LXI某單片機控制的晶體管圖示儀測量軟件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u26995某單片機控制的晶體管圖示儀測量軟件設(shè)計案例 1151191.1系統(tǒng)總體功能 1321151.2驅(qū)動信號軟件控制 2254881.2.1DAC和ADC軟件控制 2288171.2.2存儲器軟件控制 5301971.2.3LCD和按鍵軟件控制 5248941.3場效應(yīng)管測量流程 6273751.3.1轉(zhuǎn)移特性曲線測量流程 6290331.3.2輸出特性曲線測量流程 783901.4三極管測量流程 85141.1.1輸入特性曲線測量流程 8105681.1.2輸出特性曲線測量流程 9183561.5二極管測量流程 1041361.6數(shù)據(jù)處理 10272191.6.1晶體管開啟電壓 1095141.6.2三極管共射電流放大系數(shù) 11114721.6.3三極管極間穿透電流 11288781.7液晶顯示和按鍵操作 111.1系統(tǒng)總體功能圖示儀系統(tǒng)軟件流程圖如圖4-1所示，圖示儀系統(tǒng)軟件部分包括系統(tǒng)初始化、檢測按鍵中斷、晶體管測量、LCD顯示和存儲四部分。在初始化部分，對系統(tǒng)定時器、SPI和I2C接口、LCD液晶屏和按鍵以及存儲器等進行初始化，然后通過檢測按鍵中斷返回值來選擇相應(yīng)晶體管測量功能。在晶體管測量流程內(nèi)部，STM32微控制器按照設(shè)定好的程序執(zhí)行相應(yīng)的DAC輸出和ADC采集，STM32微控制器根據(jù)晶體管類型對采集數(shù)據(jù)按照設(shè)定程序進行數(shù)據(jù)處理和運算得到晶體管特性曲線數(shù)據(jù)和參數(shù)，最后把晶體管特性曲線數(shù)據(jù)和參數(shù)通過LCD液晶屏顯示出來，并保存至存儲器內(nèi)部。1.2驅(qū)動信號軟件控制1.2.1DAC和ADC軟件控制STM32微控制器與DAC和ADC之間通過I2C接口進行通信，I2C是一個支持多個設(shè)備數(shù)據(jù)交互的總線協(xié)議，包含一根雙向串行數(shù)據(jù)線SDA，一根串行時鐘線SCL，其串行接口時序圖如圖4-2所示。每個連接到總線的設(shè)備都有一個獨立的地址，主設(shè)備可以通過該地址來訪問不同設(shè)備。本系統(tǒng)中主設(shè)備（主機）是STM32微控制器，從設(shè)備（從機）是MCP4725和ADS1115。STM32通過發(fā)送不同的地址線就可以分別與DAC和ADC進行通信。DAC1地址線為110000X，DAC2地址線為110001X，ADC地址線為1001000X[57]。主設(shè)備通過SDA線發(fā)送設(shè)備地址查找從設(shè)備，設(shè)備地址為7位，第8位用來表示數(shù)據(jù)傳輸方向，組成8位數(shù)據(jù)字節(jié)。第8位為‘0’時表示寫數(shù)據(jù)，為‘1’時表示讀數(shù)據(jù)。傳輸速率采用標(biāo)準(zhǔn)模式100kbit/s。起始信號為SCL位高電平時，SDA由高電平向低電平轉(zhuǎn)換，接著開始傳輸8位字節(jié)，總字節(jié)數(shù)不受限制。傳輸完數(shù)據(jù)后，SCL拉高，SDA由低電平向高電平轉(zhuǎn)換。STM32微控制器通過I2C總線向MCP4725寫入數(shù)據(jù)之前，需要先給I/O口初始化配置（包括時鐘、工作模式和工作頻率等）。初始化配置完成后，STM32微控制器可以開始與MCP4725和ADS1115進行數(shù)據(jù)交互。STM32微控制器發(fā)送數(shù)據(jù)DATA1給DAC1，DATA1與DAC1輸出電壓對應(yīng)關(guān)系如下：（4-1）公式（4-1）中為DAC的工作基準(zhǔn)電壓+5.0V，12位DAC輸出分辨電壓約為。將公式（4-1）帶入公式（3-2）中得到輸出電壓為：（4-2）公式（4-2）中=+2.5V，=+5.0V，=4=20，將輸出電壓作為場效應(yīng)管柵極電壓，則DATA1的值與以及分辨電壓對應(yīng)關(guān)系如表4-1所示。表4-1DATA1與以及分辨電壓對應(yīng)表Tab4-1Tableofcorrespondencedata1andandresolutionDATA1（V）分辨電壓（mV）0~4095-10.0~+10.01.8將公式（4-2）帶入公式（3-7）中得到基極階梯電流電路輸出為：（4-3）公式（4-3）中=+2.5V，=+5.0V，=4=20，將輸出電流作為三極管基極電流，則輸出電流與和DATA1以及分辨電流對應(yīng)關(guān)系如表4-2所示。DAC對應(yīng)電阻為1kΩ時，最小分辨電流為5μA；對應(yīng)電阻為10kΩ時，最小分辨電流為0.5μA。對于階梯電流信號采用實際分辨電流為50的倍數(shù)，既實際分辨電流為250μA和25μA。表4-2DATA1與、以及分辨電流對應(yīng)表Tab4-2TableofcorrespondenceandandDATA1andresolutionDATA1（）（mA）最小分辨電流（μA）實際分辨電流（μA）0~40951-10.0~+10.0525010-1.0~+1.00.525同樣對于DAC2輸出電壓與DATA2對應(yīng)關(guān)系如下：（4-4）公式（4-4）中=+2.5V，=+5.0V，=6=30，將輸出電壓作為場效應(yīng)管漏極電壓和三極管集電極電壓，則DATA2與以及分辨電壓對應(yīng)關(guān)系如表4-3所示。表4-3DATA2與/以及分辨電壓對應(yīng)表Tab4-3Tableofcorrespondencedata1and/andresolutionDATA2/（V）分辨電壓（mV）0~4095-15.0~+15.07.3STM32微控制器讀取ADS1117數(shù)據(jù)DATA3，DATA3與ADS1117輸出電壓對應(yīng)關(guān)系如下：（4-5）公式（4-5）中=+5.0V，16位ADC采集分辨電壓約為，DATA3的大小對應(yīng)電壓范圍0~+5.0V。由于采用ADC最小分辨率會導(dǎo)致系統(tǒng)采集時間長，效率低，實際ADC采用間隔采樣，采樣倍數(shù)為100，既實際測量分辨電壓為7.6mV。將公式（4-5）帶入公式（3-6）中得到采集電流為：（4-6）公式（4-6）中=+2.5V，=+5.0V，則采集電流/與電阻、DATA3以及分辨電流對應(yīng)關(guān)系如表4-4所示。表4-4采集電流/與電阻、DATA3以及分辨電流對應(yīng)表Tab4-4Tableofcorrespondencecurrentandresistance,data3andresolution/（mA）（）DATA3最小分辨電流（μA）實際分辨電流（μA）-50.0~+50.012.50~655350.1515-500.0~+500.01.021.5150同樣將公式（4-5）帶入公式（3-8）中得到采集電壓為：（4-7）公式（4-7）中=+2.5V，=+5.0V，則采集電壓與電阻DATA2以及分辨電壓對應(yīng)關(guān)系如表4-5所示。表4-5采集電壓與DATA3以及分辨電壓對應(yīng)表Tab4-5Tableofcorrespondencevoltageanddata3andresolution（V）DATA3最小分辨電壓

（μV）實際分辨電壓（mV）-2.5~+2.50~65535767.61.2.2存儲器軟件控制STM32微控制器與W25Q64芯片通過SPI協(xié)議方式進行通信。通過KEIL開發(fā)軟件對STM32微控制器配置SPI協(xié)議，配置完成后對W25Q64芯片進行初始化操作，初始化完成后STM32微控制器即可與W25Q64芯片正常通信。STM32微控制器與W25Q64芯片的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4-3所示。STM32微控制器向W25Q64芯片傳輸數(shù)據(jù)前，將所測量晶體管特性曲線數(shù)據(jù)和特性參數(shù)與對應(yīng)所測晶體管類型進行綁定，設(shè)計成結(jié)構(gòu)體數(shù)組。STM32微控制器將SPI協(xié)議初始化配置，包括引腳I/O口初始化、數(shù)據(jù)傳輸格式、SCK的極性和采樣方式以及SPI時鐘頻率等[58]。配置完成后通過SPI協(xié)議對W25Q64芯片進行初始化操作，包括CRC校驗、幀格式、主從模式等，在片選信號使能周期里，SPI主機開始發(fā)送起始命令，從設(shè)備響應(yīng)后開始發(fā)送數(shù)據(jù)，8位時鐘周期發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)，同時主機也會接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)。通過SPI通信協(xié)議將結(jié)構(gòu)體數(shù)組中的每個元素跟隨時鐘信號通過MOSI信號線發(fā)送給W25Q64芯片。1.2.3LCD和按鍵軟件控制STM32微控制器使用FSMC協(xié)議對LCD進行控制，對應(yīng)的信號線功能如表4-6所示。表4-6FSMC各信號功能Tab4-6ThefunctionofFSMCsignallineFSMC信號名稱信號線功能CLK輸出，時鐘（同步觸發(fā)模式使用）A[25:0]輸出，地址總線D[15:0]輸入/輸出，雙向數(shù)據(jù)總線NE[X]輸出，片選（X=1,2,3,4）NOE輸出，輸出使能NWE輸出，寫使能NWAIT輸入，NOR閃存要求FSMC等待信號當(dāng)FSMC外設(shè)被配置為正常工作模式且外接NORFlash時，向地址0X60000000~0X6FFFFFFF寫入數(shù)據(jù)，F(xiàn)SMC首先產(chǎn)生片選信號選擇液晶控制芯片，然后使用地址線輸出地址，在NWE信號線上發(fā)出寫使能信號，要寫入的信號就從數(shù)據(jù)線輸出，保存在NORFlash中，NORFlash把接受數(shù)據(jù)分配給LCD的液晶單元進行顯示[59]。晶體管類別和測量類型的選擇都需要用到按鍵進行控制，本晶體管圖示儀設(shè)計有四個獨立按鍵，對應(yīng)功能分別為上一個、下一個、確認和返回。按鍵管腳默認為高電平，當(dāng)相應(yīng)按鍵按下時產(chǎn)生對應(yīng)的低電平信號，低電平中斷觸發(fā)信號通過I/O口被STM32微控制器響應(yīng)。STM32通過循環(huán)檢測對應(yīng)管腳的低電平觸發(fā)信號，根據(jù)管腳定義執(zhí)行相應(yīng)功能。1.3場效應(yīng)管測量流程系統(tǒng)初始化完成后，通過按鍵選擇測量場效應(yīng)管特性曲線。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定，通過用戶選擇N溝道和P溝道場效應(yīng)管以及測量轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。由于N溝道和P溝道場效應(yīng)管測量流程相同，只是輸出數(shù)字信號值大小不同，所以本文以N溝道場效應(yīng)管為例，進行介紹。1.3.1轉(zhuǎn)移特性曲線測量流程要得到場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線數(shù)據(jù)，需要將場效應(yīng)管漏-源電壓設(shè)置為常量，增加?xùn)?源電壓和采集漏極電流即可得到場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線。漏-源電壓和柵-源電壓由測量電路產(chǎn)生，根據(jù)公式（3-2）和（3-3）可知電壓和電壓與數(shù)字量為對應(yīng)關(guān)系，作為已知數(shù)據(jù)，只需通過漏極電流采集電路測量電流就能得到場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線。場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線測量流程如圖4-4所示。通過按鍵選擇N溝道場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性測量后，系統(tǒng)對兩路DAC、ADC和繼電器進行初始化設(shè)置包括DAC、ADC傳輸數(shù)據(jù)速率、轉(zhuǎn)換精度，繼電器控制采集電流范圍等。設(shè)置完成后，STM32微控制器控制繼電器選擇輸出電壓和采集電流范圍，發(fā)送數(shù)字信號通過DAC1轉(zhuǎn)換輸出給漏極掃描電壓電路設(shè)置電壓為0V，繼續(xù)發(fā)送數(shù)字信號通過DAC2轉(zhuǎn)換輸出給柵極階梯電壓電路輸出電壓從零步進遞增并記錄，同時通過漏極電流采集電路得到電流通過DAC轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)電流大小的數(shù)字信號，判斷電流是否達到設(shè)定值，若是停止遞增，將電壓記錄值和電流采集值一一對應(yīng)，存至數(shù)組中，否則繼續(xù)遞增并測量電流，直至電流達到設(shè)定值。STM32微控制器對數(shù)組數(shù)據(jù)進行處理和計算，得到對應(yīng)場效應(yīng)管開啟電壓。1.3.2輸出特性曲線測量流程場效應(yīng)管輸出特性曲線數(shù)據(jù)測量方法，將場效應(yīng)管柵-源電壓設(shè)置為一常量，遞增漏-源電壓和采集漏極電流，即可得到一條場效應(yīng)管輸出特性曲線，改變電壓常量值，再遞增電壓和采集電流，即可得到一簇場效應(yīng)管輸出特性曲線。電壓和電壓由測量電路產(chǎn)生，根據(jù)公式（3-2）和（3-3）電壓和電壓與數(shù)字量為對應(yīng)關(guān)系，作為已知數(shù)據(jù)，只需采集電流就可得到場效應(yīng)管輸出特性曲線數(shù)據(jù)。由于輸出特性曲線要求柵極階梯電壓信號與漏極掃描電壓信號周期相等，對應(yīng)關(guān)系如圖4-5所示。先將電壓設(shè)初始值，然后將電壓從零遞增至對應(yīng)類型晶體管的設(shè)定值，期間保持電壓不變，直至電壓達到設(shè)定值，再改變電壓進行下一條輸出特性曲線測量，直到電壓達到設(shè)定值，即可完成場效應(yīng)管輸出特性曲線測量流程。場效應(yīng)管輸出特性曲線測量流程圖如圖4-6所示。通過按鍵選擇N溝道場效應(yīng)管輸出特性測量后，系統(tǒng)對兩路DAC、DAC和繼電器進行初始化設(shè)置包括DAC、ADC傳輸數(shù)據(jù)速率、轉(zhuǎn)換精度，繼電器控制采集電流范圍等。設(shè)置完成后，STM32微控制器控制繼電器選擇輸出電壓和采集電流范圍，STM32微控制器發(fā)送數(shù)字信號通過DAC1轉(zhuǎn)換輸出給柵極階梯電壓電路設(shè)置柵-源電壓初始值（大于開啟電壓），再發(fā)送數(shù)字信號通過DAC2轉(zhuǎn)換輸出給漏極掃描電壓電路輸出漏-源電壓從零遞增至設(shè)定值并記錄，同時通過漏極電流采集電路得到電流通過DAC轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)電流大小的數(shù)字信號，判斷電壓是否達到設(shè)定值，若是停止遞增電壓，增加電壓進行下一條輸出特性曲線測量，否則繼續(xù)增加電壓，最后判斷測量曲線是否達到預(yù)設(shè)次數(shù)，若是停止測量將漏極電壓記錄值和漏極電流采集值與一一對應(yīng)，存至二維數(shù)組中，否則繼續(xù)遞增并測量漏極電流。STM32微控制器對二維數(shù)組數(shù)據(jù)進行處理形成坐標(biāo)點數(shù)據(jù)，通過逐點連線的方法將坐標(biāo)點繪制場效應(yīng)管輸出特性曲線顯示在LCD液晶屏上。1.4三極管測量流程系統(tǒng)初始化完成后，通過按鍵選擇測量三極管特性曲線。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定，通過用戶選擇NPN型和PNP型三極管以及測量輸入特性曲線和輸出特性曲線。由于NPN型和PNP型三極管測量流程相同，只是輸出數(shù)字信號值大小不同，所以本文以NPN型三極管為例，進行介紹。1.1.1輸入特性曲線測量流程要得到三極管輸入特性曲線數(shù)據(jù)，需要先將三極管集電結(jié)電壓設(shè)置為常量，增加發(fā)射結(jié)電壓同時采集基極電流即可得到三極管輸入特性曲線。對于本系統(tǒng)采用增加電流同時測量電壓的方法測量三極管輸入特性曲線。電流由基極階梯電流電路產(chǎn)生，根據(jù)公式（3-8）電流與數(shù)字量為對應(yīng)關(guān)系，作為已知數(shù)據(jù)，只需測量電壓就能得到三極管輸入特性曲線。通過按鍵選擇NPN型三極管輸入特性測量后，系統(tǒng)對一路DAC、ADC和繼電器進行初始化設(shè)置。設(shè)置完成后，STM32微控制器先通過，通過集電極掃描電壓電路輸出電壓從零遞增并記錄，同時通過集電極電流采集電路得到基極電流，判斷基極電流是否達到設(shè)定值，若是停止遞增，將電壓記錄值和電流采集值一一對應(yīng)，存至數(shù)組中，否則繼續(xù)遞增直至達到預(yù)設(shè)值。STM32微控制器對數(shù)組數(shù)據(jù)進行處理和計算，得到對應(yīng)三極管開啟電壓。1.1.2輸出特性曲線測量流程三極管輸出特性曲線測量流程與場效應(yīng)管輸出特性曲線測量流程類似，要得到三極管輸出特性曲線數(shù)據(jù)，先將三極管基極電流設(shè)置為常量，遞增集電極電壓并采集電極電流，即可得到一條三極管輸出特性曲線，改變基極電流，再遞增電壓并采集集電極電流，即可得到一簇三極管輸出特性曲線。基極電流和電壓由測量電路產(chǎn)生，可知電流和電壓已知，只需采集集電極電流就可得到三極管輸出特性曲線。對于三極管輸出特性曲線要求基極階梯電流信號與集電極掃描電壓信號周期相等，對應(yīng)關(guān)系和場效應(yīng)管輸出特性曲線相似，只是將柵極驅(qū)動電壓改為基極驅(qū)動電流。通過按鍵選擇NPN型三極管輸出特性測量后，系統(tǒng)對兩路DAC、ADC和繼電器進行初始化設(shè)置。設(shè)置完成后，STM32微控制器先通過基極階梯電流電路設(shè)置基極電流初始值，再驅(qū)動集電極掃描電壓電路輸出電壓從零遞增至預(yù)設(shè)值并記錄，同時通過集電極電流采集電路得到集電極電流，判斷電壓是否達到設(shè)定值，若是停止遞增增加基極電流進行下一條輸出特性曲線測量，否則繼續(xù)增加電壓，最后判斷測量曲線是否達到預(yù)設(shè)條數(shù)，若是停止測量將電壓記錄值和電流采集值與一一對應(yīng)，存在二維數(shù)組中。STM32微控制器對二維數(shù)組數(shù)據(jù)進行處理和計算，得到對應(yīng)三極管共射電流放大系數(shù)和極間穿透電流。1.5二極管測量流程系統(tǒng)初始化完成后，通過按鍵選擇測量二極管伏安特性曲線。要得到二極管伏安特性曲線數(shù)據(jù)，增加二極管兩端電壓同時采集二極管電流即可得到二極管伏安特性曲線。二極管兩端電壓由集電極掃描電壓電路產(chǎn)生，根據(jù)公式（3-3）電壓與數(shù)字量為對應(yīng)關(guān)系，作為已知數(shù)據(jù)，只需通過集電極電流采集電路采集二極管電流就能得到二極管伏安特性曲線。二極管伏安特性曲線測量流程圖如圖4-7所示。通過按鍵選擇二極管伏安特性曲線測量后，系統(tǒng)對一路DAC、ADC和繼電器進行初始化設(shè)置。設(shè)置完成后，STM32微控制器通過集電極掃描電壓電路驅(qū)動二極管兩端電壓從零遞增并記錄，同時通過集電極電流采集電路得到二極管電流，判斷二極管電流是否達到設(shè)定值，若是停止遞增，將二極管兩端電壓記錄值和二極管電流采集值一一對應(yīng)，存至數(shù)組中，否則繼續(xù)遞增直至達到預(yù)設(shè)值。1.6數(shù)據(jù)處理采集的電流和電壓數(shù)據(jù)打包成的二維數(shù)組只是原始數(shù)據(jù)，需要通過STM32微控制器進行數(shù)據(jù)處理和計算，根據(jù)待測晶體管類型不同，數(shù)據(jù)處理方法也不同，分為晶體管開啟電壓、三極管共射交流電流放大系數(shù)和三極管極間穿透電流。1.6.1晶體管開啟電壓晶體管開啟電壓是指在晶體管兩端施加電壓，施加電壓達到一定值時晶體管開始導(dǎo)通時的電壓值[60]。晶體管開啟電壓數(shù)據(jù)處理流程如圖4-8所示。對于晶體管開啟電壓，本文用采集電流大于1mA所對應(yīng)的驅(qū)動電壓值作為開啟電壓。通過對采集數(shù)據(jù)打包形成的二維數(shù)組進行尋址判斷電流值大于1mA所對應(yīng)的電壓值進行賦值輸出。1.