一种基于虚拟仪器的晶体三极管输出特性曲线图示仪的制作方法

本发明涉及电子仪器领域，特别是涉及一种基于虚拟仪器的晶体三极管输出特性曲线图示仪。

背景技术：

晶体管特性图示仪是一种能在示波管屏幕上观察和测试晶体管的特性曲线和直流参数的测量仪器。传统的晶体管特性图示仪一般都体积较大且功能有限，基于模拟量显示，导致测试误差较大，难以得到较为精准的测试值，且成本较高。

随着科技的发展和需求的提升，嵌入式技术、液晶显示技术、接口扩展的引入以及测试电路的不断优化，使晶体管特性图示仪向着集成化、智能化、高精度、多功能化方向不断发展，传统的模拟式晶体管特性图示仪正在被数字化的、高精度的数字晶体管图示仪所取代。

但是，目前的晶体管特性图示仪往往结构十分复杂，而且价格昂贵，不适用于某些无需高精度测量的场合。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有的数字晶体管图示仪存在的结构复杂、价格昂贵，不适用于某些无需高精度测量的场合的问题，提供一种基于虚拟仪器的晶体三极管输出特性曲线图示仪。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种基于虚拟仪器的晶体三极管输出特性曲线图示仪，包括上位机、labview板卡、缓冲级和硬件测量电路，所述labview板卡包括d/a转换模块、dio信号模块和a/d转换模块，

所述上位机与所述labview板卡通信连接，所述d/a转换模块通过所述缓冲级与所述硬件测量电路的输入端连接，所述硬件测量电路的输出端与所述a/d转换模块连接，所述dio信号模块与所述硬件测量电路连接，所述dio信号模块用于根据待测晶体三极管控制所述硬件测量电路中各个负载电阻的阻值；

所述硬件测量电路包括测量电路单元，所述测量电路单元包括与所述待测晶体三极管的三个引脚分别连接的第一接口、第二接口和第三接口，且所述第一接口通过第一负载电阻与所述缓冲级连接，所述第二接口通过第二负载电阻接地，所述第三接口通过第三负载电阻与所述缓冲级连接；所述测量电路单元还包括用于测量所述第一负载电阻两端电压的第一放大器、用于测量所述第二接口和所述第三接口之间的电压的第二放大器和用于测量所述第二负载电阻或者所述第三负载电阻两端电压的第三放大器，所述第一放大器的输出端、所述第二放大器的输出端和所述第三放大器的输出端分别与所述a/d转换模块连接；

当所述待测晶体三极管为npn型晶体三极管时，所述第一接口、所述第二接口和所述第三接口分别与所述npn型晶体三极管的基极、发射极和集电极连接，且所述第三放大器的输入端并接在所述第三负载电阻的两端；

当所述待测晶体三极管为pnp型晶体三极管时，所述第一接口、所述第二接口和所述第三接口分别与所述pnp型晶体三极管的基极、集电极和发射极连接，且所述第三放大器的输入端并接在所述第二负载电阻的两端；

所述上位机通过所述d/a转换模块和所述缓冲级保持所述第一负载电阻的输入电压为第一输入电压值不变，并按照预设输入电压序列通过所述d/a转换模块和所述缓冲级依次调节所述第三负载电阻的输入电压值，同时所述上位机获取每次调节所述第三负载电阻的输入电压值后对应的所述第一放大器、所述第二放大器和所述第三放大器的输出电压值；

所述上位机根据获取的所述第一放大器、所述第二放大器和所述第三放大器的全部的输出电压值计算所述待测晶体三极管的输出特性曲线的坐标点，并根据所述坐标点绘制并显示所述输出特性曲线。

上述基于虚拟仪器的晶体三极管输出特性曲线图示仪，具有体积小，便于携带，结构简单，操作方便，实用性强以及成本低廉的优点，可以实时测量并显示npn型晶体三极管或者pnp型晶体三极管的输出特性曲线。同时，本发明所提出的基于虚拟仪器的晶体三极管输出特性曲线图示仪还具有以下优点：

(1)通过对三极管输出特性曲线的测量及显示，可以对三极管的性能进行更加直观地展示，尤其适用于电子教学，可以在教学中给学生演示出三极管输出特性曲线的图形的形成过程，通过实际演示增强学生的直观认识，从而提高教学效果，同时能够改善当今实验教学仪器体积庞大、不易携带的现状，提高了实验教学的灵活性和开放性，因此该图示仪具有较好的教学实用价值及应用前景；

(2)通过对三极管输出特性曲线的测量及显示，可以对不同批次或者同一批次的三极管的性能进行对比，获得三极管的实际特性，根据测量结果指导三极管的生产以应用，具有实际的工程应用意义，而且通过实测绘制出的特性曲线与教科书中典型的三极管输出特性曲线是存在差异的，说明实际与理论是存在误差的，在实际工程应用中，可通过反馈技术后期处理得以稳定。

附图说明

图1为本发明其中一个实施例中基于虚拟仪器的晶体三极管输出特性曲线图示仪的结构示意图；

图2为当待测晶体三极管为npn型晶体三极管时的测量电路单元的电路示意图；

图3为当待测晶体三极管为pnp型晶体三极管时的测量电路单元的电路示意图；

图4为本发明其中一个具体实施方式中硬件测量电路包括结构相同的两个测量电路单元的电路示意图；

图5为本发明另一个具体实施方式中仪用放大器的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

虚拟仪器技术(virtualinstrument)就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件(如labview)来完成各种测试、测量和自动化的应用。

在其中一个实施例中，如图1所示，一种基于虚拟仪器的晶体三极管输出特性曲线图示仪，包括上位机100、labview板卡200、缓冲级300和硬件测量电路400，其中，labview板卡200包括d/a转换模块210、dio信号模块220和a/d转换模块230。

上位机100与labview板卡200通信连接，d/a转换模块210通过缓冲级300与硬件测量电路400的输入端连接，硬件测量电路400的输出端与a/d转换模块230连接，dio信号模块220(即数字电位计)与硬件测量电路400连接，dio信号模块220用于根据待测晶体三极管控制硬件测量电路400中各个负载电阻的阻值。

硬件测量电路400包括测量电路单元，测量电路单元包括与待测晶体三极管的三个引脚分别连接的第一接口t1、第二接口t2和第三接口t3，且第一接口t1通过第一负载电阻r1与缓冲级300连接，第二接口t2通过第二负载电阻r2接地，第三接口t3通过第三负载电阻r3与缓冲级300连接；测量电路单元还包括用于测量第一负载电阻r1两端电压的第一放大器a1、用于测量第二接口t2和第三接口t3之间的电压的第二放大器a2和用于测量第二负载电阻r2或者第三负载电阻r3两端电压的第三放大器a3，第一放大器a1的输出端、第二放大器a2的输出端和第三放大器a3的输出端分别与a/d转换模块230连接。

当待测晶体三极管为npn型晶体三极管时，第一接口t1、第二接口t2和第三接口t3分别与npn型晶体三极管的基极、发射极和集电极连接，且第三放大器a3的输入端并接在第三负载电阻r3的两端，如图2所示，为待测晶体三极管为npn型晶体三极管时，测量电路单元的电路示意图。

当待测晶体三极管为pnp型晶体三极管时，第一接口t1、第二接口t2和第三接口t3分别与pnp型晶体三极管的基极、集电极和发射极连接，且第三放大器a3的输入端并接在第二负载电阻r2的两端，如图3所示，为待测晶体三极管为pnp型晶体三极管时，测量电路单元的电路示意图。

上位机100通过d/a转换模块210和缓冲级300保持第一负载电阻r1的输入电压为第一输入电压值不变，并按照预设输入电压序列通过d/a转换模块210和缓冲级300依次调节第三负载电阻r3的输入电压值，同时上位机100获取每次调节第三负载电阻r3的输入电压值后对应的第一放大器a1、第二放大器a2和第三放大器a3的输出电压值；

上位机100根据获取的第一放大器a1、第二放大器a2和第三放大器a3的全部的输出电压值计算待测晶体三极管的输出特性曲线的坐标点，并根据坐标点绘制并显示输出特性曲线。

在具体测量时，上位机100发送指令给labview板卡200，labview板卡200中的d/a转换模块210将数字信号转化为模拟电压值，输送给缓冲级300，以确保足够的电流供给能力，以保证第一负载电阻r1的输入电压u1端的电压稳定，缓冲级300与硬件测量电路400相连，根据需求而定，按照预设输入电压序列依次调节第三负载电阻r3的输入电压值，同时上位机100发送指令给dio信号模块220，dio信号模块220控制硬件测量电路400中的第一负载电阻r1、第二负载电阻r2和第三负载电阻r3，以得到精确的电阻值，第一放大器a1和第二放大器a2分别测量第一负载电阻r1两端电压和第二接口t2和第三接口t3之间的电压，第三放大器a3测量第二负载电阻r2(pnp型晶体三极管)或者第三负载电阻r3(npn型晶体三极管)两端电压，并将测量得到的电压值输出至a/d转换模块230，a/d转换模块230将模拟电压值转换为数字量，传送给上位机100，上位机100利用labview编程，进行被测数据的处理，根据计算公式得出ic的值，根据晶体三极管输出特性曲线的定义，存储及绘制待测晶体三极管的输出特性曲线，测试待测晶体三极管有关的参数。

下面，分别以待测晶体三极管为npn型晶体三极管和pnp型晶体三极管为例，对本实施例进行详细说明：

如图2所示，u1和u2分别为d/a转换模块210通过缓冲级300输出的电压值，也是硬件测量电路400中第一负载电阻r1和第三负载电阻r3的输入电压值，u1输入至第一负载电阻r1，u2输入至第三负载电阻r3，npn型晶体三极管的基极与第一接口t1连接，npn型晶体三极管的发射极与第二接口t2连接，npn型晶体三极管的集电极与第三接口t3连接。根据npn型晶体三极管的输入回路方程可知：ib×r1+(1+β)ib×r2+ube＝u1，根据npn型晶体三极管的输出回路方程可知：ic×r3+(1+β)ib×r2+uce＝u2，由上述npn型晶体三极管的输入回路方程和输出回路方程可知，在电阻值已经全部选定的情况下，对于任意指定的u1或者u2，可以通过第一放大器a1和第三放大器a3测得相应的第一负载电阻r1两端电压ur1和第三负载电阻r3两端电压ur3，根据公式可得到ib或ic的值，然后通过a/d转换模块230，提供给上位机100进行labview程序计算。上位机100通过d/a转换模块210和缓冲级300保持第一负载电阻r1的输入电压为第一输入电压值不变，并按照预设输入电压序列通过d/a转换模块210和缓冲级300依次调节第三负载电阻r3的输入电压值，同时上位机100获取每次调节第三负载电阻r3的输入电压值后对应的第一放大器a1、第二放大器a2和第三放大器a3的输出电压值，计算每次调节后的ic，并根据第二放大器a2测得的npn型晶体三极管的集电极和发射极之间的电压uce，计算得到npn型晶体三极管的输出特性曲线的坐标点即(uce，ic)，并根据坐标点(uce，ic)绘制并显示输出特性曲线。

如图3所示，与npn型晶体三极管相类似地，u1和u2分别为d/a转换模块210通过缓冲级300输出的电压值，也是硬件测量电路400中第一负载电阻r1和第三负载电阻r3的输入电压值，u1输入至第一负载电阻r1，u2输入至第三负载电阻r3，pnp型晶体三极管的基极与第一接口t1连接，pnp型晶体三极管的集电极与第二接口t2连接，pnp型晶体三极管的发射极与第三接口t3连接。根据pnp型晶体三极管的输入回路方程可知：ib×r1+(1+β)ib×r3+ube＝u2-u1，根据pnp型晶体三极管的输出回路方程可知：ic×r3+(1+β)ib×r2+uce＝u2，由上述pnp型晶体三极管的输入回路方程和输出回路方程可知，在电阻值已经全部选定的情况下，对于任意指定的u1或者u2，可以通过第一放大器a1和第三放大器a3测得相应的第一负载电阻r1两端电压ur1和第二负载电阻r2两端电压ur2，根据公式可得到ib或ic的值，然后通过a/d转换模块230，提供给上位机100进行labview程序计算。上位机100通过d/a转换模块210和缓冲级300保持第一负载电阻r1的输入电压为第一输入电压值不变，并按照预设输入电压序列通过d/a转换模块210和缓冲级300依次调节第三负载电阻r3的输入电压值，同时上位机100获取每次调节第三负载电阻r3的输入电压值后对应的第一放大器a1、第二放大器a2和第三放大器a3的输出电压值，计算每次调节后的ic，并根据第二放大器a2测得的pnp型晶体三极管的集电极和发射极之间的电压uce，计算得到pnp型晶体三极管的输出特性曲线的坐标点即(uce，ic)，并根据坐标点(uce，ic)绘制并显示输出特性曲线。

本实施例所提出的基于虚拟仪器的晶体三极管输出特性曲线图示仪，具有体积小，便于携带，结构简单，操作方便，实用性强以及成本低廉的优点，可以实时测量并显示npn型晶体三极管或者pnp型晶体三极管的输出特性曲线。同时，本发明所提出的基于虚拟仪器的晶体三极管输出特性曲线图示仪还具有以下优点：

(1)通过对三极管输出特性曲线的测量及显示，可以对三极管的性能进行更加直观地展示，尤其适用于电子教学，可以在教学中给学生演示出三极管输出特性曲线的图形的形成过程，通过实际演示增强学生的直观认识，从而提高教学效果，同时能够改善当今实验教学仪器体积庞大、不易携带的现状，提高了实验教学的灵活性和开放性，因此该图示仪具有较好的教学实用价值及应用前景；

(2)通过对三极管输出特性曲线的测量及显示，可以对不同批次或者同一批次的三极管的性能进行对比，获得三极管的实际特性，根据测量结果指导三极管的生产以应用，具有实际的工程应用意义，而且通过实测绘制出的特性曲线与教科书中典型的三极管输出特性曲线是存在差异的，说明实际与理论是存在误差的，在实际工程应用中，可通过反馈技术后期处理得以稳定。

本发明所提出的基于虚拟仪器的晶体三极管输出特性曲线图示仪不仅可以存储及显示一条待测晶体三极管的输出特性曲线，而且可以显示不同的基极电流ib下的输出特性曲线，为待测晶体三极管的性能分析提供依据。作为一种具体的实施方式，在上位机100获取每次调节后对应的第一放大器a1、第二放大器a2和第三放大器a3的输出电压值的过程之后、在上位机100根据获取的第一放大器a1、第二放大器a2和第三放大器a3的全部的输出电压值计算待测晶体三极管的输出特性曲线的坐标点之前，还包括以下过程：上位机100改变第一负载电阻r1的输入电压至第二输入电压值并保持第二输入电压值不变，并按照预设输入电压序列通过d/a转换模块210和缓冲级300依次调节第三负载电阻r3的输入电压值，同时上位机100获取每次调节第三负载电阻r3的输入电压值后对应的第一放大器a1、第二放大器a2和第三放大器a3的输出电压值。上位机100通过d/a转换模块210和缓冲级300保持第一负载电阻r1的输入电压为第一输入电压值不变，并按照预设输入电压序列通过d/a转换模块210和缓冲级300依次调节第三负载电阻r3的输入电压值后，即可根据获取的第一放大器a1、第二放大器a2和第三放大器a3的全部的输出电压值计算待测晶体三极管的输出特性曲线的坐标点，并根据坐标点绘制并显示某一ib下待测晶体三极管的一条输出特性曲线；然后，上位机100通过d/a转换模块210和缓冲级300保持第一负载电阻r1的输入电压为第二输入电压值不变，重复上述步骤依次调节第三负载电阻r3的输入电压值，即可得到另一ib下待测晶体三极管的另一条输出特性曲线；上位机每改变第一负载电阻r1的输出电压，每个ib都对应一条待测晶体三极管的输出特性曲线，将多个ib对应的输出特性曲线同时显示在上位机100的显示器上，即可得到待测晶体三极管的一簇输出特性曲线。

作为一种具体的实施方式，如图4所示，硬件测量电路400包括结构相同的两个测量电路单元，分别为npn测量电路单元和pnp测量电路单元；npn测量电路单元的第一接口t1、第二接口t2和第三接口t3分别与npn型晶体三极管的基极、发射极和集电极连接，且第三放大器a3的输入端并接在第三负载电阻r3的两端；pnp测量电路单元的第一接口t1、第二接口t2和第三接口t3分别与pnp型晶体三极管的基极、集电极和发射极连接，且第三放大器a3的输入端并接在第二负载电阻r2的两端。在本实施方式中，npn测量电路单元用于测量npn型晶体三极管的输出特性曲线，pnp测量电路单元用于测量pnp型晶体三极管的输出特性曲线，npn测量电路单元和pnp测量电路单元的输入端均与缓冲级300连接，输出端均与a/d转换模块230连接，在上位机100控制下，npn测量电路单元和pnp测量电路单元可同时测量npn型晶体三极管和pnp型晶体三极管的输出特性曲线，且上位机100能够根据两个测量电路单元的测量结果一次性同时显示两种不同类型的晶体三极管的输出特性曲线，进一步提高了晶体三极管的输出特性曲线的测量效率。

作为一种具体的实施方式，第一放大器a1、第二放大器a2和第三放大器a3均为仪用放大器，仪用放大器包括第一运算放大器a10、第二运算放大器a20、第三运算放大器a30、第一电阻r11、第二电阻r21、第三电阻r22、第四电阻r31、第五电阻r32、第六电阻r41和第七电阻r42，如图5所示，第一运算放大器a10的反相输入端分别与第一电阻r11的一端和第二电阻r21的一端连接，第二电阻r21的另一端分别与第一运算放大器a10的输出端和第四电阻r31的一端连接，第四电阻r31的另一端分别与第三运算放大器a30的同相输入端和第六电阻r41的一端连接；第一电阻r11的另一端分别与第二运算放大器a20的同相输入端和第三电阻r22的一端连接，第三电阻r22的另一端分别与第二运算放大器a20的输出端和第五电阻r32的一端连接，第五电阻r32的另一端分别与第三运算放大器a30的反相输入端和第七电阻42的一端连接，第七电阻42的另一端接地；第一运算放大器a10的同相输入端和第二运算放大器a20的反相输入端作为仪用放大器的输入端，第三运算放大器a30的输出端作为仪用放大器的输出端。在图5所示的仪用放大器中，r21与r22、r31与r32、r41与r42的阻值均相同，仪用放大器的增益公式为通常r21、r31、r41为给定值，r11用可变电阻代替，通过调节r11的值，即可改变电压增益a。因此，可根据实际情况，给定仪用放大器中各个电阻的阻值，以更好地实现对电压值的测量。由于仪用放大器具有输入阻抗高、对外界抗干扰能力强等优点，因此本实施方式选用仪用放大器作为硬件测量电路400中的放大器，从而获得更高精度的电压值，提高基于虚拟仪器的晶体三极管输出特性曲线图示仪的测量精度。

作为一种具体的实施方式，上位机100通过usb串口与labview板卡200通信连接，从而保证通信的速度和可靠性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。