《电气工程及其自动化课题》
实习报告
题目：基于虚拟仪器系统的晶体管的输出特性测量 专业：电气工程及其自动化 姓名：李玉武 学号：65130632
2016年8月
一、研究目的及意义
在电子产品中，和电阻、电容、电感一样，一般用于信号的放大、转换等作用半导体有源器件也是电路中基础的组成部分之一。随着现代科技的迅猛发展，半导体有源器件逐渐大规模集成化、复杂化，其形式和用途更加广泛。从人们日常生活中的手机、个人电脑和电视，到专业实验室仪器、工业化生产以及国防设备等，都离不开半导体有源器件。晶体管、MOS管、场效应管作为半导体器件中重要组成部分，它们的精确使用是科研人员重视的问题。面对种类繁多，功能各异的晶体管、MOS管，科研人员为了满足需求，需要用到专用仪器设备检测其特性参数，根据检测结果筛选使用。
由于传统概念的测量中，所采用的仪器大多是实物，它们自成体系，具有刻度盘、旋钮、开关等固定的用户面板，缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集与数据处理十分困难。而且传统仪器的体积庞大，对多种数据进行测量时，常常感到很困难，更无法满足快速发展的今天。
面对高额的测试成本，庞杂测试系统的实际情况下，传统仪器的测量显得力不从心。在研究、开发阶段，技术责任单位不仅需要用高性能的测试设备来检查其设计是否达到技术规格书上的要求，而且还要确定设计的安全裕量是否足够；在生产阶段，对测试系统的主要要求是易于使用和测试快捷。这可能使用户的测试投资难于得到有效的回报。因此我们需要对测量的传统概念进行创新。
基于虚拟系统的半导体有源器件特性测量有别于传统测量方法，能实现高度集成化，对半导体有源器件一站式解决。它不仅能实现对不同的晶体管、MOS、场效应管的特性测量，还能直接通过虚拟系统的分析以特性曲线的方式直观的显示。它将大大简化测量的繁琐性。
二、任务内容及要求
第一周任务
理解所测器件（二极管、三极管、场效应管）原理及基于其工作原理列出系统应该具备的功能 ●理解二极管的正向导通性即正反向偏执伏安特性及掌握其测试方法； ●理解晶体管的工作原理，掌握测试其输出特性曲线及放大倍的测量方法 ●列出系统在运行时所需显示的相对应的特性曲线及参数 第二周任务：
软件单元设计：集极阶梯波发生器
●基极阶梯波形设计：阶梯电压范围及转化成相应电路所需阶梯电流的范围及阶梯数和发射频率的设定 第三周任务
硬件：测试平台、外围测试电路
●外围电路设计：合理设计被测二极管或晶体管的外围连接线路保证器件能够正常安全运行，并且满足被测所需的参数配置要求 第四周任务
调通：使整个系统模块完整有效的工作并优化
●检测整个系统的可行性，确保二极管和晶体管在其额定范围内正常工作 ●系统具有完备的测试功能，能够精确测试出被测器件的特性 第五周任务
成技术文档、研究报告 ●设计实验指导书：晶体管
三、实现过程
1、晶体管特性图示仪软件部分： （1）、阶梯波的设计； （2）、集电极扫描电压的设计； （3）、图示仪面板的设计；
在编程中需要注意频率和幅值的设定，制作图示仪过程中需要注意通道的设定； (1)集电极扫描电压,其波形是正弦半波波形,幅值可以调节, 用于形成水平扫描线.(2)基极阶梯电流信号,其阶梯的高度可以调节,用于形成多条曲线簇.(3)同步脉冲,使扫描发生器和阶梯发生器的信号严格保护同步.
2、C9018三极管主要参数： 集电极-基极反向击穿电压BVCBO=30V 集电极-发射极反向击穿电压BVEBO=15V 发射极-基极反向击穿电压BVEBO=5V 最大集电极电流ICM=50mA 最大耗散功率PCM=400mW 最高结温TJ=150℃
贮存温度范围TSTG=-55~150℃ 直流放大倍数HFE=28~200
3、硬件部分
阶梯电压在接入晶体管的共基极端时，要在基极前面加一个电阻，一方面可以将阶梯电压转换为电流，另一方面可以保护晶体管防止晶体管被击穿；通过信号发生器把阶梯电压和集电极扫描电压两个信号同时发给晶体管，然后将数据采集卡的采集以后得到集电极电流的数据传输到PC端与集电极电压合成显示出晶体管的特性曲线。
四、测试分析与结论
虚拟仪器技术是以计算机为核心测试测量仪器各种参数特性的技术，以计算机为硬件搭建平台，模块化功能硬件和高效的软件软硬完美结合的测试系统，完成对各种电子器件的测试测量。
电子测量技术是指对电子技术中各种参量进行测量的技术，主要包括能量测量，电路参数测量，信号特性测量，电子设备性能的测量以及电路特性曲线的测量等。传统的方法就是通过各种仪器仪表测量，而以采用虚拟仪器技术方案设计的电子测量仪器更适合如今高效的科学时代。虚拟电子测量仪器多种多样，如模拟信号发生器，虚拟示波器，虚拟频谱分析仪，虚拟电路测试仪等.本文着重介绍了以虚拟示波器，虚拟图示仪以及以相对应的USB数据采集卡为连接枢纽的测量有源电子器件的输出特性的虚拟仪器测量子系统。
如图1.6所示，该虚拟仪器测量子系统主要包括被测对象（有源电子器件），虚拟信号发生器，外围电路，数据采集卡以及PC主机平台。
图 1.6 本文中的整个测量子系统是以PC主机为硬件搭建平台，在兼容于之前的虚拟电子测量系统的条件下的新增测量模块。
①被测对象：即本文中的研究目标有源电子器件，其中以晶体管，场效应管，MOS为主要研究对象。
②信号调理：为了满足测量有源电子器件的输出特性（以晶体管和场效应管为例）的要求，需要特定的阶梯波形。阶梯波形的产生需要对原始信号进行放大、隔离、滤波、激励、线性化以及时域和频域的转换得到。
③数据采集系统硬件设计：基于兼容之前数据采集系统新增加用于采集有源器件输出信号特性的USB数据采集卡。
④虚拟图示仪构建：以虚拟仪器软件开发平台Lab View为工具构建的有源器件输出信号特性测量的虚拟仪器，该图示仪通过直观明了的图形显示被测对象的输出特性，同时又具备数字化的高精度的特点。
各个模块通过有机的连接在一起，灵活便捷的特点使得测量有源电子器件的输出特性更加简单经济。被测器件通过外围电路与数据采集卡连接，数据采集卡通过嵌入式方案与整个测量系统平台兼容，测量系统通过USB总线的统一化设计方案通过USB接口与电脑主机平台相连接。整个构成了一个完整的测量有源电子器件输出特性的虚拟电子测量系统。 解决的关键问题、重点和难点
①虚拟信号合成（阶梯波形）。
Lab VIEW虚拟平台提供的基本信号源有正弦波、方波、锯齿波和三角波。如图1.7所示，从基础信号到目标信号需要经过一系列的算法处理。其中算法处理包括Expre Numeric子模板的数字逻辑运算和Time Domain Math模块的时域分析运算。最终所得到的目标信号如图1.8所示的阶梯波形图。
图1.7
图1.8阶梯波形图
②数据采集系统硬件原理设计及模块兼容性。
该模块主要由模拟信号量采集模块，A/D转换模块，USB数据传送模块组成。 被测对象输出的信号经过模拟量接口电路采集后，经A/D转换成数字信号，通过激励控制电路、缓冲存储电路等一系列模块电路后传送到USB接口电路，在电源控制电路的作用下通过USB接口传送到PC主机。其中USB接口负责PC硬件平台与数据采集模块的有效连接，即数据采集卡与整个虚拟仪器系统的无缝兼容。
经过以上的分析，我们确定如下的研究思路:学习研究国内外一些基于虚拟仪器晶体管特性测量的图示仪的工作原理理论分析，即对现有测试方法提出其缺陷并在理论上弥补其不足之处；软件模拟，即通过软件设计仿真电路的工作步骤，确保电路和程序的正确性和可行性；实际验证，把设计好的电路经过加工和完善，显示出图形，并进行验证；改进设计，即通过实际测试获得的数据改进电路和程序，直到得到的数据能正确完整地反映输出特性测试图；数据处理，即通过分析数据，设计最佳的数据处理方案，编写数据处理软件；优化电路，使系统获得最佳的性能和准确性。整个工作的流程如下：
实施计划与技术路线：
1.首先熟悉自己负责的工作必要预备的理论知识，学习PCB软件及硬件电路模拟调试等软件。
2.对大创项目进行系统化的理论分析，并提出进一步的设计方案，设计方案主要包括：通过比较现有市场的A/D芯片的优缺点并结合项目需要，完成A/D模块理论化设计方案及USB接口模块、模拟量接口电路模块的芯片选择与电路设计。初步构建项目所需的硬件电路模块及软件设计方案。
3.对于初步构建项目的硬件电路进行软件仿真，根据软件仿真结果再对现有的设计方案进行进一步修改。通过反复设计方案的修改与仿真，最终确定项目设计的最优方案。
4.根据软件仿真得到的最优设计方案，在对硬件电路的各个模块进行构建的同时再对软件进行设计与编程，最后使软件与硬件结合并调试。
5.对晶体管、MOS管及场效应管在已经搭建好的仪器进行测试并得到测试数据。将所得测试数据与标准数据进行对比，并分析误差及原因。根据分析结果对仪器进行进一步的优化。
在大创项目进行过程中，对于所遇到的技术问题及困难，小组三人共同思考解决方案，并指导老师进行交流与探讨。
图1.9 ③Lab View虚拟平台下图示仪控制面板的设计及构建。
面板开发窗口如图2.0所示。面板既接受来自框图程序的指令，又是用户与程序代码发生联系的窗口。这个窗口模拟真实仪表的面板，用于设置输入和观察输出，输入量称为控件（Controls），输出量称为指示器（Indicators）。当把一个控件或指示器放到面板上时，框图中相应地放置一个端子（Terminals），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，创建和传统图示仪一模一样的控制面板。
图2.0面板开发窗口
最终设计的面板如图2.1所示，该虚拟图示仪在具备传统图示仪形象直观明了的特点的同时又兼有测量电子器件所需的高精度要求，最大化满足测量系统所需要的标准。
五、存在问题：
1、不能同时发出将阶梯电压和集电极扫描电压两路信号作用到晶体管上面
2、在调试过程中，设定电压的大小及电阻阻值调节；
3、在实验箱中的数据采集卡不能准确的采集实验所需的数据；
六、心得体会
通过这次实习我认识到了自己的不足，每天都在忙碌，这次实习我初步认识到了虚拟仪器的相关知识，从虚拟仪器中我有开阔了自己的眼界，感觉自己每天都过的特别充实，从不知道怎么用labview程序编程到自己可以独立的编出一些小程序，都会接触新的知识，并且学会都会有一些成就感，感谢我的队友一直耐心的帮助我，感谢老师对我们指导非常感激，通过实习觉得自身实力提高了很多，锻炼了很多，希望自己可以一直这样下去。 主要参考文献及出处：
[1] 赵中义著.半导体管特性图示仪原理、维修、检定与应用[M].北京:电子工业出版社,1994.[2]傅建国,王孝通,马野,等.自主姿态测量最优算法研究「J」.航空学报,2005,26(5):594一597.[3]刘越,王涌天,胡晓明.测量运动物体姿态的三自由度度算法的研究仁JJ.计算和测量与控制,2002,10(6):363-365.
