【《某单片机控制的晶体管图示仪测量软件设计案例》6100字】

LXI某单片机控制的晶体管图示仪测量软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u26995某单片机控制的晶体管图示仪测量软件设计案例 1151191.1系统总体功能 1321151.2驱动信号软件控制 2254881.2.1DAC和ADC软件控制 2288171.2.2存储器软件控制 5301971.2.3LCD和按键软件控制 5248941.3场效应管测量流程 6273751.3.1转移特性曲线测量流程 6290331.3.2输出特性曲线测量流程 783901.4三极管测量流程 85141.1.1输入特性曲线测量流程 8105681.1.2输出特性曲线测量流程 9183561.5二极管测量流程 1041361.6数据处理 10272191.6.1晶体管开启电压 1095141.6.2三极管共射电流放大系数 11114721.6.3三极管极间穿透电流 11288781.7液晶显示和按键操作 111.1系统总体功能图示仪系统软件流程图如图4-1所示，图示仪系统软件部分包括系统初始化、检测按键中断、晶体管测量、LCD显示和存储四部分。在初始化部分，对系统定时器、SPI和I2C接口、LCD液晶屏和按键以及存储器等进行初始化，然后通过检测按键中断返回值来选择相应晶体管测量功能。在晶体管测量流程内部，STM32微控制器按照设定好的程序执行相应的DAC输出和ADC采集，STM32微控制器根据晶体管类型对采集数据按照设定程序进行数据处理和运算得到晶体管特性曲线数据和参数，最后把晶体管特性曲线数据和参数通过LCD液晶屏显示出来，并保存至存储器内部。1.2驱动信号软件控制1.2.1DAC和ADC软件控制STM32微控制器与DAC和ADC之间通过I2C接口进行通信，I2C是一个支持多个设备数据交互的总线协议，包含一根双向串行数据线SDA，一根串行时钟线SCL，其串行接口时序图如图4-2所示。每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主设备可以通过该地址来访问不同设备。本系统中主设备（主机）是STM32微控制器，从设备（从机）是MCP4725和ADS1115。STM32通过发送不同的地址线就可以分别与DAC和ADC进行通信。DAC1地址线为110000X，DAC2地址线为110001X，ADC地址线为1001000X[57]。主设备通过SDA线发送设备地址查找从设备，设备地址为7位，第8位用来表示数据传输方向，组成8位数据字节。第8位为‘0’时表示写数据，为‘1’时表示读数据。传输速率采用标准模式100kbit/s。起始信号为SCL位高电平时，SDA由高电平向低电平转换，接着开始传输8位字节，总字节数不受限制。传输完数据后，SCL拉高，SDA由低电平向高电平转换。STM32微控制器通过I2C总线向MCP4725写入数据之前，需要先给I/O口初始化配置（包括时钟、工作模式和工作频率等）。初始化配置完成后，STM32微控制器可以开始与MCP4725和ADS1115进行数据交互。STM32微控制器发送数据DATA1给DAC1，DATA1与DAC1输出电压对应关系如下：（4-1）公式（4-1）中为DAC的工作基准电压+5.0V，12位DAC输出分辨电压约为。将公式（4-1）带入公式（3-2）中得到输出电压为：（4-2）公式（4-2）中=+2.5V，=+5.0V，=4=20，将输出电压作为场效应管栅极电压，则DATA1的值与以及分辨电压对应关系如表4-1所示。表4-1DATA1与以及分辨电压对应表Tab4-1Tableofcorrespondencedata1andandresolutionDATA1（V）分辨电压（mV）0~4095-10.0~+10.01.8将公式（4-2）带入公式（3-7）中得到基极阶梯电流电路输出为：（4-3）公式（4-3）中=+2.5V，=+5.0V，=4=20，将输出电流作为三极管基极电流，则输出电流与和DATA1以及分辨电流对应关系如表4-2所示。DAC对应电阻为1kΩ时，最小分辨电流为5μA；对应电阻为10kΩ时，最小分辨电流为0.5μA。对于阶梯电流信号采用实际分辨电流为50的倍数，既实际分辨电流为250μA和25μA。表4-2DATA1与、以及分辨电流对应表Tab4-2TableofcorrespondenceandandDATA1andresolutionDATA1（）（mA）最小分辨电流（μA）实际分辨电流（μA）0~40951-10.0~+10.0525010-1.0~+1.00.525同样对于DAC2输出电压与DATA2对应关系如下：（4-4）公式（4-4）中=+2.5V，=+5.0V，=6=30，将输出电压作为场效应管漏极电压和三极管集电极电压，则DATA2与以及分辨电压对应关系如表4-3所示。表4-3DATA2与/以及分辨电压对应表Tab4-3Tableofcorrespondencedata1and/andresolutionDATA2/（V）分辨电压（mV）0~4095-15.0~+15.07.3STM32微控制器读取ADS1117数据DATA3，DATA3与ADS1117输出电压对应关系如下：（4-5）公式（4-5）中=+5.0V，16位ADC采集分辨电压约为，DATA3的大小对应电压范围0~+5.0V。由于采用ADC最小分辨率会导致系统采集时间长，效率低，实际ADC采用间隔采样，采样倍数为100，既实际测量分辨电压为7.6mV。将公式（4-5）带入公式（3-6）中得到采集电流为：（4-6）公式（4-6）中=+2.5V，=+5.0V，则采集电流/与电阻、DATA3以及分辨电流对应关系如表4-4所示。表4-4采集电流/与电阻、DATA3以及分辨电流对应表Tab4-4Tableofcorrespondencecurrentandresistance,data3andresolution/（mA）（）DATA3最小分辨电流（μA）实际分辨电流（μA）-50.0~+50.012.50~655350.1515-500.0~+500.01.021.5150同样将公式（4-5）带入公式（3-8）中得到采集电压为：（4-7）公式（4-7）中=+2.5V，=+5.0V，则采集电压与电阻DATA2以及分辨电压对应关系如表4-5所示。表4-5采集电压与DATA3以及分辨电压对应表Tab4-5Tableofcorrespondencevoltageanddata3andresolution（V）DATA3最小分辨电压

（μV）实际分辨电压（mV）-2.5~+2.50~65535767.61.2.2存储器软件控制STM32微控制器与W25Q64芯片通过SPI协议方式进行通信。通过KEIL开发软件对STM32微控制器配置SPI协议，配置完成后对W25Q64芯片进行初始化操作，初始化完成后STM32微控制器即可与W25Q64芯片正常通信。STM32微控制器与W25Q64芯片的数据传输流程如图4-3所示。STM32微控制器向W25Q64芯片传输数据前，将所测量晶体管特性曲线数据和特性参数与对应所测晶体管类型进行绑定，设计成结构体数组。STM32微控制器将SPI协议初始化配置，包括引脚I/O口初始化、数据传输格式、SCK的极性和采样方式以及SPI时钟频率等[58]。配置完成后通过SPI协议对W25Q64芯片进行初始化操作，包括CRC校验、帧格式、主从模式等，在片选信号使能周期里，SPI主机开始发送起始命令，从设备响应后开始发送数据，8位时钟周期发送一个字节数据，同时主机也会接收一个字节数据。通过SPI通信协议将结构体数组中的每个元素跟随时钟信号通过MOSI信号线发送给W25Q64芯片。1.2.3LCD和按键软件控制STM32微控制器使用FSMC协议对LCD进行控制，对应的信号线功能如表4-6所示。表4-6FSMC各信号功能Tab4-6ThefunctionofFSMCsignallineFSMC信号名称信号线功能CLK输出，时钟（同步触发模式使用）A[25:0]输出，地址总线D[15:0]输入/输出，双向数据总线NE[X]输出，片选（X=1,2,3,4）NOE输出，输出使能NWE输出，写使能NWAIT输入，NOR闪存要求FSMC等待信号当FSMC外设被配置为正常工作模式且外接NORFlash时，向地址0X60000000~0X6FFFFFFF写入数据，FSMC首先产生片选信号选择液晶控制芯片，然后使用地址线输出地址，在NWE信号线上发出写使能信号，要写入的信号就从数据线输出，保存在NORFlash中，NORFlash把接受数据分配给LCD的液晶单元进行显示[59]。晶体管类别和测量类型的选择都需要用到按键进行控制，本晶体管图示仪设计有四个独立按键，对应功能分别为上一个、下一个、确认和返回。按键管脚默认为高电平，当相应按键按下时产生对应的低电平信号，低电平中断触发信号通过I/O口被STM32微控制器响应。STM32通过循环检测对应管脚的低电平触发信号，根据管脚定义执行相应功能。1.3场效应管测量流程系统初始化完成后，通过按键选择测量场效应管特性曲线。系统根据设定，通过用户选择N沟道和P沟道场效应管以及测量转移特性曲线和输出特性曲线。由于N沟道和P沟道场效应管测量流程相同，只是输出数字信号值大小不同，所以本文以N沟道场效应管为例，进行介绍。1.3.1转移特性曲线测量流程要得到场效应管转移特性曲线数据，需要将场效应管漏-源电压设置为常量，增加栅-源电压和采集漏极电流即可得到场效应管转移特性曲线。漏-源电压和栅-源电压由测量电路产生，根据公式（3-2）和（3-3）可知电压和电压与数字量为对应关系，作为已知数据，只需通过漏极电流采集电路测量电流就能得到场效应管转移特性曲线。场效应管转移特性曲线测量流程如图4-4所示。通过按键选择N沟道场效应管转移特性测量后，系统对两路DAC、ADC和继电器进行初始化设置包括DAC、ADC传输数据速率、转换精度，继电器控制采集电流范围等。设置完成后，STM32微控制器控制继电器选择输出电压和采集电流范围，发送数字信号通过DAC1转换输出给漏极扫描电压电路设置电压为0V，继续发送数字信号通过DAC2转换输出给栅极阶梯电压电路输出电压从零步进递增并记录，同时通过漏极电流采集电路得到电流通过DAC转换得到对应电流大小的数字信号，判断电流是否达到设定值，若是停止递增，将电压记录值和电流采集值一一对应，存至数组中，否则继续递增并测量电流，直至电流达到设定值。STM32微控制器对数组数据进行处理和计算，得到对应场效应管开启电压。1.3.2输出特性曲线测量流程场效应管输出特性曲线数据测量方法，将场效应管栅-源电压设置为一常量，递增漏-源电压和采集漏极电流，即可得到一条场效应管输出特性曲线，改变电压常量值，再递增电压和采集电流，即可得到一簇场效应管输出特性曲线。电压和电压由测量电路产生，根据公式（3-2）和（3-3）电压和电压与数字量为对应关系，作为已知数据，只需采集电流就可得到场效应管输出特性曲线数据。由于输出特性曲线要求栅极阶梯电压信号与漏极扫描电压信号周期相等，对应关系如图4-5所示。先将电压设初始值，然后将电压从零递增至对应类型晶体管的设定值，期间保持电压不变，直至电压达到设定值，再改变电压进行下一条输出特性曲线测量，直到电压达到设定值，即可完成场效应管输出特性曲线测量流程。场效应管输出特性曲线测量流程图如图4-6所示。通过按键选择N沟道场效应管输出特性测量后，系统对两路DAC、DAC和继电器进行初始化设置包括DAC、ADC传输数据速率、转换精度，继电器控制采集电流范围等。设置完成后，STM32微控制器控制继电器选择输出电压和采集电流范围，STM32微控制器发送数字信号通过DAC1转换输出给栅极阶梯电压电路设置栅-源电压初始值（大于开启电压），再发送数字信号通过DAC2转换输出给漏极扫描电压电路输出漏-源电压从零递增至设定值并记录，同时通过漏极电流采集电路得到电流通过DAC转换得到对应电流大小的数字信号，判断电压是否达到设定值，若是停止递增电压，增加电压进行下一条输出特性曲线测量，否则继续增加电压，最后判断测量曲线是否达到预设次数，若是停止测量将漏极电压记录值和漏极电流采集值与一一对应，存至二维数组中，否则继续递增并测量漏极电流。STM32微控制器对二维数组数据进行处理形成坐标点数据，通过逐点连线的方法将坐标点绘制场效应管输出特性曲线显示在LCD液晶屏上。1.4三极管测量流程系统初始化完成后，通过按键选择测量三极管特性曲线。系统根据设定，通过用户选择NPN型和PNP型三极管以及测量输入特性曲线和输出特性曲线。由于NPN型和PNP型三极管测量流程相同，只是输出数字信号值大小不同，所以本文以NPN型三极管为例，进行介绍。1.1.1输入特性曲线测量流程要得到三极管输入特性曲线数据，需要先将三极管集电结电压设置为常量，增加发射结电压同时采集基极电流即可得到三极管输入特性曲线。对于本系统采用增加电流同时测量电压的方法测量三极管输入特性曲线。电流由基极阶梯电流电路产生，根据公式（3-8）电流与数字量为对应关系，作为已知数据，只需测量电压就能得到三极管输入特性曲线。通过按键选择NPN型三极管输入特性测量后，系统对一路DAC、ADC和继电器进行初始化设置。设置完成后，STM32微控制器先通过，通过集电极扫描电压电路输出电压从零递增并记录，同时通过集电极电流采集电路得到基极电流，判断基极电流是否达到设定值，若是停止递增，将电压记录值和电流采集值一一对应，存至数组中，否则继续递增直至达到预设值。STM32微控制器对数组数据进行处理和计算，得到对应三极管开启电压。1.1.2输出特性曲线测量流程三极管输出特性曲线测量流程与场效应管输出特性曲线测量流程类似，要得到三极管输出特性曲线数据，先将三极管基极电流设置为常量，递增集电极电压并采集电极电流，即可得到一条三极管输出特性曲线，改变基极电流，再递增电压并采集集电极电流，即可得到一簇三极管输出特性曲线。基极电流和电压由测量电路产生，可知电流和电压已知，只需采集集电极电流就可得到三极管输出特性曲线。对于三极管输出特性曲线要求基极阶梯电流信号与集电极扫描电压信号周期相等，对应关系和场效应管输出特性曲线相似，只是将栅极驱动电压改为基极驱动电流。通过按键选择NPN型三极管输出特性测量后，系统对两路DAC、ADC和继电器进行初始化设置。设置完成后，STM32微控制器先通过基极阶梯电流电路设置基极电流初始值，再驱动集电极扫描电压电路输出电压从零递增至预设值并记录，同时通过集电极电流采集电路得到集电极电流，判断电压是否达到设定值，若是停止递增增加基极电流进行下一条输出特性曲线测量，否则继续增加电压，最后判断测量曲线是否达到预设条数，若是停止测量将电压记录值和电流采集值与一一对应，存在二维数组中。STM32微控制器对二维数组数据进行处理和计算，得到对应三极管共射电流放大系数和极间穿透电流。1.5二极管测量流程系统初始化完成后，通过按键选择测量二极管伏安特性曲线。要得到二极管伏安特性曲线数据，增加二极管两端电压同时采集二极管电流即可得到二极管伏安特性曲线。二极管两端电压由集电极扫描电压电路产生，根据公式（3-3）电压与数字量为对应关系，作为已知数据，只需通过集电极电流采集电路采集二极管电流就能得到二极管伏安特性曲线。二极管伏安特性曲线测量流程图如图4-7所示。通过按键选择二极管伏安特性曲线测量后，系统对一路DAC、ADC和继电器进行初始化设置。设置完成后，STM32微控制器通过集电极扫描电压电路驱动二极管两端电压从零递增并记录，同时通过集电极电流采集电路得到二极管电流，判断二极管电流是否达到设定值，若是停止递增，将二极管两端电压记录值和二极管电流采集值一一对应，存至数组中，否则继续递增直至达到预设值。1.6数据处理采集的电流和电压数据打包成的二维数组只是原始数据，需要通过STM32微控制器进行数据处理和计算，根据待测晶体管类型不同，数据处理方法也不同，分为晶体管开启电压、三极管共射交流电流放大系数和三极管极间穿透电流。1.6.1晶体管开启电压晶体管开启电压是指在晶体管两端施加电压，施加电压达到一定值时晶体管开始导通时的电压值[60]。晶体管开启电压数据处理流程如图4-8所示。对于晶体管开启电压，本文用采集电流大于1mA所对应的驱动电压值作为开启电压。通过对采集数据打包形成的二维数组进行寻址判断电流值大于1mA所对应的电压值进行赋值输出。1.