用算法进行配对的晶体管图示仪

suncand

构思制作一款比较实用的晶体管图示仪的想法有一段时间了，也参考学习了网上不少前辈制作的。基本思路大致是：
1．        通过产生周期性阶梯电压，经过V-I转换电路产生不同等级的基极电流（Ib）
2．        在每一等级基极电流的期间，再产生另一个阶梯电压，作为集电极和发射级电压（Vce）
3．        测量此时的集电极电流（Ic），通过示波器绘制Ic-Vce@Ib的曲线。
4．        对于NPN，PNP管，只要改变Ib和Vce的极性（通常是通过开关转换）就行。
5．        有些电路甚至省去了Vce的阶梯波电压，直接利用50HZ交流电源经过半波整流后的波动电压作为Vce，也是可行的。

这样的思路简单，直接。可以用示波器看到管子的特性曲线。但是我考虑用图示仪的目的应该不仅是为了看管子的特性曲线，至少应该有以下几个：
1．        相对全面了解一个具体管子的特性。如果是一般特性，看厂家的datasheet就好了。那我们需要了解的特性至少应该包括：输入特性（Ib-Vbe@Vce），输出特性（Ic-Vce@Ib），放大系数（hfe@Ib）；如果能再了解到输入/输出电容，温度系数等，那当然就更好了。但对于DIY，可能就太复杂了。这个目的，前面讲的通常的图示仪基本可以做到。
2．        可以进行管子的比较和配对。我想这是最实用的一个目的，也是日常用的最多的。但传统的图示仪，只能看曲线，要用来配对，还是非常繁琐的。如果可以进行同型配对和互补配对，而且不是用肉眼看，而是通过算法实现，那就可以大大减轻配对的工作量。
3．        可以进行动态分析。在特性曲线上，通过设置工作点，负载，可以了解工作点附近小信号和大信号的工作状况。最好能根据需求自动给出工作点建议。这就需要更多的算法和应用软件开发了。

前面两个目的是基础，也最实用。我构思的晶体管图示仪首先是可以测量基本的输入，输出特性。可以测量双极型晶体PNP，NPN，也可以测量P型，N型场效应管。以中小功率管为主。另一个更主要的目的是可以用来配对。包括同型配对和互补配对。考虑到图示仪结构的灵活性和以后的扩展性，采样通用的单片机系统和PC机配合的方式。充分利用单片机的灵活性和PC强大的数据管理和计算能力。下图是目前构思和制作的图示仪系统结构。



测试设备的硬件选用Arduino Nano作为核心的控制模块，外围使用成熟的DAC和ADC模块，配合V-I转换电路，Vbe和Ic的采样电路，已经提供Vc测试和外围电路的供电模块。测试设备上软件采样Arduino开发环境，C/C++编程。秉着能让软件做的事，尽量让软件做；能让PC干的活，尽量让PC干。单片机部分尽量运行简单的程序。
选择Arduino NANO的原因主要是简单。Arduino系列模块化程度高，外围接口电路丰富，开发调试环境也比较方便。AD/DA模块都有现成的Arduino开发包，可以减少底层调试的工作量。它的缺点一个是内存比较小，运行复杂的程序，尤其是数据量大的应用力不从心，另一个问题是AD精度只有10bit，比较低，没有现成的DA输出（只有PWM输出）。因此DAC/ADC都选择了独立的模块。好在这些模块都很成熟，应用简单，价格低廉，有现成的软件包。
虽然核心硬件模块比较简单，但还是实验的很多个版本。下图是目前在用的版本。

图1-2 硬件

PC侧的应用软件包括晶体管信息维护和测量控制两套界面。考虑到辛辛苦苦测量的数据，如果不能保存下来，太可惜，而且如果要让计算机通过算法来进行配对，测量数据必须都保存在数据库中。选择了一个最轻量级的数据库-sqlite。不需要复杂的数据库管理系统，但可以实现大部分数据库应用。非常好用。
图形界面，接口控制，配对算法部分都使用Python 3开发。这也算是当前最热门的开发语言了吧。确实非常好用，比C/C++方便多了。
目前的主控制界面如下图：

图1-3 控制界面

从图中可以看到，编号为8550-1-2的管子和当前管子（编号为8550-1-3），的匹配度为97.9%。从实际特性曲线图上可以看到，两个管子的特性曲线几乎完全重合（实线为8550-1-3，虚线为8550-1-2）。

PC和测试设备之间采用USB虚拟串口进行通信。定义了专门的通信协议，包括握手，发送测试指令，接收测试结果等。也是尽量简单，但又保持了非常大的灵活性和扩展性。

今天先介绍总体部分吧。后续打算分模块陆续介绍。硬件和应用软件也在不断完善中，内容也会持续更新。

关于晶体管图示仪，也是一边制作，一边学习，不论是硬件电路，还是软件，数据库库，几乎把已经放下多年的知识又重新学习一遍。其中有不少弯路和不完善的地方，还希望大家能多提意见和建议。DIY的过程是最重要的。

东方失败

支持楼主，期待结果。

zying

制作成本能控制在200以下，就很适合业余爱好者了！

突然

支持楼主，造福论坛，造福DIY，

单纯路过

楼主厉害，我曾准备抄locky_z大大的，但我的水平，上位机是没发搞了，最多能用串口导个excel出来就不错了，
懒，事多，一直搁浅没时间做。。。
没看到楼主用继电器，小电流和大电流切换呢？

fc319830

楼主厉害，造福论坛，造福DIY.

suncand

单纯路过 发表于 2019-4-17 22:25
楼主厉害，我曾准备抄locky_z大大的，但我的水平，上位机是没发搞了，最多能用串口导个excel出来就不错了， ...

现在的版本主要针对中小功率管，Ic不超过500mA，用一对功率管扩流实现。Ib不超过5mA，用运放驱动就够了。以前的版本也考虑用继电器，主要是切换Ib，Vc的极性，可以工作，但后来改电平平移，放弃继电器了。总之，过程中纠结，调整的地方很多。这也是DIY的乐趣吧。

hds2019

用过某宝买的一款。
冷态和热态会有差异，如果能设定一定的条件，让它热稳定后再测试，是否更好？特别是大功率管

fuxxone

这个厉害了，DIY制作最麻烦的事就是管子的配对，希望楼主早日制作成功，

loviolin

这个要大赞

suncand

2．硬件设计

硬件设计希望在考虑适用性和灵活性的基础上尽量简单。为了可以测试PNP，NPN，P-FET，N-FET类型的中小功率管子，硬件上至少需要考虑以下能力：
1．        对于双极型晶体管（BJT）的PNP，NPN类型，基极采用电流源作为输入，集电极采用电压源作为输入，而且极性是可以变化的。对于PNP和NPN管子，起始的电流或电压都是0；
2．        对于场效应管（FET），栅极，漏极都采用电压源作为输入。电压源可以从负到正，或从正到负连续变化。由于FET栅极基本没有电流，可以不用考虑测试栅电流；
3．        对于中小功率双极型晶体管的Ice或场效应管的Ids，控制在500mA左右应该够用。Vce或Vds控制在+/-30V应该够用；
4．        对于中小功率双极型晶体管的Ib控制在5mA应该够用，场效应管Vg控制在+/-10V应该够用；


2.1测试电源的极性控制
首先考虑的是测试电源的极性控制方案。这对电路的结构影响最大。
以BJT为例，不管是Ib，还是Vc，在测试PNP和NPN管时，正好相反。最简单的方案是通过继电器控制输出电源的极性。同时也通过继电器控制采样电压的极性。这样做的好处主要是：
1）        无论是Ib，Vc的输出电路，还是Vbe，Ic的采样输入电路，只需要考虑单极性信号就可以。通过单片机的控制端口控制继电器的状态，就可以改变加载在被测管上的电源极性；
2）        大多数ADC和DAC只能处理单极性信号。采用继电器控制，同样的AD/DA转换可以有较高的精度（这主要是相对于后面要讲的电平平移电路）
但也有一些明显的缺点：
１）        AD输出信号要增加运放实现反向输出；采样电路也需要额外的电路实现正，反向放大输出。然后再经过继电器切换。电路上看着不那么简洁。
２）        如果需要电源在+，-之间进行快速切换，继电器的方案就不太可行（继电器的切换时间至少几个ms，而且机械开关也不允许快速频繁切换）。这种情况在测试晶体管特性时似乎不存在，但心里总有那么一些别扭。
最终在纠结中先做了一版继电器的电路，后来又尝试了电平平移电路。到目前相对稳定的第5版，一直用的是电平平移。或许以后还会继续完善继电器版本（谁知道呢？）。
目前的电平平移电路的基本思路是，将DA输出的信号减去2.5v的基准电压（DA/AD的参考电压都是5V），使得DA输出的0~5V电压变成-2.5V~+2.5V双极性信号，将采样的信号（需要控制在-2.5V~+2.5V之间）加上2.5v基准电压，使得输入AD的信号为0~5V。
在具体电路实现上，参考了网上的一篇介绍，如下图：

2-1 电平平移

参考这里的介绍，电平平移电路效果比较好的是输入信号反向+基准的方式。这种方式噪声比较低。这个电路还有一定的放大作用。
如果令R1=R3=R, R2=R4=nR，带入Vout的计算公式，可得：
Vout = n（Vref – Vin）
在我的电路里，DA参考电压是5V，电平平移的参考电压是5V的一半，2.5V。因此要保证|Vin|<2.5V，Vref=2.5V。
电平平移电路使得正向电压和负向电压的动态范围从0~5V，压缩到了0~2.5V，对于正向电压，或者负向电压而已，DA/AD的精度相当于降低了一半。这也是考虑采样独立的更高精度DA/AD模块的原因。

2.2 V-I转换电路
由于BJT是电流驱动型元件，因此基极的输入，最好使用电流源。而FET是电压驱动型元件，栅极输入，需要使用电压源。目前使用的AD模块，输出的是电压。因此在测量FET的时候，可以直接将AD输出经过电平平移和放大后，作为栅极电压；而测量BJT时，AD的输出经过电平平移，还要经过V-I转换，将电压转换成电流输出。
下图是V-I转换电路的基本原理:

2-2 V-I转换原理

输入电压Vin经过V-I转换后成为电流源给RL供电。电流大小为Vin/Rs。
这个电路设计的非常巧妙，U1输出电压经过Rs后成为Vo，Vo又被U2缓冲后原样加到了U1的同相输入端，和输入电压Vin相加。因此U1的输出电压V1 = Vin + Vo, 流过Rs的电流Is = （V1-Vo）/ Rs = Vin/Rs。由于U2同相输入端是高阻抗，所以Is只能全部流入负载电阻RL。这里运放的反馈电阻都取一样的值R，Rs决定了输出电流的大小。下图是对V-I电路仿真的结果：

2-3 V-I转换仿真

用TL074实现V-I转换。
•        TL074最大输出电流10mA，如果输入电压最高4V，则Rs最小为4V/10mA=400欧。
•        在+/-15V工作电压下，TL074最大输出电压幅度为13伏，可以计算出不同取样电阻下的最大电流和最大负载。如下表：

2-4 V-I转换测量数据

考虑Rs取1k，则：
•        最大输出电流为4mA
•        最大负载为2.25k
测试中，小功率管应该够用。

在实际应用时，负责产生Ib的DA模块的输出电压范围是0~5V，如果经过放大倍数是1倍的电平平移，输出电压范围为-2.5V~+2.5V，再经过V-I转换，输出的电流只有-2.5mA~+2.5mA。虽说对测量中，小功率晶体管，也够用（目前设定的测量小功率管Ib最大值为0.1mA，测量中功率管的Ib最大值为1mA，可以通过配置文件修改，但不能超过硬件电路允许的上限），但考虑到设计目标是5mA，因此还是采用2倍增益的电平平移电路。这样电平平移输出的范围为-5V~+5V，经过V-I转换，可以输出-5mA~+5mA。而电平平移电路输出再经过一级2倍增益的同相放大，可以得到测量FET的-10v~+10v栅极电压。

2.3 Vbe的采样电路
为了测量BJT的输入特性，在加载不同Ib的情况下，测量Vbe，就可以做出BJT的输入特性（Ib-Vbe）曲线。因此Vbe的采样电路主要就是测量V-I输出的电压值。
Vbe的电压范围一般是0~0.7V左右，考虑到PNP管和NPN管，Vbe的范围大概在-0.7V~+0.7V
在AD采样电平平移电路的输入范围（<|2.5v|）内，为了提高采样精度，可以对采样电压放大2倍，使得AD采样的输入电压在-1.6v~+1.6v范围内。
考虑到V-I转换是电流源。所以，如果没有负载，或者负载较大（前面计算过，Rs=1k情况下，最大负载为2.25k），V-I的输出电压会被钳制在靠近电源电压（实际是13V左右）。如果这个电压经过2倍放大（其实放大电路也放大不了，输出还是13V），再经过电平平移，会输出-10.5V的电压加载到AD模块上，有可能损坏AD电路。因此需要在AD输入端加保护电路。
这样，完整的Ib生成，采样电路如下图。用一片4运放（TL084）和一片双运放（TL082）实现。运放外围电阻（除了R204，R232外）尽量用高精度的，或者需要配对筛选。我的板子上用的是0.1%的金属膜电阻。

2-5 Ib电路

2.4 生成Vc的电路
Vc的电压摆幅要接近+/-30V，电流摆幅要接近+/-500mA，而单片机的工作电压只有5V，外围运放的工作电压设定在+/-15V，所以一定需要扩展输出电压和电流的电路。
参考了一些功放设计的资料，通过仿真，确定了以下电路结构。电路中电源电压VCCO+为+30V，VCCO-为-30V，运放工作电压+/-15V

2-6 Vc扩展电路

运放U101D负责信号放大，Q101和Q102是两个工作在共发射极模式的互补电路，分别把正压扩展到+30V，负压扩展到-30V，然后再驱动Q103和Q104组成的扩流电路。R106和R105组成反馈网络，控制整个电路的放大倍数为(100K+10K)/10K=11倍。
从图中看，虽然是从运放的（-）端输入，但因为Q101和Q102是共发射极，输出信号被反向了，所以从整体来看，Vc电路是同相放大电路。
图中C101和C102要在调试中尝试。在输入10K方波的情况下，以不产生寄生振荡，又最大限度保留高频信号为准。

2.5 考虑Ic采样电路
Ic采样电路的确定也是比较纠结的部分。看其他前辈的制作，Ic通常是在高电位取样，然后通过下拉电阻，测试取样电阻两端的电压，计算电压差，再计算Ic。典型电路如下图：

2-8 Ic采样-2

好一点的设计是采样仪表放大电路，消除共模电压。我在之前的版本里，也采用了上图所示的电路。对采样电阻两端的电压分别采样，AD转换后，计算电压差，再计算电流。在电流比较小的时候，误差比较大。采样仪表放大电路，又比较复杂。在当前的版本里，我将取样电阻放在了地端。取值只有0.5欧。如下图所示：

2-7 Ic采样-1

一般情况下，取样电阻放在发射极似乎是不被推荐的。因为Ib，Ic都会流过采样电阻，会影响Ic的计算，而且采样电压还会影响Vb的测量。但经过仔细估算后，我觉得在发射极采样还是可以考虑的。
1．        在知道Ib的情况下，通过计算Ic = Vrs/Rs – Ib，可以消除Ib对Ic的影响；
2．        Rs取值非常小，只有0.5欧。假设Ic达到最大值500mA，在Rs上形成的压降为0.25V。也就是说Vb最多被提升0.25V，加上Vbe电压，不会超过1.1V，这样还在Vb的测量范围内（|Vb|<2.5V），不会导致Vb无法测量。
3．        在测量出采样电阻Rs的压降Vrs的情况下，可以通过计算Vbe=Vb-Vrs消除Vrs对Vbe的影响。
4．        测量Vrs之前，先对采样电压放大10倍。假设Ic的最小分辨率为1mA，则Vrs经过放大后=0.5*0.001*10=5mV; Ic最大为500mA, 则Vrs经过放大后=0.5*0.5*10=2.5V。刚好达到电平平移允许的范围。还是可接受的。

在发射极采样还有几个方面的好处：
1．        就是简单。比高电位采样电路简单很多，而且没有共模电压干扰；
2．        可以比较简单的实现Vrs自动增益控制。目前是固定的10倍，如果需要，可以改成自动量程，增加测量的精度。只需要通过电子开关（或FET）控制运放（-）端落地电阻的大小即可。
3．        现在的Rs可以提供一定的负反馈能力。在测量的时候有利于稳定Ic
4．        还有一个好处。在测量的初始状态，一般是管子截止的状态下，AD电路采样，计算出的Vrs值，基本就是运放的失调电压。利用这个值可以对计算结果进行自动修订。在小信号测量的时候非常有用。而且可以降低对运放的要求。

把电平平移电路加进来，就形成了完整的Vc输出和Ic采样电路。考虑Vc生成电路和AD采样电路尽量分开，采用两片双运放TL082实现。如下图：

2-9 Vc-Ic电路

今天先到这里吧，下次再继续完成硬件电路的其他部分。

wxz

记号，支持楼主，期待结果。

hardXman

实用的东西，期待量产

chipset0418

你有多少管子要测啊，居然用到数据库存储？如果你真有那么多的数据，Python只能靠边站，SELECT一下会长时间没响应吧。
一般用Excel就足够好了，简单还直观。

筑明

这个好，等待楼主的商业化的成品，肯定搞一个。

suncand

继续硬件部分

2.6 参考电源的选择

在当前的电路里，DAC模块的参考电压就是其工作电压。标称值为5V。因此电平平移参考电压为2.5V。这个5V电压的稳定性决定了DA转换的稳定性，而2.5V的稳定性会影响电平平移电压的0点电压。
在试验过程中，尝试了几种方案：

方案一：利用单片机的5V电源给DAC供电，用一片高精度的基准电压LM4040做2.5V参考电压
这个方案有些问题。首先单片机的5V电源是通过电脑USB口提供的。本身的稳定度就不够高。其次，也不能保证这个5v就是LM4040产生的2.5V的两倍。这个方案很快放弃。
还有一个无奈的原因。我不敢保证从某宝上买的LM4040是真货。越是好的东西越可能是假货。所以我的电路里尽量采用不值得造假的普通元件。

方案二：利用TL431制作5V并联稳压源，经过电阻分压产生2.5V参考电压
这个方案是最简单的方案。只需要一片TL431，一个限流电阻，两个分压电阻就可以搞定5V电源和2.5V参考电源。当然2.5V参考电源要通过一个运放进行缓冲。电路原理如下图。

这个电路本来被我寄予厚望。但实际测试的时候，发现当给5V电压加100欧负载电阻时，电压下降幅度有50mv左右，2.5V参考电压也有30mv的下降。虽然电路中5V的负载不会那么重（2片DA和一片4通道AD），但还是对TL431的性能表示担心。换了一片试，结果差不多。难到TL431也有假？

方案三：利用7805+有源伺服产生高稳定的5V电压，再通过电阻分压产生2.5V电压
考虑到5V电压和2.5V电压对电路的重要性，继续尝试了比较复杂的电路。就是7805+运放有源伺服，再通过电阻分压。分压后的2.5V经过运放缓冲后作为电平平移的参考电压。电路如下图：


这个电路在驱动能力比较强，比TL431的稳定性高一个数量级。电源的波纹可以控制在1~2mv。目前电路里用的就是这个电路。用一片7805和一片TL082实现。其中R012和R013采用高精度电阻。

2.7 单片机及AD/DA模块
这部分电路非常标准。和搭积木类似。电路本身对转换速率要求不高，主要就是选择性价比了。
单片机模块选用Arduino NANO。采用ATmega328微处理器。结构简单，开发容易，外围模块丰富。是Arduino系列里几乎是最小巧一个。通过mini USB仿真串口和PC通信。


Arduino有丰富的I/O端口。在之前的版本里，用这些端口控制继电器，控制开关非常方便。但在目前的电路里几乎都没有用。留着以后扩展使用吧。

Arduino自己的DA端口是脉宽调制输出，可以用来控制电机，灯泡等功率型的外设。但不支持模拟电压输出。为了生成Ib和Vc，必须单独配DA模块。我在电路里选择的是12位的MCP4725单通道DA模块。通过I2C接口与Arduino通信。这个其实不是理想选择，主要是这个模块的地址选择是要在模块上焊接不同的引脚实现，一旦选择，就不能动态改变。这是不够灵活的地方。但考虑到它非常小巧，精度也可以，还有就是性价比很高。因此，还是一直在用。电路里选用了两片MCP4725，一片输出Vg/Ib，另一片输出Vc


Arduino自带8路模拟输入，可以进行AD转换。但精度只有10bit。以内部5V为参考电压，分辨率为5/1024=4.89mv。在使用电平平移电路后，正负方向只有512等级。分辨率怕不够用。无意间看到Arduino一款常用的AD模块ADS1115，16bit，4通道，也是I2C接口。某宝商的价格又非常便宜（一片不到10元）。感觉不用白不用。所以AD部分就选用了ADS1115模块。


AD1115的四路通道用了三路。一路采集Vbe，一路采集Ic，另一路采集2.5V参考电压。这样在应用程序里可以自动判断电平平移的0电位电压，乘以2就是DA模块的参考电压。参考电压除以2的12次方，可以计算出实际的DA分辨率。

2.7 电源部分
最后是电路的电源部分。这部分没有什么特殊的。
1．采用双24V的电源变压器，通过LM317和LM337电路输出+/-30V的工作电压；这个电压主要是供Vc的输出使用。
2．+/-30V的电压通过限流电阻，接到LM7815和LM7915组成的电路，输出运放工作的+/-15V工作电压。
3．从+15V电压，经过限流电阻接入LM7805+主动伺服电路，生成5V工作电压，供2片MCP4725及一片ADS1115工作。5V电压经过电阻分压，运放缓冲后，成为2.5v电平平移的参考电压；
4．Arduino NANO的工作电压由PC机通过USB接口提供。

2.8 硬件整体电路
最后，上完整的电路原理图和印刷版图：

suncand

wsy888wsy 发表于 2019-4-19 20:23
这可解决了DIY晶体管配对的难题，楼主还有多余的板吗？

多余的板有，但还没有定型，每个版本都有些调整。
硬件电路只是这个图示仪的一部分。关键的还是应用软件。

suncand

chipset0418 发表于 2019-4-19 14:55
你有多少管子要测啊，居然用到数据库存储？如果你真有那么多的数据，Python只能靠边站，SELECT一下会长时间 ...

用数据库的好处是操作简单，扩展性好。在测量过程中，经常会对一个管子反复测量，配对计算，涉及到对数据库里数据的增删改查。
当然，目前考虑的方案主要是操作性要好，扩展性好。性能还不是首要考虑的。其实sqlite也不适合大量数据。真有这方面问题的时候再优化吧。