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、輸出特性和轉移特性等多種曲線和參數。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、單結晶體管、可控硅和光耦等器件。但傳統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、單片機技術和EDA技術的不斷發展及其在電工電子測量技術的應用，晶體管圖示儀在結構、工作原理和功能上發生很大變化，成為數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，數據處理，界面顯示靈活，可操作性強，性能價格比高等優點。

1 系統結構框圖
1．1 傳統晶體管圖示儀結構及工作原理
在傳統的晶體管圖示儀中，各模塊單元完全由模擬電路和脈沖數字電路組成，屬于全硬件結構，如圖1所示。它主要包括階梯電流發生器、掃描電壓發生器、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系。在測量三極管輸出特性曲線時，階梯電流發生器對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，掃描電壓發生器對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)經垂直放大后加到示波管垂直偏轉板上，T的集電極電壓經水平放大后加到示波管的水平偏轉板上。當施加的階梯電流和掃描電壓周期性地重復出現時，三極管輸出特性曲線就可以顯示在示波管上。

1．2 本圖示儀結構框圖
本圖示儀的構成見圖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轉換器等部件，組成數據采集電路。工作時上位機向單片機發出數據采集命令，單片機通過階梯電流發生器對T的基極施加階梯電流信號，通過掃描電壓發生器對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轉換器和存儲器快速采集和存儲電壓電流數據。當存儲器數據存滿后，CPLD控制器向單片機發出采集結束信號，單片機再將存儲器中的數據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。

該系統若不使用CPLD和存儲器等器件也可實現數據采集，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)內采集的點數較少，曲線不夠準確。使用了CPLD和存儲器之后，采得的點數密集，曲線更加真實。本系統的關鍵是設計CPLD控制器，以解決單片機、存儲器和A／D轉換器之間的時序配合關系。