應(yīng)用于晶體管圖示儀的CPLD控制器設(shè)計

　晶體管圖示儀是電路設(shè)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(zhuǎn)移特性等多種曲線和參數(shù)。它不僅可以測量晶體二極管和三極管，還可以測量場效應(yīng)管、隧道二極管、單結(jié)晶體管、可控硅和光耦等器件。但傳統(tǒng)的晶體管圖示儀存在著電路復(fù)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(shù)、單片機技術(shù)和EDA技術(shù)的不斷發(fā)展及其在電工電子測量技術(shù)的應(yīng)用，晶體管圖示儀在結(jié)構(gòu)、工作原理和功能上發(fā)生很大變化，成為數(shù)字化和智能化的虛擬儀器。本文設(shè)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(shù)據(jù)處理，界面顯示靈活，可操作性強，性能價格比高等優(yōu)點。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　1．1 傳統(tǒng)晶體管圖示儀結(jié)構(gòu)及工作原理

　　在傳統(tǒng)的晶體管圖示儀中，各模塊單元完全由模擬電路和脈沖數(shù)字電路組成，屬于全硬件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它主要包括階梯電流發(fā)生器、掃描電壓發(fā)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(guān)系。在測量三極管輸出特性曲線時，階梯電流發(fā)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(nèi)，掃描電壓發(fā)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(jīng)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(jīng)垂直放大后加到示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上，T的集電極電壓經(jīng)水平放大后加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上。當(dāng)施加的階梯電流和掃描電壓周期性地重復(fù)出現(xiàn)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(jié)構(gòu)框圖

　　本圖示儀的構(gòu)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(dān)；同時增加了單片機、CPLD、存儲器和A／D轉(zhuǎn)換器等部件，組成數(shù)據(jù)采集電路。工作時上位機向單片機發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，單片機通過階梯電流發(fā)生器對T的基極施加階梯電流信號，通過掃描電壓發(fā)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(zhuǎn)換器和存儲器快速采集和存儲電壓電流數(shù)據(jù)。當(dāng)存儲器數(shù)據(jù)存滿后，CPLD控制器向單片機發(fā)出采集結(jié)束信號，單片機再將存儲器中的數(shù)據(jù)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(xiàn)。

　　該系統(tǒng)若不使用CPLD和存儲器等器件也可實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(nèi)采集的點數(shù)較少，曲線不夠準(zhǔn)確。使用了CPLD和存儲器之后，采得的點數(shù)密集，曲線更加真實。本系統(tǒng)的關(guān)鍵是設(shè)計CPLD控制器，以解決單片機、存儲器和A／D轉(zhuǎn)換器之間的時序配合關(guān)系。

　　2 數(shù)據(jù)采集電路功能模塊確定

　　數(shù)據(jù)采集電路的構(gòu)成如圖3所示。除了包含單片機、控制器、存儲器、和A／D轉(zhuǎn)換器外，還有地址計數(shù)器和數(shù)據(jù)鎖存器。

　　2．1 A／D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)鎖存器

　　A／D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集電路重要的部件之一，本系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換器采用Maxim公司的MAX197。

　　MAX197是一款多量程的12位A／D轉(zhuǎn)換器，8路模擬信號輸入，輸出數(shù)據(jù)線8條，分為高4位和低8位輸出，由HBEN端控制。當(dāng)時鐘頻率為2 MHz時，轉(zhuǎn)換時間為6μs。MAXl97在啟動轉(zhuǎn)換時，需要輸入一個8位控制字，這個控制字若由單片機提供將使啟動時間延長，難以提高采集速度，所以這里用到一個數(shù)據(jù)鎖存器74LS373來保存控制字。

　　2．2 存儲器和地址發(fā)生器

　　存儲器采用兩片2114,它是一款4 b×1K靜態(tài)隨機存儲器。2114在存取數(shù)據(jù)時，除了需要外部提供片選信號和讀寫信號外，還需要提供地址信號。地址信號由地址發(fā)生器產(chǎn)生，地址發(fā)生器實際上是一個計數(shù)器。

　　2．3 控制器

　　控制器是數(shù)據(jù)采集電路的核心，由CPLD內(nèi)部模塊實現(xiàn)。這里的CPLD選用Altera公司的EPM7064。EPM7064有64個宏單元，1 250個可用門類，36個I／O腳。從可行性方面來說，RAM、地址發(fā)生器、74LS373和控制器都可以同時做到CPLD中，但RAM需要100個節(jié)，用CPLD來實現(xiàn)將占用大量資源，僅一片EPM7064就不夠用。所以為了節(jié)省資源，降低成本，這里采用外接RAM2114。74LS373也采用外接方式，主要是考慮端口不夠用。因此在CPLD內(nèi)部僅安排了控制器和地址發(fā)生器(圖3虛線框內(nèi))。

　3 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　3．1 采集點數(shù)的確定及控制器接口要求

　　晶體管特性曲線中，輸出特性曲線是最復(fù)雜的。輸出特性曲線一般由8～10條線組成。在本系統(tǒng)中，每條線由50個點連接而成。每個點由一個電壓值和_個電流值確定，每個電壓(或電流)數(shù)據(jù)占兩字節(jié)存儲單元(數(shù)字量12位)，則每條曲線的電壓值(或電流值)就占100個字節(jié)。電壓值和電流值本應(yīng)該在同一時刻采集，但為了節(jié)省A／D轉(zhuǎn)換器和其他硬件，這里把電壓和電流安排在不同的掃描周期內(nèi)采集，只要采集時間與各自的掃描周期起始時間間隔一一對應(yīng)就可以保證精度，時間誤差在1μs之內(nèi)。

　　每一組電壓或電流數(shù)據(jù)的采集都是在一個掃描電壓的上升時間段完成。掃描電壓是把50 Hz交流電壓經(jīng)整流產(chǎn)生，所以每個掃描電壓所占時間是10 ms，掃描電壓的上升段時間就是5ms。如果5 ms時間內(nèi)要采集50個數(shù)據(jù)，則每個數(shù)據(jù)占用時間為100μs。10條曲線將占用20個掃描周期。

　　在每個數(shù)據(jù)采集時間(100μs)內(nèi)，控制器首先從鎖存器74LS373中讀取“控制字”送入A／D轉(zhuǎn)換器，啟動A／D轉(zhuǎn)換器工作，進入轉(zhuǎn)換等待狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時，控制器從A／D轉(zhuǎn)換器分別讀取數(shù)據(jù)的高字節(jié)和低字節(jié)存入RAM中，然后等待下一個采集周期。待50個數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，控制器向單片機發(fā)出采集結(jié)束信號。所以控制器要產(chǎn)生74LS373的讀信號、A／D轉(zhuǎn)換器的片選和讀寫信號、存儲器片選和讀寫信號、地址發(fā)生器的時鐘和清零信號等，還要接受單片機的采集指令信號和50 Hz交流電同步信號，返回單片機采集結(jié)束信號等。

　　3．2 控制器內(nèi)部構(gòu)成

　　控制器內(nèi)部(見圖4)主要模塊有計數(shù)器、脈沖分配器和觸發(fā)器。計數(shù)器為100進制，輸入時鐘周期為1μs，這樣計數(shù)器計滿一個循環(huán)就是100μs(即一個數(shù)據(jù)采集的時間)。脈沖分配器的作用是對100 μs內(nèi)的時間再進行細分，使每1μs時間都可以輸出脈沖(根據(jù)需要)。觸發(fā)器由脈沖分配器觸發(fā)產(chǎn)生任意寬度的脈沖(見圖5)。圖中COUNT100_Y18模塊實現(xiàn)了100進制計數(shù)器和脈沖分配器的功能，DFFA1～DFFA4是增強的D觸發(fā)器模塊，DFFA2的R1～R3是清0端，S1～S3是置1端，DFFA2，DFFA3和DFFA4結(jié)構(gòu)相同。

　　連接RAM的控制信號有兩個，即讀寫信號SRAM_OE和片選信號SRAM_WE。連接A／D轉(zhuǎn)換器的控制信號有4個，即片選信號A／D_CE、寫信號A／D_WR、讀信號A／D_RD和高低字節(jié)選擇信號A／D_HEEN。地址計數(shù)器和74LS373鎖存器的控制信號也要與上述時序配合。

　　3．3 控制器的工作過程

　　控制器輸出端時序圖如圖5所示。單片機先向鎖存器存入一個控制字，設(shè)置輸入模擬通道、輸入通道量程、掉電模式和內(nèi)外時鐘選擇等信息，然后向控制器發(fā)出采集指令(Start_A／D變?yōu)楦唠娖?。當(dāng)掃描電壓到來時(圖中TB50 Hz變?yōu)楦唠娖?，COUNT100_Y18開始計數(shù)并輸出脈沖，通過觸發(fā)器在不同時間產(chǎn)生不同寬度的脈沖。COUNT100_Y18的第1～4個脈沖產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換器片選信號A／D_CS和74LS373讀信號(圖5波形1)，第2個脈沖產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換器寫信號A／D_WR(圖5波形2)，把74LS373的數(shù)據(jù)寫入MAX197，啟動A／D開始轉(zhuǎn)換。待轉(zhuǎn)換結(jié)束(第8個脈沖結(jié)束轉(zhuǎn)換)后，COUNT100_Y18的第10H～14H脈沖產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換器片選信號A／D_CS和RAM2片選信號SRAM_CE(圖5波形3和5)，第11H～14H脈沖產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換器的讀信號A／D_RD(圖5波形7)。第15H脈沖把A／D_HEEN置為高電平，選通數(shù)據(jù)的高字節(jié)，而第17H～1BH脈沖再次產(chǎn)生A／D_CS，SRAM_CE，A／D_RD和SRAM_WE(圖5波形4，6，8和10)，把數(shù)據(jù)的高4位存入存儲器中。這樣一個數(shù)據(jù)的采集宣告結(jié)束。

　　當(dāng)時間達100μs時，重復(fù)上述過程，進行下一個數(shù)據(jù)的采集。當(dāng)RAM存滿100個字節(jié)后，控制器向單片機返回采集結(jié)束信號，單片機通過串口將100個字節(jié)的數(shù)據(jù)批量傳遞給上位機。

　　4 結(jié) 語

　　在設(shè)計過程中，首先用VHDL語言編寫COUNT100_Y18和DFFA1～DFFA4等模塊，經(jīng)Max+PlusⅡ編譯和仿真通過，再連接各模塊形成頂層圖形文件(圖5)。對頂層圖形文件再進行編譯和仿真，通過后將程序下載到芯片中。單片機主要編寫顯示程序、階梯電流驅(qū)動程序和串口通信程序，均調(diào)試通過。上位機界面用VB語言實現(xiàn)，畫面清晰美觀，控制方便。結(jié)論表明，把CPLD技術(shù)用于改造傳統(tǒng)晶體管圖示儀，效果是明顯的，儀器性能有很大提高。