的开关。 集电极电压v c e ，从o 0 5 ，度5 0 v 度共1 0 档，其作用是通过选择不同的分压 电阻，对其进行衰减达到其电压的偏转值。 基极电压v r e ，从o 0 5 度1 v 度共5 档，其作用是将基极电压经过不同的分 压电阻对其进行衰减，达到其电压偏转值。 基极电流或基极源电压，由阶梯电流取样电阻上的电压值，经放大器而取得 的基极电流偏转值。 5 x 轴增益( 同y 轴) 6 显示开关 转换：通过开关使放大器分差输入端二线相互对换达到图像( 在i 、i i 象限内) 相互转换，便于n p n 管转测p n p 管。 接地：放大器输入端接地，表示输入为零电位的基准点。 校准：校准电压接入x 、y 轴放大器，以达到l o 度校正目的。 7 x 轴移位( 同y 轴) 2 1 3 阶梯信号部分 8 串联电阻选择开关 当阶梯选择开关置于电压级的位置时，选择不同的串联电阻串接于被测管的 输入电路中。一般为o 、1 0 k q 、1 m n 三档。 9 阶梯信号选择开关 是一个具有2 2 档二种作用的开关。 第二章x j 4 8 1 0 型半导体管特性图示仪 匦鞋椒冀辩将瀚鸯曾警嚼匝n由匦 电子科技大学硕士学位论文 高压电源及显示电路：提供仪器中示波管所需稳定的正、负直流高压，以及 辉度、聚焦和辅助聚焦等直流控制电压。 触发脉冲形成电路：输出阶梯波信号发生器电路所需的、与集电极扫描电压 有着较为严格的时间对应关系的触发脉冲。其频率为2 0 0 h z 。 阶梯波信号发生器电路：产生每秒级数与输入的触发脉冲相对应的每次跃变 值相等的阶梯波信号。 阶梯形成选择电路：用来选择馈至阶梯放大器的阶梯波信号是正常的阶梯波 信号，还是具有一定占空比的脉冲阶梯波信号。 阶梯放大器：使输入的阶梯波信号成为阶梯极性可根据需要进行转换、阶梯 波起始电平可调、而且不受负载变化影响的恒定阶梯电流或恒定阶梯电压。 集电极电源：是一个电压值可以连续调整和变换极性的工频全波整流电路， 可作为扫描电压源。由于集电极电源输出端对地存在着分布电容，在测试时将会 产生所谓电容性电流，因而会引起测试误差，所以集电极电源一般还包括容性电 流平衡电路。 x 轴、y 轴和阶梯选择开关：为了显示被测半导体器件的各种特性曲线，必 须对基极阶梯波、x 轴和y 轴放大器等的接法和极性作相应的改变，这些均需通 过转换各对应单元的作用开关来实现。 x 轴、y 轴放大器：由于从被测半导体器件上检测出来的电信号较弱，需通 过x 轴、y 轴电压放大器对信号进行放大，再加至示波管的x 轴、y 轴偏转板上。 测试选择开关：用来满足测试时的不同要求而设置的测试装置。具有各种不 同的试管座和引出装置；被测器件测试状态的选择装置；显示被测器件a 或b 特 性曲线的测试选择装置【4 】。 2 2 1 阶梯波信号发生器及阶梯放大器 阶梯波信号发生器及阶梯放大器是图示仪中极为重要的组成部分，它产生的 信号加至被测器件的控制极( 基极、栅极等) 。阶梯波信号发生器的功用，就是 每当集电极电源扫描一次或改变一次扫描方向的时刻把一个分压的电流或电压 电平，经阶梯放大器送到被测的半导体器件的相应端子，这些分压的电平是以递 增阶跃的形式产生的，两级之间的电流或电压差几乎相等。形成阶梯信号的方法 很多，一般可归结为两类：波形合成法和利用积分电路。阶梯波的波形合成法如 图2 3 所示，即利用三个方波，它们的重复周期分别为：t l ：t 2 ：t f l ：2 ：4 的 2 电子科技大学硕士学位论文 件输入电阻的影响，也不受内部反馈的影响，即要求有一个阶梯电流的恒流源。 阶梯放大器就是因阶梯波信号发生器无法满足这些要求而设置的。阶梯放大器实 际上是一个电压电流变换电路。要求放大器的输出电流i 。正比于输入电压v i ，而 与负载无关。当输入阶梯波电压v i 时，输出即为阶梯波电流1 0 电流的幅值( 每级电 流增量) 均应与负载无关。 圈z 一4 电压电流耍珙电蹯 图2 4 是电压电流交换电路型式的阶梯放大器的简图。主放大器a l 为差分输 入单端输出的运算放大器。接在反馈电路中的放大器a 2 为电压跟随器形式，即 v 3 = 、，4 。由于放大器a 2 的输入阻抗很高，实际上起着缓冲级的作用。 根据理论分析，其输出电压v 。为： 峥鲁k + ( h 孙 协， 而 k 2 志k2 击k2 糌 协z ， 以( 2 2 ) 式代入( 2 1 ) 式，得： p 鲁k + ( ，+ 割糌 泣。， 第二章x j 4 8 1 0 型半导体管特性图示仪 从输出电路可得出( 将放大器a 2 的输入阻抗近似看作无穷大) ： k = ( 皿+ 也) l ( 2 - 4 ) 令( 2 3 ) 式等于( 2 4 ) 式，解得： l2 不蔷器嵩硼 沼s ， 。2 i i i l 7 j i ：i j i ：j i ：j i 7 j i ：j ：i i ：i j j i i i i 。碉 。3 我们选择蜀= 恐，马= r 。，这时( 2 - 5 ) 式就可改写成： ：一盟 ( 2 6 ) “ 墨b 由此可得出，1 0 正比于输人电压v i ，反比于电阻r 3 而与负载r l 无关。式中负 号则表示输入电压v i 为正极性阶梯波时，输出电流为负阶梯波。当r l 和r 2 为定 位时，我们可借助改变r 3 的数值来满足不同被测器件对阶梯电流的不同幅度要求。 2 2 2 集电极电源电路 图2 5 是图示仪测量方法简化示意图。由图可看出，图示仪需要两个源信号： 一个是阶梯波，另一个是集电极电源。为了能在屏幕上显示出被测器件的稳定的、 不失真的特性曲线，要求集电极扫描电压和阶梯波电流之间必须保持严格的同步 关系。图2 6 示出了集电极电源与阶梯电流之间相位为0 。时的情况。 图2 5 图示仪测量方法简化示意图 电子科技大学硕士学位论文 v c e o i b 0 ( a ) 卜_ t 。叫( b ) 工c 图2 6 集电极电源与阶梯波电流之间的时间关系 由图2 6 可见，v 。和i b 之间的时间关系具有以下二个特点： 阶梯波电流的重复周期t 。为扫描电压v 。重复周期t 的整数倍，即p n t ， 一般n - o 1 0 。图2 6 中以n = 4 为例。 阶梯波的阶跃时间发生在v 。= 0 的时刻，阶梯每阶跃一级，i b 增加i b ，图 中以i b = 2 0 a 为例。 下面简述在图示仪示波管荧光屏上被测半导体器件的特性曲线的显示过程。 在第一个扫描周期内( i b = o ) ，v 。从o v 。( 正程) ，即描绘出一条i b = o 的输出 特性曲线。当v 。从v 。一0 ( 回程) 时，电子射线沿正程轨迹以相反的方向回到原点。 当第二个扫描周期开始时，基极电流跳到i b 2 0 a ，i 。亦相应上升，则又可描绘一 条i 萨2 0 u a 的输出特性曲线。以此类推，在示波管荧光屏上描绘出四条输出特性 曲线。当第五个扫描周期丌始，正好一个阶梯波周期结束，i b 从6 0 u a 跃变为o ， 从而又开始第二次重复上述过程。如此重复，就可在图示仪示波管荧光屏上观察 到稳定显示的被测半导体器件的特性曲线。从特性曲线的显示过程可更直观地知 道，当脉冲阶梯的占空比为5 0 时，即可在荧光屏上显示被测半导体器件的全貌。 集电极电源的种类很多，其输出波形有正弦波( 全波、半波) 、三角波、脉冲集电极 电源等。取得集电极电源最简便的方法就是采用5 0 h z 市电的全波整流( 包括半波、 正弦波) 。这种方法能非常方便地提供所要求的大电流，利用白耦变压器能够极为 简单地实现输出电压的调整。x j 4 8 1 0 型图示仪就采用这种方法。另外，全波整流 后的集电极电源电压的频率为1 0 0 h z ，该频率对屏幕显示虽略感闪烁，但不明显， 能满足实用要求。 6 第三章虚拟图示仪的结构化设计 第三章虚拟图示仪的结构化设计 3 1 虚拟仪器的基本概念 所谓虚拟议器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和 定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟 仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种 形式表达输出检测结果：利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析 和处现；利用i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能 的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专 用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。 ( 1 ) 虚拟仪器的面板是虚拟的 虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的 功能是相同的：由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”； 被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置；及测量结果的“数值显 示”、“波形显示”等。用户通过操作计算机鼠标或键盘来完成测量过程。 ( 2 ) 虚拟仪器测量功能是通过软件的编程来实现的 虚拟仪器是在以p c 为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器 的功能的。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所 以，在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与 计算机深层次的结合。 虚拟仪器的构成方式如图3 1 所示，其包括四个模块，下面将分节介绍四个模 块的结构设计，以实现半导体特性图示仪的测量功能【5 j 。 图3 一l 虚拟仪器的构成方式 3 2 数据采集电路的制作 7 电子科技大学硕士学位论文 3 2 1 数据采集知识 数据采集电路是虚拟仪器实现对真实物理信号测量的基础。当被测信号经数 据采集电路转换成数字量并将其传送到计算机，计算机端的软件才能进行数据的 分析处理，进而实现特定的测量功能，并求取测量结果。如不能获得真实信号的 数据，则后面的处理与分析都是纸上谈兵。因此，数据采集电路是虚拟仪器系统 的重要环节。 一个典型的数据采集电路的功能有模拟输入、模拟输出、数字i o 、计数器 计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。 模拟输入是采集电路最基本的功能。它一般由多路开关( m u x ) 、放大器、采 样保持电路( s h ) 以及模数转换器( a d c ) 来实现。一个模拟信号通过上述各部 分后就可以转化为数字信号。a d c 的性能和参数直接影响着采集数据的质量，应 根据实际测量所需要的精度来选择合适的a d c 。 模拟输出通常是为采集系统提供激励信号。输出信号受数模转换器( d a c ) 的建立时间、分辨率等因素影响。建立时间反映了输出信号幅值改变的快慢。例 如建立时间短的d a c 可以提供频率较高的信号。应该根据实际需要考虑d a c 的 参数指标，例如，如果用d a c 的输出信号去驱动一个加热器，就不需要使用速度 很快的d a c ，因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化。 3 2 2a d c 的分类及其特点 目前市场上的a d c 按照转换原理的不同，大体可以分为以下几类： 1 逐次比较式a 仍转换器 逐次比较式a d c 是目前应用非常广泛的刖d 转换器，它将采样输入信号与 己知电压不断进行比较，然后转换成为数字量输出。这一类型a d c 的优点是： 转换速率较高，可达l m s p s ，功耗低，转换精度也较高。 2 并行式a d 转换器 并行式a d c 是现今速度最快的a d 转换器。这种a d 转换器的所有位同时 进行转换。这类a d c 的优点是：转换速率很高：缺点是：分辨率很难提高，电路 复杂，成本高。 3 双积分型a ，d 转换器 前面所讲到的逐次比较式a d c 和并行式a d c 均属于直接转换型a d c ，而双 积分型a d c 则属于间接转换型a d c 。它的基本原理是将模拟电压的值转化为计 8 电子科技大学硕士学位论文 o 0 1 5 最大积分非线性误差 o 0 5 最大输出偏移( 可修正) 灵活的串行数字接口( 3 3 m b p s ) 内建5 v 基准( 最大2 5 p p i i l ) 1 2 v - 3 2 v 电源供应 2 4 脚d 口封装【6 】 外围电路如图3 - 3 所示，管脚凡n g e 2 和r a n g e l 的接线方式来选择输出类 型( 电流或电压) ，当前i u n g e 2 接逻辑高电平、r 酬g e l 接地，为0 m a 至2 0 m a 电流输出，其值由输入的1 6 位二进制数据来控制。c l 和c 2 为外置滤波电容，为 了达到3 m s 满刻度建立时间，采用低介质吸收的电容，其合适的取值为c 1 - 0 0 1 uf 和c 2 = 0 0 1uf 。i 选f o 和砌1 f i 短接确定使用内部基准。整个电路工作在3 0 v 电源电压下。其电流输出接被测集体管基极，其允许的电流环路电压范围为0 至 v c c - 2 5 v ( 即2 7 5 v ) l ”。 n cn c 、i i 眦黜一一一j fa 1 tn c 当：i = 王 屯1 u f l r a n g e 2c a p 2 r a n g e lc a p l c i e a rb o o s t一( o m a ? 2 0 m a ) p 1 o o l a t c hi o u r p 1 1o c l o c kv o u t一i bl ， p 1 2 卜d a t a lo t i u m 一 d a t a or e f i g n dr e f 0 n cn c 图3 3 基极阶梯电流产生电路 a d 4 2 0 通过三根串行数字线与m c u 的p 1 口连接，其时序图如图3 4 所示， 即每个时钟上升沿到来时对d a l ai n 端口的l 或o 读取一次并存入十六位的移位 寄存器中。在送数过程中，l a t c h 可以为任意状态，但送完十六位数后，必须给 l a t c h 送一个上升沿，才能将读取到寄存器中的十六位数传送至a d 4 2 0 的d a c 中进行转换。串行线的最大工作速率为3 3 m b p s 。由于三线接口中在其它输入为 逻辑高电平时，另外一个输入的快速上升沿( 1 0 n s ) 会使a d 4 2 0 导入测试方式，此 时数据寄存器的内容被破坏，这会引起器件输出非正常。因此，为防止干扰，在进 2 0 第三章虚拟图示仪的结构化设计 行d a c 装入时将l a t c h 信号保持为低电平，同时在数据线上串接低值去耦电容。 c 峨x 腑f l f n 雎n n f | f 1 甄n n f l n nn f l n n w 豫d 1 o e l d 。 一“同! 同! ：同! ! 同! ! 同门! ! 同 誊暑羞鏊暑i 塞甓墨盎鬈霉墓g 岔荔2 萋詈基基鏊 w ：二：二二：l n ：二 3 2 4 集电极扫描电压 图3 4 三线串行接口时序图 集电极扫描电压可以看作一个数控电压源，我们通过电流输出型d a c 7 0 2 外 接功率运算放大器o p a 5 4 1 来实现。其电路如图3 5 所示。 +1s、，+35v 图3 5 集电极扫描电源电路 2 1 电子科技大学硕士学位论文 整个电路能提供3 0 v 的数控电压输出，最大输出电流为1 a 。d a c 7 0 2 是电 流输出型1 6 位并行d a 转换芯片，其输出电流范围为l m a ，满量程最大线性误 差为o o o l 5 ，最大增益漂移为1 0 p p l ，内建1 0 k n 反馈电阻具有1 p p l ， 的低温度系数。o p a 5 4 1 是一片高电压( 最大5 4 0 v ) 、大电流( 5 a 峰值1 0 a ) 的功率 运算放大器。电路工作原理为，o p a 5 4 1 工作在反相放大状态，其输出电压为反馈 回路的电阻和d a c 输出电流的乘积，当直接将v o u r 接至d a c 的1 7 脚，内部的 1 0 如电阻乘阻1 m a 可得此时输出电压范围为1 0 v 。为扩展输出电压范围，将 o p a 2 7 和两个t c r 电阻插入反馈电路，0 p a 2 7 及其外围电路组成电压跟随器，其 输入为v o l r r 的三分之一，输出驱动d a c 内部的反馈电阻，从而使v o l r r 达到3 0 v 的输出能力。由于增加了外部反馈电阻，其温度漂移系数将上升到5 0 p p i i l ，以 上。o p a 5 4 1 输出端与v o u t 之间接一个o 5q 的限流电阻r c l ，输出电流在其上的压 降被o p a 5 4 1 内部限流保护电路检测，当其值超过大约一个v b e 时，保护电路开启， 输出电流被限制在一定值，其值与电阻值的对应关系可从图3 6 中查出，对于本电 路，限流值为1 a 。为减小误差，取样电阻r c l 选用大功率电阻，并加粗减短两端 连线。d a c 7 0 2 通过十六根并行传输线与m c u 连接，由于d a c 7 0 2 是内部不带锁 存的a 转换芯片，因此需要在d a c 与m c u 之间接锁存器才能使用。实际电路 中我们采用两片带三态门的d 锁存器7 4 l s 3 7 3 。d a c 7 0 2 的输出建立时间如图3 7 所示，纵坐标为实际最终值的误差与满量程的百分比，对于较大的负载电阻，其 输出端的r c 时间常数将主导建立时间。对于1 0q 的负载，当输入端数字量发生 改变时，其输出电流跟随变化达到与理论值的误差小于o 0 0 3 f s r ( 即6 0 i a ) 需 要3 0 0 n s 。 耋 釜1 ， c u r r e 盯l i m l t v $ r e s i s l ： n c eu m r r t 、 i |、 | | l n (丌e ：t p j g e d p c ) 对应一个0 u t ( d e v i c e 一p c ) 。如图3 一1 6 ，端 点o 默认配置为控制管道，用来完成所规定的设备请求，其他端点可配置为数据 图3 1 6u s b 通讯模型 电子科技大学硕士学位论文 管道，完成大数据的传输。管道拥有四种不同的数据传输类型，需要用户根据实 际数据传输速度需求来选择，同时，每种数据传输都必须根据数据请求的格式来 进行。 3 3 2 3u s b 数据传输类型 u s b 传输类型包括批量传输、等时传输、中断传输和控制传输，如表3 3 所 示。 表3 3 各神数据传输的相关特性 等时传输控制传输 传输模式 中断传输( i n t e r r u p t )批量传输( b u l k ) ( i s o )( c o n t r 0 1 ) 传输速率肝v i b p s 1 2 ( 1 5 ，低速)1 21 2l ，5 ，1 2 数据的最大长 1 6 4 ( 1 8 低 1 6 4 ( 1 8 低速)8 ，1 6 3 2 6 4l 1 0 2 3 度字节速) 数据周期性有没有有投有 发生错误重传可可不可可 应用设备鼠标、键盘和摇杆打印机，扫描仪语音 可得到的最大 6 7 6 2 ( 0 0 5 1 f 氐速)97 2 81 0 2 4 0 带宽m b p 3 端点o 只能配置为控制传输类型的管道，其它端点传输类型选择则比较灵活， 控制传输可靠性是最高的，但速度最慢，等时传输速度快和满足实时性，但可靠 性低。综合传输速度和可靠性，批量传输或中断传输类型比较适合数据采集的应 用【15 1 。 3 3 2 4u s b 数据请求格式 在u s b 通讯协议中，主机具有绝对主动权利，设备只能是“听命令行事”， 所以通过一定的命令格式( 设备请求) 来完成通讯。u s b 设备请求包括标准请求、 厂商请求和设备类请求。设备的枚举是标准请求命令来完成的；厂商请求就是用 户定义的请求；设备类请求是特定的u s b 设备类发出的请求。设备请求必须遵循 一定的格式，包括请求类型、设备请求、值、索引和长度，如图3 一1 7 所示。 下面定义一个设备请求结构体： 哆p e d e fs t m c i d e v i c e r e q u e s t 3 0 第二章虚拟图示仪的结构化设计 u n s i g l l e dc h a r b m r e q u e s t t y p e ；信息包括：传输方向、类型、接收方信息 u n s i g n e dc h a r b r e q u e s t ； ，例如：如果是标准请求，o o 则是g 奠一s t a ：hr s u n s i g n e dc h a rw v a l u e ； 请求值，即要传输的数据 u n s i g n e dc h a rw i n d e x ； 请求索引 u n s i g n e dc h a rw l e n g t h ； 请求氏度，要传输的数据长度 传输方向有i n ( 从外设到主机) 和o u t ( 从主机到外设) ： 类型有标准请求( s t a n d a r d ) 、设备类型请求( c l a s s ) 、厂商请求( v e n d o r ) ； 接收方有设备( d e v i c e ) 、接口( i n t e r f a c e ) 、端点( e n d p o i n t ) 、其它( o 廿1 e r ) 。 叵匦画回 图3 17u s b 数据设备请求格式 3 3 2 5u s b 数据流格式 u s b 内部是一个软件提取模式，像“流水( p i p e ) ”一样处理各类请求，其数 据是打包后在u s b 总线上传输的。u s b 传输的数据包由被称为p a c k e ti d s ( p i d ) 的特定代码进行区分。p i d 表示诈在传送数据包的类型。表3 4 给出了4 种p i d 类 型。 图3 1 8 举例说明了一个u s b 传输。包是一个由o u t 令牌表示的o u t p i d 。 电子科技大学硕士学位论文 o u t 令牌表示主机发出的数据将要通过总线进行传送。包由数据组成，由d a t a l 表3 4u s bp i d p l d 类型p 1 d 名称 令牌数据 i n 、o u t 、s o f 、d a l a 0 、d a l a l 握手信号 a c k 、n a k 、s 丁a l l 特殊信号p r e 脚国阍圈驯艄圃圈网黯 塑! l ，7 、一墼塑里，崾f 包鱼些璺一墼塑垫一瞻f 色j 3 2 第三章虚拟图示仪的结构化设计 ( 4 8 0 m b p s ) 可选u s b 2 o 接口芯片，例如p h i l i p s 的i s p l 5 8 1 和c y p r e s s 的c y 7 c 6 8 0 1 3 。另外，u s b 设备传输速度也和软硬件设计有关。 ( 2 ) 带m c u ( 微控制器) ：例如a n 2 1 3 i 。 ( 3 ) 带主控器功能：不需要主机参与，设备之间可进行数据传输，芯片有 p h i l i p si s p l 3 0 1 和c y p r e s ss l 8 1 l h s 等。 另外，芯片的价格、可用开发资源和开发的难易程度也是要考虑的一个重要 方面。 3 3 3 2 选择a n 2 1 3 1 的原因 对于我们所设计的图示仪的数据采集电路来说，其采样率在每秒几千次左右， 采用u s b l 1 接口芯片的速度以能满足我们的要求，p d i u s b d l 2 、u s b n 9 6 0 2 和 a n 2 1 3 1 ( 属e z u s b 系列) 是比较常用的几个解决方案。 相对于另两款芯片而言，a n 2 1 3 1 的优点有： ( 1 ) a n 2 1 3 1 内嵌增强型8 0 5 i 核，简化电路的复杂度。 ( 2 ) a n 2 1 3 1 可实现在线编程和仿真，无需编程器和仿真机。 ( 3 ) 简化的编程，a n 2 1 3 1 内嵌增强型u s b 引擎能自动完成部分设备请求，厂 家提供的固件编程框架和调试面板，使编程和调试变得相对容易。 3 3 3 3a n 2 1 3 1 0 规格说明 图3 1 9a n 2 1 3 l 内部功能框图 a n 2 1 3 1 q 内部功能框图如图3 一1 9 所示，各模块介绍如下： 增强型5 1 核 3 3 第三章虚拟图示仪的结构化设计 皇王型垫查堂堡主兰垡笙塞 碰u s b d e v 】 c o p y f i l e s = e z u s b f i ! e s e x t ，e z u s b f i i e s h l f a d d r e 9 2 e z u s b a d d r e g e z u s b _ d e v n 叼 a d d r e 9 2 e z u s b a d d r e g 【e z u s b d e v n t _ s e i c e s 】 a d d s e i c e = e z u s b ，0 x 0 0 0 0 0 0 0 2 ，e z u s b a d d s e i c e 【e z u s b a d d s e n ，i c e 】 d i s p l a ) r n 锄e= e z u s b s v c d e s c s e r v i c e 聊e = l s t a r t l 押e = 2 e r r o r c o n 廿0 l = l s e r v i c e b i n a r ) ， = 1 0 s y s t e m 3 2 、d r i v e r s 、d a q s y s l o a d o r d e r g r o u d = b a s e e z u s b a d d r e 朗 h k r ”d e v l o a d e r ，4 n t k e m h k r ， n t m p d r i v e r ，d a q s y s e z u s b f i l e s e x t e z u s b s y s e z u s b ，f i l e s i n f 】 e z u s b w 2 k i n f 【s t r i n g s u e s t c = ”u e s t c ” u s b v i d - 0 5 4 7 & p i d 0 0 8 0 d e v i c e d e s c = a n 2 1 3 1b e f o r e r e n u m e r a t i o n 电子科技大学硕士学位论文 ( c o n t r o l s ) ，输出量称为指示器( h d i c a t o r s ) 。当把一个控件或指示器放到前面 板上时，框图中相应地放置一个端子( t e m i n a l s ) ，这个端子不能随意被删除， 只有删除它对应的控件或指示器时它才随之一起被删除。用户可以使用多种图标， 如旋钮、开关、按钮、图表、文本框、图形等，创建和传统图示仪仪器( 如图2 1 所示) 一模一样的控制面板。 图3 2 5 前面板开发窗口 最终效果如图3 2 6 所示。其包括一个波形g r 印h 指示器用以显示输出特性曲 线图和三个可调节的数值控制按钮。 3 4 3 功能框图的建立 每一个v i 程序的前面板都对应着一段框图程序。框图开发窗口如图3 2 7 所 示，框图程序是用图形化的功能图标搭建而成，可以把每一个图标理解成传统程 序的源代码。所有v i 源程序的框图都是由节点( n o d e ) 、端子( t e r m i n a l ) 、图框 第三章虚拟图示仪的结构化设计 图3 2 6 图示仪前面板 ( f r a n l e ) 和连线( w i r e ) 四种元素构成。其中，端子被用来同程序前面板的控件 和指示器传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程 序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方 向。编制框图程序时，从功能模板中选择需要的节点图标或图框，将之置于窗口 面板上适当的位置，然后用连线连接它们及框图中的端子即可。在彩色监视器上， 每种数据类型以不同的颜色和线形强调显示。各种函数模板提供了小到加减乘除 大到f f t 变换、从输入输出到控制操作等各种功能，每种功能都用形象化的图标 来表示，我们只要根据仪器功能需要选取模板，再将其连接就完成了传统仪器电 路的功能。要注意的是不同于电路的连线，这里的连线类似于程序中的变量，不 同的数据类型的节点或端口不能用连线相连。 图3 2 8 是所设计的图示仪测试程序。其采用两帧顺序执行结构：左边是信号发 生部分，由两个随机数发生器和阶梯波阶数、阶梯波增量、集电极电压幅度控制 4 5 电子科技大学硕士学位论文 中去，因此使用动态连接库可以实现多个应用程序之间代码和资源的共享。通过 调用l a b v i e w 的c a l l l i b r a l 了f l l i l c t i o n n o d e 国标可以实现对d l l 文件中的函数的调 用。具体方法如图3 2 9 所示。这种方法适合驱动带有d l l 驱动文件的一些国内公司 出品的数据采集卡。但对于学生个人来说，独立开发数据采集卡的d l l 形式的驱动 程序是比较困难的。 图3 2 9 调用d l l 文件中的函数的方法 3 5 1 3 调用c 语言源代码方式( c l n 方式) 驱动 在实际设计中，经常会碰到某些想实现的功能但利用l a b v i e w 中现成的图标 无法实现，而利用其他编程语言很容易实现的情况，这时可利用l a b v i e w 中的接 口图标c o d ei n t e r f a c en o d e 以实现l a b v i e w 与其他编程语言的之间的连接。c i n 图标通过输入、输出端口实现两种语言之间的数据传递。输入、输出端口的个数 可由设计者根据实际需要确定。当l a b v i e w 的程序运行到c i n 节点时，数据由 c i n 的输入端口传递给c 源代码图标，程序转去执行c 源代码，代码执行完后， 得到的数据结果由c i n 的输出端返回给l a b v i e w 。因此我们可以编写调用 a n 2 1 3 l u s b 外设驱动程序的c 语言文件，来实现l a b v i e w 与a n 2 1 3 1 之间的数 据传递。下面给出了发送八位二进制数到a n 2 1 3 1 的端点2o u t ，并从a n 2 1 3 1 第三章虚拟图示仪的结构化设计 的端点1n 读取数据的源代码瞄】。 幸c 呵s o u r c e f i l e + ， 捍i n c l u d e ”e x t c o d e h ” 拌i n c l u d e 拌i n c l u d e 撑血c l u d e 拌i n d u d e 拌i n c l u d e ”c ：u s b d r i v e r s a n 2 1 3 l s v s h ” m g e r rc i n r i l n ( u i n t 8 木n u n u n ，u i n t 8 + n u m _ o u t ) ； m g e r rc i n r l m ( u i n t 8 + n l l n l i n ，u h l t 8 + n u mo u t ) h a n d l eh a l l d l e = _ n u l l ： u l o n g n b y t e s 2 0 ； 加载各类头文件 加载a n 2 1 3l 驱动程序头文件 函数声明，包括传递变量名称 函数体 定义旬柄变量 s e i j n i 。e r f a c e - i n m t e r f - a c e i n ； b u l kt ra n s f e i l c o n t r o l b u l k c o 曲0 l ； w o r d o u t p a c k e t s i z e ，i i l p a c k c t s i z e ；定义输入输出数据长度变量 u c l r o m b u 饿r 6 4 】，i n b u 恐r 【6 4 】； 定义输入输出缓冲区数组 u c h a r i j ； i mk ： h a i l d l c = c r e a t c f i l e ( ”怕- n 2 1 3 l 一0 ”，获得u s b 设备句柄 g e n e 砌c w r j t e ， f i l e s h a r e _ w r j t e ， n u l l o p e n _ e s n g ， o ， n u l l ) ； i n t e r f a c e i l l i n t e r f a c e n 啪= o ；设置u s b 接口值为0 i n t e r f a c e i n a l t e m a t e s e t t i n g = 1 ；设置u s b 交替设置值为l d e v i c e i o c o n t r o l ( h a n d l e ，将上述二值传递到u s b 设备 1 0 c t i l _ e z u s b _ s e t i n t e r f a c e ， & i n t e r f a c e i n s i z e o f ( s e 7 r _ i n t e r f a c e l n ) ， 4 9 皇量型丝奎堂堡主堂焦丝壅 n u l l - 0 ， & n b y t e s ， n u l l ) ； b u 呶：o n 帅1 p i p e n 啪2 2 ； 选择管道，批量输出端点2 f o r ( i _ o ；i 6 4 ；i + + ) o u t b u 拖r 【i 】= 0 ；清空输出缓冲区 o u t b u f f e r o 2 + n u m j n ； 将要传递的数据加载到输出缓冲区 o u t p a c k e t s j z 萨l ； 设置输出数据长度 d e v i c e i o c o n 仃o l ( h a n d l e ， 调用驱动函数将数据发送到u s b 设备指定端点 i o c t l 上z u s b b i ，k 帆i t e ， & b m k c o n 打o i s i z e o f ( b u l kt r a n s f e r 0 n t r o l ) ， & o u t b u & r o 】， o u t p a c k e t s i z e & n b y t e s ， n u l l ) ； f o r ( k - o ；k 1 0 0 0 0 0 ；i 卅) ； 延时程序 b u u ( c o m r 0 1 p j p e n u m 2 l ； 选择管道，批量输入端点1 i i