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基于51单片机的晶体管特性测试系统的设计

基于51单片机的晶体管特性测试系统是一种利用经典51系列单片机作为控制核心，对晶体管（如双极型晶体管BJT或场效应管FET）的电学特性进行自动测试与分析的电子测量系统。该系统通过硬件电路与软件控制相结合，实现对晶体管关键参数如电流放大系数β、基极发射极电压VBE、饱和压降VCE(sat)、截止频率等的测量，并可通过液晶显示屏或上位机界面直观显示测试结果。

系统主要由51单片机、恒流源模块、电压扫描模块、信号采集模块、A/D转换模块及人机交互模块组成。单片机通过控制电压扫描模块对晶体管施加不同偏置电压，采集模块则获取晶体管在不同工作状态下的电压和电流信号，经A/D转换后送入单片机进行数据处理与分析，最终实现对晶体管输入输出特性的绘制与关键参数的提取。

（南京信息工程大学电子与信息工程学院南京210044）

摘要：介绍一种基于AT89S52单片机的晶体管特性测试系统的设计原理。详细说明该系统的基本原理、硬件框 架、主要电路以及软件框架。整个系统采用模块化设计，较精确的对晶体管交直流放大特性参数、输入/输出特性曲线 和频率特性进行测量。本系统具有性能可靠、抗干扰能力强、功耗低、性价比高等优点。 关键词：晶体管：特性测试：数控频率源：A/D转换 中图分类号：TM930.2文献标识码：B

ZhangYinsheng Shan Huilir

Abstract : This paper introduces the design of the transistor characteristic test system based on MCU (A T89S52) . The system described in detail the basic principles of the framework of hardware ,software ,as well as the main framework of the circuit. The design is used to accurately messure to the AC and DC enlargement factor,the input and output characteristic and frequency characteristics. Keywords :transistor: characteristic test; numerical control frequency source:A/D transformation

目前市场上存在多种晶体管特性图示仪，用于观察及 测量晶体管各种输入输出特性，其性能较好、精度较高，但 这些仪器一般采用模拟电路制作，制作复杂，而且价格昂 贵。部分小型的晶体管特性图示仪采用数字电路制作 价格低廉，但测量精度较低，而且测量的参数种类较少，一 般只能测量输出特性）。本文所介绍的晶体管特性测试 系统各组成部分采用通用的集成芯片实现，制作相对简单 且成本较低，使用也很方便，并且能够对频率特性进行 测量。

整个系统的框架如图1所示，系统的测试对象主要包 括晶体管输入输出特性曲线、频率响应特性、交直流放大 倍数等特性参数。本系统的控制及数据处理属于中等复 杂程度，采用8位单片机AT89S52就可以满足系统要求。 系统的输入输出特性测量和频率特性测量部分各使用 片单片机控制。 数控电流源接在晶体管的基极，数控电压源接在发射 极与集电极两端。数控电流源在单片机1的控制下产生 逐渐增大的基极电流数控电压源在单片机1的控制下产

生逐渐增大的集电结电压U。。在进行晶体管输入特性测 量时，先固定U。为一定值，然后从0开始逐渐增大基极电 流。A/D转换器通过测量电路来检测U。，将A/D转换的 数据存储并处理后输出到显示电路。在测量晶体管输出 特性时，数控电流源在单片机1的控制下产生一定频率的 阶梯电流，数控电压源在单片机1的控制下产生一定频率 从0～20V的扫描电压。提取表征集电极电流1的电压 给示波器Y轴显示输出特性曲线

图1晶体管特性测试系统总框图

在测量频率特性时，数控频率源在单片机2的控制下 产生频率逐渐增大的交流信号。此交流信号接入由待测 晶体管和辅助电路组成的基本阻容耦合共射放大电路。 将放大电路的输出与输入信号分别接入示波器的Y1和 Y2通道。通过示波器显示的波形来测量交流放大倍数的 变化及相位特性。当放大倍数降低至一定程度时由频率 显示部分读出共射截止频率。数控频率源可以产生多种 波形，可以通过运行不同的波形产生程序来对晶体管的各 种频率性能进行测量，这是本系统的特点之一，可以通过 只改变程序来实现各种信号波形的测试功能。在对不同 参数和管型测量时，系统采用相应的模式转换开关使硬件 电路工作在对应管型的待测模式。

数控电流源采用了D/A转换芯片DAC0832，在电路 中采用了CMOS电流开关和控制电路，从而达到较低的功 耗和较低的输出漏电流误差，利用单片机即可控制其工 作。数控电压源是在DAC0832基础上，在其输出端加接 OPA27，将电流信号变换成电压输出就实现可控电压源 其后再接相应的运放实现双极性可控电压

如图2所示，采用DDS芯片AD9852形成单片机控制 的DDS实用电路。由于AT89S52采用CMOS工艺，供 电电压是+3.3V，存在TTL电路和CMOS电路的电平转 换问题，应用Philips的74LVT245B实现+5V电源下的 逻辑电平到+3.3V逻辑电平的转换。DDS数控频率源 具有带宽较宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位 连续、控制灵活方便等方面的特点。

图2数控频率源的系统框图

银胜等：基于51单片机的晶体管特性测试系统

频率特性测量电路如图3所示，将示波器的两个通道 Y1、Y2接到电路上就可以实现晶体管频率特性的测量 DDS数控频率源在程序控制下产生频率逐渐增大的正弦 信号，通过示波器观察晶体管的交流放大特性，在放大倍 数减小到一定程度时，在DDS数控频率源的LCD上读出 晶体管共射截止频率。通过DDS数控频率源的键盘可以 更改测试频率和波形，进而可以对晶体管的频率特性作比 较全面的测试。

图3频率特性测试电路原理图

系统显示部分采用LCD，输入输出特性测试部分使用 点阵图型LCD，频率特性测试部分使用字符 型LCD。频率特性测试部分的显示电路采用直接访 问方式连接。在点阵图型LCD显示中，采用HD61202 液晶显示驱动器直接与8位微处理器相连接，也可与 HD61203配合对液晶屏进行列、行驱动。

系统程序主要由初始化程序、中断服务程序、按钮控 制程序、显示程序、接口扩展程序等组成。输入输出特性 测试的软件设计关键是基极阶梯电流产生部分和集电极 扫描电压产生2部分，由两个定时器中断服务程序来完 成。基极阶梯电流产生部分由定时器0来完成，流程图如 图4所示，定时器0的输出频率为500Hz×8级，以 12MHz晶振计算，每隔1/4000s就需要更新一次输出，其 定时间隔为250us。集电极扫描电压的产生由定时器1来 完成，定时器1产生的锯齿波是从0V开始连续变化的，当 到达所设定的最大值时.又从0V重新开始输出。同时

由于定时器1的输出频率比较高，如按每周期锯齿波输出 50个数字量来计算，定时器1每秒输出次数为500Hz× 8级×50。采用12MHz晶振时，每隔5us就需更新一次 为了节省时间，定时器1采用自动重装模式，其定时间隔 为5口s。设定定时器1的输出数字量为从128开始到255 （对应的扫描电压的大小从0～20V），然后再从128开始 循环即可

图4中断服务程序流程图

输出特性曲线通过LCD显示的设计与通过示波器显 示测试原理及电路相同，但扫描电压频率不同，ADC0809 的转换速度比DAC0832慢，所以在程序设计上要降低扫 描电压的频率，频率需要降低20倍以上。 数控频率源的程序流程如图5所示。设置AD9852为 串口工作方式，通过查询键盘按键的被按情况来确定输入 的频率控制量（具体的频率值、频率步进值、波形），通过查 表及计算处理后控制AD9852送出相应频率的波形，通过 显示程序显示频率值及波形代码

各级管理人员安全生产责任制图5数控频率源软件流程图

输入特性测量中，其输出电流为：lout1=（Ve/Ra） Dx/256），R为15kQ，计算出最大输出电流约为 D.33mA.因此通过控制数字量D、的大小就可以得到所需

的电流，D.在单片机控制下可由0开始逐渐加1直至255。 发射结压降U跟随控制电流变化，变化范围约为0.6～ 0.8V。单片机通过ADC0809获得一组发射结压降U跟 随控制电流变化的数值，存入内存单元，处理后将数据送 给显示电路输出，得到输入特性曲线。 输出特性测试中.阶梯电流产生电路由AT89S52控 制DAC0832产生每秒500Hz的8级阶梯电流做为基极电 流，扫描电压产生电路由AT89S52控制另一个DAC0832 来产生每秒500Hz×8级（即4000Hz）的锯齿波，确保两 个DAC产生的波形在每个周期开始时同步。示波器的X 通道时间档位选择50μs/div。测量中可将集电极电流L 用发射极电流1来代替，则可在1回路上接一个取样电阻 R。，其电压降等于LR，这个电压便直接反映了L即I的 变化。为了提高精度对这个电压进行10倍放大，此倍数 不会使待测电压超过A/D转换器的量程。放大后的电压 信号通过接示波器Y通道显示。 为确认系统的测量精度，这里对一些常见的NPN管 (9013、3DG6C及BD241）及PNP管（9012、TIP112及 2SD1445）进行了测试。通过四位半数字万用表检验系统 的电流、电压的测量精度，并对本系统测出的值与北方思 源的QT2晶体管特性图示仪测量结果进行比较，测试结果 表明：在测试低频中小功率三极管时，在选定L=10UA及 20uA时，放大倍数测量误差较小，均在2%以内，在非饱 和情况测试下，L选择适中时误差最小，数据处理后通过 LCD显示输出特性曲线中间部分非常理想，和理论输出特 性曲线误差极小，测量的截止频率误差在5%左右。测量 高频小功率三级管（3DG6C)时，误差稍微增大，但频率特 性测量较好。测量大功率三极管（BD241和2SD1445）时 输入输出特性误差明显增大，达到3%～8%。综合分析系 统在测量中小功率的三极管的输入输出及频率特性测量 精度较高?