應用于晶體管圖示儀的CPLD控制器設計

晶體管圖示儀是電路設計中常用的電子儀器，它能夠顯示晶體管的輸入特性、輸出特性和轉(zhuǎn)移特性等多種曲線和參數(shù)。它不僅可以測量晶體二極管和三極管，還可以測量場效應管、隧道二極管、單結(jié)晶體管、可控硅和光耦等器件。但傳統(tǒng)的晶體管圖示儀存在著電路復雜，體積龐大，示波管的顯示屏小，功耗大，價格昂貴等缺點。隨著計算機軟硬件技術(shù)、單片機技術(shù)和EDA技術(shù)的不斷發(fā)展及其在電工電子測量技術(shù)的應用，晶體管圖示儀在結(jié)構(gòu)、工作原理和功能上發(fā)生很大變化，成為數(shù)字化和智能化的虛擬儀器。本文設計的晶體管圖示儀就是這樣一種新型儀器，除改善了原有儀器不足之外，還擴展了儀器功能，具有圖形保存，數(shù)據(jù)處理，界面顯示靈活，可操作性強，性能價格比高等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
1．1 傳統(tǒng)晶體管圖示儀結(jié)構(gòu)及工作原理
在傳統(tǒng)的晶體管圖示儀中，各模塊單元完全由模擬電路和脈沖數(shù)字電路組成，屬于全硬件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它主要包括階梯電流發(fā)生器、掃描電壓發(fā)生器、垂直放大、水平放大和示波管等。圖中W是負載電阻，R是電流采樣電阻，T是被測三極管。所謂三極管輸出特性曲線是：在基極電流不變的條件下，集電極電壓和電流之間的關(guān)系。在測量三極管輸出特性曲線時，階梯電流發(fā)生器對T的基極施加階梯電流信號，在階梯電流的每一個臺階時間內(nèi)，掃描電壓發(fā)生器對T的集電極回路施加掃描電壓。掃描電壓是50 Hz交流電經(jīng)整流得到。T的集電極電流在采樣電阻R上的壓降(代表集電極電流)經(jīng)垂直放大后加到示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上，T的集電極電壓經(jīng)水平放大后加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上。當施加的階梯電流和掃描電壓周期性地重復出現(xiàn)時，三極管輸出特性曲線就可以顯示在示波管上。

1．2 本圖示儀結(jié)構(gòu)框圖
本圖示儀的構(gòu)成見圖2。與圖1相比不同的是：“垂直放大”、“水平放大”和“示波管”取消了，其功能由上位機承擔；同時增加了單片機、CPLD、存儲器和A／D轉(zhuǎn)換器等部件，組成數(shù)據(jù)采集電路。工作時上位機向單片機發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，單片機通過階梯電流發(fā)生器對T的基極施加階梯電流信號，通過掃描電壓發(fā)生器對T的集電極回路施加掃描電壓；與此同時，CPLD控制器控制A／D轉(zhuǎn)換器和存儲器快速采集和存儲電壓電流數(shù)據(jù)。當存儲器數(shù)據(jù)存滿后，CPLD控制器向單片機發(fā)出采集結(jié)束信號，單片機再將存儲器中的數(shù)據(jù)通過串口傳送到上位機進行處理和顯示。一個完整的圖形需要多次這樣的過程才能實現(xiàn)。

該系統(tǒng)若不使用CPLD和存儲器等器件也可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，但由于單片機工作速度相對較慢，在有限時間(掃描電壓的上升段，5 ms)內(nèi)采集的點數(shù)較少，曲線不夠準確。使用了CPLD和存儲器之后，采得的點數(shù)密集，曲線更加真實。本系統(tǒng)的關(guān)鍵是設計CPLD控制器，以解決單片機、存儲器和A／D轉(zhuǎn)換器之間的時序配合關(guān)系。