本文從本人的163博客搬遷至此。

想設計幾個實驗，既能展示NI的LabVIEW和數據采集卡的功能特點，又能夠讓普通電類專業本科學生可以理解，自然首先想到了《電子技術基礎》課程的內容。第一個例子采用了“繪制晶體三極管輸出特性曲線”的例子，原因有三：其一，作為《模擬電子技術》課程的基本內容，基本上所有電類專業的學生都學過三極管輸出特性曲線；其二，這個例子既要控制基極電流和集電極電壓，又要測量集電極電流，特別適合既有A/D又有D/A轉換功能的數據采集卡來完成；其三，LabVIEW強大的繪圖功能可以完美的展現輸出特性曲線。

一、什么是三極管輸出特性曲線

康華光版的《電子技術基礎——模擬部分》這樣介紹輸出特性曲線：輸出特性是在基極電流IB一定的情況下，集電極與發射極之間的電壓VCE與集電極電流IC之間的關系曲線，用函數表示為：

（1）

以下是我從小功率高頻三極管9018的數據手冊中截取的輸出特性曲線圖：

圖1 標準輸出特性曲線

繼續摘錄經典教材的解釋：輸出特性的其實部分很陡，VCE略有增加時，IC增加很快，這是由于在VCE很小時，集電結的反向電壓很小，對到達基區的電子吸引力不夠，這時IC受VCE的影響很大。VCE稍有增加，從基區到集電區的電子也增加。故IC隨VCE的增加而增加。但VCE超過某一數值后，特性曲線變得比較平坦。這是由于VCE大于這一數值后，集電結的電廠已經足夠強，能使發射區擴散到基區的電子絕大部分都到達集電區，故VCE再增加，IC就增加不多了。改變IB的值，即可得到一組輸出特性曲線。由于三極管是一種電流控制器件滿足：（其中為電流增益）。在VCE大于零點一定數值以后，輸出特性是一組間隔基本均勻，比較平坦的平行直線。

據我理解，所謂“輸出特性”應該是由集電極電壓VCE和基極電流iB共同決定集電極電流的一種特性，這種特性圖應該是一張三維曲面圖，其水平面上的兩個自由度為VCE和IB，垂直方向上的大小應為集電極電流IC。但由于早期計算機繪制三維圖形的能力有限，輸出特性曲線圖只選取了其中IB為10uA、20uA……100uA等幾個整數時的幾根曲線，全部繪制在一張平面圖上，從而得到了圖1所示的標準的“輸出特性曲線圖”。

二、測試電路

為了繪制類似圖1的輸出特性曲線，需要數據采集卡分別控制被試三極管的基極電流IB和集電極電壓VCE，同時測量流入集電極的電流IC。

其中，控制基極上的電流IB較容易：由于發射結壓降基本固定，只需要在基極上串聯一個固定電阻，同時控制電阻另一端的電壓即可。但是，要想在控制集電極電壓VCE的同時測量流入集電極的電壓并不簡單。利用反饋原理設計了如下圖所示的測試電路。

圖2 三極管特性圖測試電路

圖2中I_CTL和V_CTL是由數據采集卡上的DAC輸出的控制電壓，AI4和AI5則連接到數據采集卡的ADC輸入端。其中，I_CTL用于控制基極電流IC，其控制的電流等于(VI_CTL - VBE)/R_tb，VBE是發射結壓降，基本固定為在0.7V左右。運放OP_tB接成跟隨器，它在使輸入電壓和輸出電壓相等的同時降低輸出阻抗，其目的是為了降低USB-6009輸出電阻對I_CTL的影響。運放OP_tA和電阻R_tc則構成了一個用于測量電流的負反饋系統，根據負反饋系統的分析方法來分析這個電路：

1、根據運放“虛短”的原則，運放的同相端電壓應該相等。而被試晶體管V_test的集電極被連接到了運放的反相輸入端，應該和連接到同相輸入端的V_CTL相等。也就是說只要數據采集卡控制了V_CTL，也就控制了V_test的集電極電壓。

2、運放的輸出端在連接到V_test的集電極之前，通過了電阻R_tc。為了使集電極電壓等于V_CTL，運放輸出端電壓勢必高于V_CTL。根據“虛斷”的原則，沒有電流流入運放的反相輸入端，也就是從運放輸出端流出的電流全部經過R_tc流入了集電極。這樣可以推斷：運放輸出端的電壓等于集電極電壓V_CTL加上集電極電流IC在電阻R_tc上的壓降。這樣只要通過數據采集卡測量出運放的輸出電壓，就可以通過V_CTL和R_tc的阻值計算出IC。

（2）

3、當然上述分析“虛短”和“虛斷”結論的前提是，系統必須是一個穩定的負反饋系統。而上述電路的負反饋屬性是顯然的。

當然，是用圖1電路的限制也是明顯的：

1、電壓限制，由USB-6009的DAC輸出的控制電壓可達0-5V，也就是V_CTL（VCE）可達5V，也就要求此時運放輸出端電壓VAI4也必將達到5V以上。而要使LM358的輸出電壓達到5V，其電源電壓必須在6.5V以上。而為了方便學生使用，我將本測試電路設計為采用USB口供電，顯然無法達到要求，值得采用升壓DC-DC（Step_up）來為該電路供電——好在MC34063A電路非常便宜。升壓后VPP為12V左右。

圖3 電源電路

MC34063沒什么好說的，需要解釋的是MOS管MOS_SW的作用。我是這么想的：為防止MC34063A工作時的開關噪聲對其他測試電路的影響，可以用USB-6009的數字I/O P0.1在不需要時將MC34063關掉……

2、電流限制，普通運算放大器LM358的最大輸出電流僅為20mA左右，因此圖2所示的測試電路只能測試IC小于20mA的小功率情況。如果需要測試大電流三極管，可以在運放的輸出端之后加一個晶體管射極跟隨器。

三、測試程序

1、程序的流程如圖4所示：

圖4 測試程序流程圖

程序中包含兩個循環，中間的小循環用于采集IB固定的條件下，一條輸出特性曲線上的點；外圈的大循環用于繪制不同的輸出特性曲線。

2、基極電流IB的設置

基極電流靠USB-6009的DAC實現控制，需要把每次循環所需的電流折算為需要輸出的電壓Vout，由于計算公式較復雜，采用公式節點實現如圖5：

圖5 用公式節點計算基極電流的控制電壓

其中，0.57是常見小功率三極管9013的發射結壓降，39*10**3是39K歐的電阻，10*10**(-6)是10uA電流（公式節點中的兩個乘號**表示乘方運算），i是大循環中的循環次數。

3、集電極電壓VCE的設置

集電極電壓也靠USB-6009的DAC實現控制，依次遞增DAC輸出的電壓V_CTL即可達到控制集電極電壓的目的，也采用公式節點實現如圖6：

圖6 集電極電壓計算的公式節點

集電極電壓從0.01V開始，每次遞增0.05V。

4、集電極電流IC的測量

圖7 集電極電流計算的公式節點

根據圖2所示的反饋電路和公式（2），集電極電流IC等于電阻R_tc上的壓降除以它的阻值，Vcx是由測量得到的運放輸出電壓VAI4，VCE是由軟件通過DAC設置的集電極電壓，0.22是R_tc的阻值220歐姆。

5、曲線圖的繪制

采用“XY曲線圖”控件繪制輸出曲線圖。需要注意的是，XY曲線圖需要將x軸的值構成的數組和y軸的值構成的數組打包成一個簇方可實現顯示。如果包含x軸和y軸數值的數組本身已經是二維數組，XY曲線圖控件會自動繪制出顏色不同的多條曲線。

6、USB-6009的控制

由于每次設置電流IB和電壓VCE后只能采集一個有用的電流，因此USB-6009的ADC和DAC通道都采用“1通道1采樣”的模式。但如果在每次D/A輸出和A/D采集之前都重新配置ADC和DAC將會使測試過程非常緩慢，因此需要使用“DACmx開始任務”函數

來一次性啟動ADC和DAC任務，以后每次都只需要通過句柄操作即可。

根據實測，測試8條輸出特性曲線，每條曲線完成約100個測試點，所需的總測試時間約在1-2秒左右。

7、測試過程控制

不可能在程序開始運行后不斷的重復測量過程，因此采用“事件結構”管理了一個“開始測試”按鈕，只有單擊“開始測試”，測試過程才會開始。

8、測試程序框圖

不可能在一幅圖中展示整個測試程序框圖，挑選以下兩個比較重要的程序框圖展示。

圖8 設置基極電流的程序框圖

圖9 設置集電極電壓的程序框圖

四、程序運行結果

1、輸出特性曲線

采用常見小功率NPN型三極管9013作為測試對象，得到如圖9所示的測試結果，與經典教科書介紹的晶體管輸出特性曲線一致。

圖10 實際測試得到的三極管輸出特性曲線

2、輸出特性曲面

不知“三極管輸出特性曲面”這種說法對不對，但這是我從當學生時就像做的一件事，即將多條輸出特性曲線繪制在一張三維圖中。在LabVIEW中，這非常容易。

圖11 三極管輸出特性曲面1

圖12 三極管輸出特性曲面2

繪制這個三維曲面的代碼也很簡單，無非是把曲面上的每個點在X，Y，Z三個軸上的投影分別用一個矩陣送給三維曲面控件。在上面程序的基礎上添加曲面顯示的程序框圖如圖13所示。

圖13 繪制三極管輸出特性曲面的程序框圖

未完待續……

總結

以上是生活随笔為你收集整理的用NI的数据采集卡实现简单电子测试之2——绘制三极管输出特性曲线（面）图的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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