应用于晶体管图示仪的CPLD控制器设计 工作原理, 计算机, 控制器, 单片机, 晶体管

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　　晶体管图示仪是电路设计中常用的电子仪器，它能够显示晶体管的输入特性、输出特性和转移特性等多种曲线和参数。它不仅可以测量晶体二极管和三极管，还可以测量场效应管、隧道二极管、单结晶体管、可控硅和光耦等器件。但传统的晶体管图示仪存在着电路复杂，体积庞大，示波管的显示屏小，功耗大，价格昂贵等缺点。随着计算机软硬件技术、单片机技术和EDA技术的不断发展及其在电工电子测量技术的应用，晶体管图示仪在结构、工作原理和功能上发生很大变化，成为数字化和智能化的虚拟仪器。本文设计的晶体管图示仪就是这样一种新型仪器，除改善了原有仪器不足之外，还扩展了仪器功能，具有图形保存，数据处理，界面显示灵活，可操作性强，性能价格比高等优点。
　　1 系统结构框图
　　1．1 传统晶体管图示仪结构及工作原理
　　在传统的晶体管图示仪中，各模块单元完全由模拟电路和脉冲数字电路组成，属于全硬件结构，如图1所示。它主要包括阶梯电流发生器、扫描电压发生器、垂直放大、水平放大和示波管等。图中W是负载电阻，R是电流采样电阻，T是被测三极管。所谓三极管输出特性曲线是：在基极电流不变的条件下，集电极电压和电流之间的关系。在测量三极管输出特性曲线时，阶梯电流发生器对T的基极施加阶梯电流信号，在阶梯电流的每一个台阶时间内，扫描电压发生器对T的集电极回路施加扫描电压。扫描电压是50 Hz交流电经整流得到。T的集电极电流在采样电阻R上的压降(代表集电极电流)经垂直放大后加到示波管垂直偏转板上，T的集电极电压经水平放大后加到示波管的水平偏转板上。当施加的阶梯电流和扫描电压周期性地重复出现时，三极管输出特性曲线就可以显示在示波管上。

　　1．2 本图示仪结构框图
　　本图示仪的构成见图2。与图1相比不同的是：“垂直放大”、“水平放大”和“示波管”取消了，其功能由上位机承担；同时增加了单片机、CPLD、存储器和A／D转换器等部件，组成数据采集电路。工作时上位机向单片机发出数据采集命令，单片机通过阶梯电流发生器对T的基极施加阶梯电流信号，通过扫描电压发生器对T的集电极回路施加扫描电压；与此同时，CPLD控制器控制A／D转换器和存储器快速采集和存储电压电流数据。当存储器数据存满后，CPLD控制器向单片机发出采集结束信号，单片机再将存储器中的数据通过串口传送到上位机进行处理和显示。一个完整的图形需要多次这样的过程才能实现。

　　该系统若不使用CPLD和存储器等器件也可实现数据采集，但由于单片机工作速度相对较慢，在有限时间(扫描电压的上升段，5 ms)内采集的点数较少，曲线不够准确。使用了CPLD和存储器之后，采得的点数密集，曲线更加真实。本系统的关键是设计CPLD控制器，以解决单片机、存储器和A／D转换器之间的时序配合关系。
　　2 数据采集电路功能模块确定
　　数据采集电路的构成如图3所示。除了包含单片机、控制器、存储器、和A／D转换器外，还有地址计数器和数据锁存器。

　　2．1 A／D转换器和数据锁存器
　　A／D转换器是数据采集电路重要的部件之一，本系统的A／D转换器采用Maxim公司的MAX197。
　　MAX197是一款多量程的12位A／D转换器，8路模拟信号输入，输出数据线8条，分为高4位和低8位输出，由HBEN端控制。当时钟频率为2 MHz时，转换时间为6μs。MAXl97在启动转换时，需要输入一个8位控制字，这个控制字若由单片机提供将使启动时间延长，难以提高采集速度，所以这里用到一个数据锁存器74LS373来保存控制字。
　　2．2 存储器和地址发生器
　　存储器采用两片2114,它是一款4 b×1K静态随机存储器。2114在存取数据时，除了需要外部提供片选信号和读写信号外，还需要提供地址信号。地址信号由地址发生器产生，地址发生器实际上是一个计数器。
　　2．3 控制器
　　控制器是数据采集电路的核心，由CPLD内部模块实现。这里的CPLD选用Altera公司的EPM7064。EPM7064有64个宏单元，1 250个可用门类，36个I／O脚。从可行性方面来说，RAM、地址发生器、74LS373和控制器都可以同时做到CPLD中，但RAM需要100个节，用CPLD来实现将占用大量资源，仅一片EPM7064就不够用。所以为了节省资源，降低成本，这里采用外接RAM2114。74LS373也采用外接方式，主要是考虑端口不够用。因此在CPLD内部仅安排了控制器和地址发生器(图3虚线框内)。