应用于晶体管图示仪的CPLD控制器设计

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。