晶体管特性图示仪作为一种可通过屏幕观察和测试半导体管特性曲线和直流参数的测量仪器，具有动态性好、实时跟踪、特性显示直观等优点。随着测试技术、微控制器技术及虚拟仪器技术的进步，出现了以微控制器或数据采集卡作为下位机实现数据采集，在PC实现数据存储、显示等功能的数字式晶体管图示仪，其具有数据显示直观、测试结果精确、分析功能强大等优点[1]。但此类图示仪需要借助PC、并采用有线方式传输数据。

　　2008年Google公司推出Android移动终端平台，目前基于Android的智能手机稳居市场份额第一，且其性能远超早期PC。有鉴于此，及针对数字式晶体管图示仪存在的问题，本文提出了一种基于Android平台，通过蓝牙技术实现无线传输的晶体管特性图示仪方案。该方案中，以最新的性能卓越的Cortex-M0+微控制器为下位机核心，实现晶体管特性曲线测量数据的采集，并通过蓝牙模块向Android 移动终端上传数据，采用智能手机代替PC作为上位机，完成测量数据的存储、显示、分析等功能。

1 基本原理及系统框架

　　1.1 晶体管特性曲线测量原理[2]

　　晶体管共发射极输出特性曲线是描述基极电流IB为一常量时，集电极电流iC与集电极和发射极之间的电压uCE之间的函数关系，即：

　　对于每一个确定的IB，都有一条确定的曲线与之对应，因此当IB改变时，相应的曲线亦随之变化，进而输出特性是一组曲线。

　　以NPN型晶体管共发射极输出特性曲线为例，其测量原理如图1所示。在基极施加阶梯电流的同时，在集电极施加锯齿波扫描电压，并确保当IB恒定为一个值时，集电极电压完成一个周期的扫描变化。这个变化周期由195个小阶梯组成，在每个小阶梯周期内，通过A/D转换电路测量集电极负载电阻上的电压，从而以计算出集电极电流iC作为纵坐标，以测出的集-射电压uCE作为横坐标，这样就可以确定输出特性曲线上的一个点，进而一个集电极电压扫描周期就可以画出一条晶体管输出特性曲线[3]。

　　1.2 系统框架

　　整个系统的框架如图2所示。晶体管输出特性图示仪主要由电源模块、控制面板、基极阶梯波电流发生器、集电极扫描电压发生器、测量电路及蓝牙通信模块等构成。当进行晶体管输出特性测量时，基极阶梯波电流发生器在主控制器作用下依次为基极提供5 A、10 A、20 A、30A、35 A和50 A的阶梯电流，在每一个基极阶梯电流期间，集电极扫描电压发生器为集电极提供0～20 V阶梯变化(见前述)的扫描电压，并且在每个扫描周期内实现195组iC～uCE数据所需的A/D转换、计算等数据采集处理工作，同时通过蓝牙模块将测量数据传输给Android智能手机，进而实现输出特性曲线的显示、分析及管理。

2 系统硬件设计

　　2.1 Cortex-M0+主控芯片

　　主控制芯片采用Freescale公司基于Cortex-M0+处理器的Kinetis L系列的微控制器MKL25Z128(简称KL25)。Kinetis L系列MCU特别适用于价格敏感、能效比相对较高的领域，是8/16位MCU应用领域的理想升级换代产品。KL25微控器主要特点有：CPU工作频率为48 MHz；具有128 KB片内Flash、16 KB片内RAM、64 B Cache；具有DMA、UART、SPI、IIC、TSI、16位ADC、12位DAC等模块。

　　2.2 基极阶梯波电流发生器

　　基极阶梯波电流发生器为晶体管输出特性曲线的测量提供工作基础，其性能的好坏至关重要。从图3可知，基极阶梯波电流发生器电路由电压基准、极性转换、V/I转换3部分电路组成。基准电路中的R1、R2分别为精度1%以内的100 k、10 k的电阻，通过二者的分压为V/I转换电路提供基准电压(Ui=0.455 V)。虚线框中的极性转换电路是为了测量NPN和PNP管时改变输出极性而设的。当对NPN管进行测量时， MAX-S1闭合，MAX-S2断开，基准电压直接加至V/I转换电路；当对PNP管进行测量时，MAX-S1断开， MAX-S2闭合， 基准电压经反相后变为负电压加至V/I转换电路。MAX-S1、MAX-S2为MAX4602内部的2路电子开关，MAX4602是一款导通电阻仅为2.5 Ω的CMOS模拟开关，内部有4个常开开关，具有低功耗、小尺寸、可靠性高等优点。

　　运算放大器A3、A4，电阻R6～R9(均为10 k)及数字电位器RW1构成了典型的电压-电流转换电路。经过简单计算可知[3]：

　　显然，当Ui保持恒定时，只要RW1保持恒定，由于A4的隔离作用，IB就保持恒定，而与UBE的大小无关。若改变基极电流IB，只需要改变数字电位器RW1的阻值即可实现。MCP42100是一款具有256个抽头的双100 kΩ的数字电位器，与MCU 通过SPI口相连，操作十分方便，具体使用方法可参考文献[4]。

　　2.3 集电极扫描电压发生器和测量电路

　　集电极扫描电压发生器由D/A模块、极性转换、功率放大等电路构成。主控芯片KL25片上提供1个12位的DAC模块，可用来产生阶梯电压，当阶梯步长取21时，可提供195梯阶梯电压。由于DAC模块最大输出电压仅为3.3 V，而集电极扫描电压一般不低于20 V，因此需要对DAC输出电压进行功率放大。极性转换电路与基极阶梯波电流发生器中的相应电路原理、功能基本相同，为此不再赘述。

　　测量电路的功能是实现测量电压的极性转换和信号调理，使之满足A/D转换时对极性和幅度的要求。0～20 V间阶梯变化的集电极扫描电压无法直接送至KL25的ADC模块，经调理后，电压变化范围为0～2 V，鉴于KL25高达16 bit的A/D转换精度，并不会降低采样电压的分辨率。

　　2.4 蓝牙通信模块设计

　　蓝牙技术作为一种非常流行的低成本、短距离的无线通信技术，能够有效地简化固定与移动设备、移动设备之间的通信连接。选用的BLK-MD-BC04-B蓝牙模块只需配备少许外围元件，就能实现所有功能。本设计中仅需将TXD端、RXD端依次连接到主控制器KL25的PTA19端、PTA18端即可。

3 系统软件设计

　　3.1 下位机软件

　　晶体管特性图示仪下位机测量软件除主程序外，还主要包括基极阶梯波电流产生、键盘控制、集电极扫描电压生成、数据测量及蓝牙通信等子程序模块。图4为测量主程序流程图。主控制器上电后，系统初始化：设定内部功能寄存器、I/O口等初始值，MAX4602、MCP42100初始状态，蓝牙模块初始化等；调用键盘控制模块查询系统功能设定模式；测量时，依次调用基极阶梯波电流产生、集电极扫描电压生成、数据测量等相关子程序实现1条输出特性曲线测量；基极阶梯波电流产生子程序依次输出6组电流，从而完成1组输出特性曲线的测量；最后调用蓝牙传输子程序完成测量数据向Android手机的上传。

　　3.2 蓝牙数据传输

　　蓝牙数据传输通常不支持自动连接，在开始传输数据之前需对蓝牙进行手动连接。蓝牙设备之间的数据传输主要分为6个步骤[5]：(1)打开蓝牙；(2)搜索蓝牙设备；(3)获取蓝牙设备；(4)创建客户端蓝牙Socket；(5)创建数据流，进行传输；(6)关闭蓝牙。鉴于蓝牙占用系统较多的资源，故设计若5 min内无数据传输，将自动断开蓝牙连接，以节约系统资源，同时节省电量。

　　3.3 特性曲线显示实现

　　Android系统釆用改良的2D向量图形处理函数库Skia来实现字型、坐标转换以及点阵图等的显示。主要有如下几步[6]：(1)构建一个自定义的画波形的视图类；(2)获取Canvas画布，每一个视图类都提供一个Canvas画布，其可以直接从视图类中获取；(3)获取Paint画笔，画笔类是Paint，通过该类可以设置画笔的风格、颜色、属性等；(4)线段绘制和文字绘制，通过Canvas提供的线段绘制方法drawLines和文字绘制方法drawText，就可以绘制想要的线段和文字了；(5)调用自定义View的onDraw方法，把所绘制的图形显示在屏幕上。

4 测试结果

　　分别利用优利德UT56数字万用表、上海新建XJ4828晶体管图示仪及本文设计调试好的晶体管特性图示仪，依次对4种不同型号晶体三极管测量hFE值进行比较，其结果如表1所示。三者测得的hFE值相近，说明本图示仪的测量值是可靠的。

　　图5为利用本文设计的晶体管特性图示仪测量的9013晶体管的输出特性曲线，在Android智能手机上的显示效果。与新建XJ4828晶体管图示仪测试比较，二者在小电流低电压范围内的测试结果非常接近，相似度很高，说明本图示仪的测量精度是很高的。

　　本文提出了一种基于Android手机的晶体管特性图示仪的设计方案，并在此基础上进行了软件和硬件的实现。系统下位机采用Cortex-M0+主控制器为核心，产生并提供基极阶梯波电流和集电极扫描电压，实现对晶体管输出特性的测量，既使得测量装置体积减小、重量变轻，同时测量响应速度快、数据准确、稳定性好。利用目前技术成熟的蓝牙技术作为测量数据上传方案， 采用市场上广泛使用的移动终端操作系统Android作为平台，借助智能手机实现晶体管特性曲线的存储、显示、分析等功能。实际测试结果表明，该系统具有测量精度高、使用方便和测量结果直接明了等特点。此外，该系统很容易扩充功能，如测量输入特性曲线，测量场效应管特性等。

　　参考文献

　　[1] 刘举平，余为清，姚立志．数字式晶体管特性图示仪的设计[J]．测控技术，2013，32(6)：1-3，8．

　　[2] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础(第4版)[M]．北京：高等教育出版社，2011．

　　[3] 林益平．基于LCD的晶体管特性曲线图示仪[J]．电子测量技术，2008，31(2)：109-111．

　　[4] 杨增汪，李祥超，陈斯．基于单片机的电涌保护器现场检测装置研究[J]．低压电器，2010(24)：53-57．

　　[5] 苏维嘉，杨静，唐宇．Android手机麦克端的数据采集与显示[J]．电子技术应用，2012，38(7)：30-32．

　　[6] 邓繁．基于Android系统的心电仪的设计和实现[D]．北京：北京交通大学，2011．