РАЗРАБОТКА ПРИСТАВКИ-ХАРАКТЕРИОГРАФА ДЛЯ КОМПЬЮТЕРА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ МАТЕМАТИКИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра радиофизики

ФАТКУЛИН РАФКАТ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРИСТАВКИ-ХАРАКТЕРИОГРАФА ДЛЯ КОМПЬЮТЕРА

Курсовая квалификационная работа

по направлению 11.03.01 – Радиотехника

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: к.ф.-м.н.,

Перченко Сергей Владимирович

_________________________________

(подпись)

«Работа рассмотрена на заседании кафедры» Заведующий кафедрой радиофизики к.ф-м.н., доцент Якимец А.Л.

_________________________________

(подпись)

Волгоград 2019 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................
............................. 3

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ........................................................................
.. 4

1.1 Характеристики диодов, стабилитронов и светодиодов................ 4

1.2 Характеристики биполярных транзисторов.................................. 8

2. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ С МИКРОКОНТРОЛЛЕРОМ.................... 13

2.1. Устройства ввода-вывода............................................................. 14

2.2.  Аналого-цифровой преобразователь......................................... 16

2.3.  Цифро-аналоговый преобразователь......................................... 17

2.4 Универсальный синхронный / асинхронный приёмопередатчик 19

3. ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА................................................................... 21

3.1. Описание принципиальной схемы приставки – характериографа 21

3.2 Проверка и отладка схемы............................................................ 25

3.3 Измерение ВАХ некоторых полупроводниковых приборов...... 29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................
....................... 30

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................
....... 31

ПРИЛОЖЕНИЕ 1...............................................................................
........... 32

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...............................................................................
........... 33

ВВЕДЕНИЕ

Задачей курсовой работы является разработка и изготовление приставки-характериографа на базе микроконтроллера, предназначенной для наблюдения семейства выходных вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов малой мощности структур n-p-n и p-n-p и полупроводниковых двухполюсников. Приставка должна обладать следующими характеристиками:

- максимальное пульсирующее напряжение коллектор-эмиттер: 50 В;

- максимальный ток коллектора: не более 250 мА;

- диапазон генерируемых токов базы ‑10...+10 мА;

- регулируемое число ступеней тока базы;

- возможность синхронизации переключения тока базы по внешнему пульсирующему напряжению;

- управление приставкой должно осуществляться с помощью микроконтроллера;

- отображение характеристик и параметров п/п должно производиться на компьютере.

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

В процессе проектирования и настройки электронных устройств часто возникает необходимость измерения характеристики параметров тех или иных полупроводниковых приборов – полевых и биполярных транзисторов, диодов, стабилитронов и других. Существует множество приборов, позволяющих измерять параметры перечисленных элементов. Одним из них является характериограф – прибор для визуального наблюдения вольт-амперных характеристик двух- и трёхполюсников.

И прежде, чем начать изучение структуры и принципов работы характериографа, кратко перечислим параметры основных полупроводниковых приборов.

1.1 Характеристики диодов, стабилитронов и светодиодов

Так как на приставке-характериографе можно проверять, кроме биполярных транзисторов, также и диоды, стабилитроны и светодиоды, стоит рассказать и об их выходных характеристиках.

Начнем с характеристик и параметров полупроводниковых диодов, типичные ВАХ которых представлены на рис. 1.1. и 1.2. Следует обратить внимание, что масштаб по осям этих характеристик для положительных и отрицательных токов и напряжений различен. [5]

Известно, что ВАХ идеального электронно-дырочного перехода описывается формулой Шоттки:

где i_a – ток через диод, u_ак – падение напряжения на нем, I_S – ток насыщения диода (тепловой ток),  = kT/e – тепловой потенциал, который при комнатной температуре составляет примерно 26 мВ.

ВАХ реального диода гораздо лучше описывается следующим выражением:

Входящий в это выражение параметр m - (1 < m < 2) зависит от типа диода и материала, из которого он изготовлен. Еще одной характеристикой диода является его дифференциальное сопротивление, которое определяется как:

и вычисляется при определенном значении прямого тока i_а. Также при определенном значении прямого тока i_а измеряется прямое падение напряжения на диоде U_ак, которое для кремниевых диодов составляет примерно 0,7 В, а для германиевых – 0,4 В.

Обратный ток диода I_обр зависит от обратного напряжения u_ак, поэтому также измеряется при определенном значении u_ак. Наконец, важной характеристикой диода является напряжение пробоя U_пр – обратное напряжение u_ак, при котором начинается резкий рост обратного тока. Сначала происходит электрический пробой (обратимый), который может перейти в необратимый тепловой пробой, при котором диод выходит из строя.

Поскольку как тепловой потенциал , так и обратный ток I₀ зависят от температуры, температурный коэффициент напряжения (ТКН) диода:

То есть зависимость напряжения на диоде от температуры при постоянном прямом токе, в широком диапазоне температур почти постоянен и составляет примерно –2 мВ/К.

Стабилитроном (зенеровским диодом) называют диод, предназначенный для работы в области электрического пробоя на обратной ветви ВАХ. Поскольку рабочим участком для стабилитрона является обратная ветвь ВАХ, положительными считают его обратное напряжение и обратный ток, как это показано на рис. 1.3. На этом же рисунке приведено условное обозначение стабилитрона.

Рис. 1.3. Обозначение и ВАХ стабилитрона

В рабочей области, то есть в диапазоне токов [I_{ст min}, I_{ст max}], ВАХ стабилитрона хорошо описывается линейной зависимостью:

где U_ст – напряжение стабилизации стабилитрона, а r_ст = dU_ак/di_а – его дифференциальное сопротивление, которое обычно составляет единицы – десятки Ом и слабо уменьшается с ростом анодного тока. Промышленностью выпускаются в основном кремниевые стабилитроны с напряжением стабилизации от 3.3 до 200 В и мощностью от 250 мВт до 50 Вт. Минимальное значение r_ст наблюдается у стабилитронов с U_ст  7 В.

Исключительно важным параметром стабилитрона является его температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации :

Так как изменение температуры приводит к изменению напряжения стабилизации. ТКН стабилитронов лежит в пределах ± 10^-3 . Для малых напряжений стабилизации он отрицателен, а для больших – положителен. Это объясняется тем, что при U_ст < 7 В преобладает пробой Зенера, а при U_ст> 7 В – лавинный пробой. Таким образом, при U_ст  7 В этот коэффициент минимален. Для больших напряжений U_ст его можно искусственно снизить, включив последовательно со стабилитроном один или несколько диодов. Такие стабилитроны с термокомпенсацией могут иметь ТКН до 10^–5 [К^–1].

Светодиоды изготавливаются не на основе кремния или германия, как большинство полупроводниковых элементов, а на основе арсенида-фосфида галлия. Эти диоды излучают свет при протекании через них прямого тока. Область спектрального излучения светодиодов имеет довольно узкие границы, а ее положение зависит от используемого полупроводникового материала.

ВАХ светодиодов походит на ВАХ кремниевого диода, однако прямое падение напряжения на светодиодах лежит в пределах 1.3 – 2.4 В (в зависимости от цвета свечения). Кроме того, они обладают более низким дифференциальным сопротивлением  по сравнению с кремниевыми и германиевыми диодами, что дает возможность использовать их в качестве стабилизаторов малых напряжений. ТКН светодиодов определяется так же, как и у обычных диодов, и составляет около –2мВ/К.

1.2 Характеристики биполярных транзисторов

Зависимости между токами и напряжениями биполярного транзистора описываются статическими вольт-амперными характеристиками (ВАХ), причем для полного описания транзистора необходимы два семейства ВАХ. Кратко рассмотрим семейства характеристик биполярного транзистора, включенного с общей базой (ОБ) и с общим эмиттером (ОЭ).

Рис. 1.4. Схема с общей базой

На рис. 1.4. показан транзистор, включенный по схеме с ОБ. В качестве входных величин для нее рассматриваются ток эмиттера i_э и напряжение эмиттер-база u_эб, в качестве выходных – ток коллектора i_э и напряжение u_кб. Семейство входных характеристик транзистора в схеме с ОБ и представляющее собой зависимость i_э(u_эб) при постоянном напряжении u_кб. Ветви входных ВАХ транзистора в схеме с ОБ похожи на прямую ветвь ВАХ диода. Однако при u_кб = 0 характеристика проходит через ноль, а при u_кб > 0 ветви входной ВАХ поднимаются несколько выше нуля. Входные и выходные ВАХ биполярного транзистора в схеме с ОБ, показаны на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Входные (а) и выходные (б) вольт-амперные характеристики

биполярного транзистора в схеме с общей базой

По аналогии с диодом входную характеристику транзистора можно охарактеризовать дифференциальным сопротивлением эмиттера:

На выходных характеристиках биполярного транзистора можно выделить несколько областей:

1) Область насыщения (u_кб < 0) характерна быстрым ростом тока коллектора при увеличении напряжения u_кб до нуля. Следует отметить, что в этой области оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, когда инжекция электронов из эмиттера частично или полностью компенсируется инжекцией из коллектора.

2) Линейная область (i_э > 0, u_кб > 0, но меньше напряжения пробоя), в которой выходные ВАХ транзистора хорошо описываются выражением:

где  – коэффициент передачи тока эмиттера, I_к0 – обратный ток коллектора , то есть ток, который течет при отсутствии эмиттерного тока, r_к -дифференциальное сопротивление коллектора, описывающееся выражением:

При использовании транзистора для усиления он работает именно в линейной области выходных характеристик.

3) Область отсечки (i_к < I_к0, u_кб > 0) характерна тем, что оба p-n-перехода транзистора смещены в обратном направлении и текущий через транзистор ток определяется в основном обратным током коллектора I_к0.

4) Область электрического пробоя коллекторного перехода. Пробой происходит при увеличении напряжения u_кб и характеризуется резким ростом коллекторного тока. На рисунке с выходной вольт-амперной характеристикой биполярного транзистора в схеме с ОБ видно, что напряжение u_кб, при котором происходит электрический пробой, уменьшается с ростом коллекторного тока i_к.

Рис. 1.6. Схема с общим эмиттером

Рассмотрим схему включения транзистора с ОЭ, которая показана на рис. 1.6. и является наиболее используемой усилительной схемой. Входными величинами для этой схемы являются ток базы i_б и напряжение база-эмиттер u_бэ, а выходными – ток коллектора i_к и напряжение коллектор-эмиттер u_кэ.

Учитывая, что u_кэ  u_кб, используя уравнения Кирхгофа для токов и напряжений и линейную аппроксимацию ВАХ транзистора в схеме c ОБ, получим выражение для коллекторного тока, справедливое в активном режиме:

где величина  – это коэффициентом передачи тока базы, определяет коэффициент усиления базового тока и описывается выражением:

а дифференциальное сопротивление коллектора в схеме c ОЭ  равно:

,

то есть примерно в  раз меньше дифференциального сопротивления коллектора в схеме c ОБ.

Величина  называется сквозным током коллектора и определяется формулой:

Входные и выходные ВАХ биполярного транзистора в схеме с ОЭ, показаны на рис. 1.7. Входные ВАХ транзистора в схеме ОЭ, то есть зависимости i_б(u_бэ) при постоянном напряжении u_кэ, также могут характеризоваться дифференциальным сопротивлением:

Рис. 1.7. Входные (а) и выходные (б) характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Следует отметить, что кривые i_б(u_бэ) проходят через ноль только при u_кэ, равному нулю, а при увеличении u_кэ смещаются вправо и вниз.

Выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ, то есть зависимости i_к(u_кэ) при постоянном токе базы i_б приведены на рисунке выше. На них обычно выделяют следующие области:

1) Область насыщения (0 < u_кэ < 1 В) в отличие от схемы c ОБ для схемы с ОЭ определена для положительных напряжений u_кэ.

2) Линейная область (i_к > , u_кэ > 1 В), но меньше напряжения пробоя. Здесь выходные ВАХ транзистора хорошо описываются выражением:

Из которого видно, что наклон зависимости i_к(u_кэ) в этой области в            ( + 1) раз превышает наклон выходных характеристик схемы ОБ.

3) Область отсечки (i_к < , i_б < 0). Границей этой области можно считать кривую зависимости i_к(u_кэ) при i_б = 0. При этом ток коллектора приблизительно равен . Минимальное значение коллекторного тока достигается при i_б =  – , в этом случае весь базовый ток попадает в коллектор и i_э = 0.

4) Область электрического пробоя коллекторного перехода смещается в сторону уменьшения напряжения u_кэ с ростом коллекторного тока.

2. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ С МИКРОКОНТРОЛЛЕРОМ

Рассмотрим используемый в данной курсовой работе микроконтроллер STM32f302xB/xC в 48 выводном корпусе, структурная схема, которого показана на рисунке 2.1. 

Рис. 2.1. Структурная схема микроконтроллера STM32f302xB/xC

Общие характеристики контроллера:

·   Процессор ARM 32-bit Cortex-M4 с частотой тактирования до 72МГц 

·   До 128 кбайт Flash-памяти и до 32 кбайт SRAM-памяти;

·   Напряжение питания от 2 до 3.6В;

·   Внутренние RC-генераторы на 8МГц и 32кГц;

·   Модули отладки SWD/JTAG, модуль ETM;

·   Два 12-битных АЦП (9 каналов, время преобразования 0.2 мкс) и один 12-битный ЦАП;

·   37 быстрых I/O портов;

·   12-канальный DMA контроллер, 7 универсальных таймера и 1 таймер с расширенным управлением, два SPI, два I2C, три USART, один USB, один CAN;

2.1. Устройства ввода-вывода

В микроконтроллерах устройства ввода-вывода (УВВ) разделяются на две группы: общего назначения и коммуникационные. Устройства ввода-вывода общего назначения микроконтроллеров STM32 состоят из портов ввода-вывода (ПВВ) общего назначения, контроллера внешних прерываний, аналогово-цифровых преобразователей, таймеров общего назначения, расширенного таймера и часов реального времени с энергонезависимыми (за счет резервного питания) регистрами. 

К коммуникационным УВВ относятся [5]: 

1) Интерфейс SPI. Используется для создания быстродействующей связи с интегральными схемами. 

2) Модуль I2C, является последовательной шиной для связи блоков внутри устройства. Он работает в ведущем или подчиненном режиме и поддерживает возможность арбитра шины.

3) Модуль УСАПП. В STM32 используются до 3 модулей УСАПП (универсальный синхронно/асинхронный приемопередатчик), каждый из которых поддерживает несколько режимов работы, позволяющие использовать МК в самых современных применениях.

У контроллера STM32F302CBT6 предусмотрено до 37 двунаправленных линий ввода-вывода. Все эти линии ввода-вывода разделены на 4 порта (GPIOA – 16 выводов: PA0-PA15, GPIOB – 16 выводов: PB0-PB15, GPIOC – 3 вывода: PC13-PC15, GPIOD – 2 выводов: PD0, PD1.).  Данные порты называются A, B, C, D и совместимы с напряжением питания контроллера.

Режим и состояние каждого вывода могут быть установлены отдельно, независимо от других выводов. Каждый вывод может использоваться в режиме:

·   Input floating – вход без подтягивающего резистора, брошенный в воздухе вход.

·   Input pull-up – вход с подтягивающим резистором, подключенным к питанию микроконтроллера.

·   Input pull-down - вход с подтягивающим резистором, подключенным к общему проводу (земле).

·   Analog – аналоговый вход (вход АЦП, компараторов и т.п.).

·   Output open-drain – выход с открытым стоком. Функционально аналогичен выходу с открытым коллектором. При низком логическом уровне замыкает вывод на землю, при высоком – бросает в воздухе.

·   Output push-pull – обычный активный выход. При низком логическом уровне напряжение на выводе равно 0, при высоком – напряжение близко к напряжению питания микроконтроллера, обычно + 3 В.

·   Alternate function push-pull – альтернативная функция вывода в обычном (активном) режиме.

·   Alternate function open-drain – альтернативная функция вывода в режиме открытый сток.

Существует система защиты конфигурационных параметров порта. Для ее активизации необходимо выполнить определенную последовательность действий над регистрами конфигурации. Разблокировка происходит только после сброса.

2.2.  Аналого-цифровой преобразователь

АЦП микроконтроллеров желательно питать отдельным напряжением, диапазон которых от 2.4 до 3.6В, в зависимости от типа корпуса. ИОН АЦП соединен либо внутренне с напряжением питания АЦП, либо со специальными внешними выводами. АЦП характеризуется 12-битной разрешающей способностью и частотой преобразования 5МГц.  На рисунке 2.3 показана структурная схема АЦП микроконтроллера [5].

Рис. 2.3.  Структурная схема АЦП микроконтроллера

 АЦП поддерживает два базовых режима преобразования: регулярный и инжектированный. В режиме регулярных преобразований задается канал или группа каналов, которые в дальнейшем преобразовываются поочередно.  Число каналов в этой группе задается пользователем. Также можно задавать порядок преобразования каналов, а один и тот же канал в цикле преобразования может быть оцифрован несколько раз. Группа регулярных преобразований запускается на программном уровне или аппаратно различными сигналами таймеров или по 1-ой линии внешних прерываний. Сразу после запуска этого режима преобразования начинают выполняться непрерывно. Также группа может работать в режиме с остановкой преобразования, когда по завершении оцифровки выбранных каналов преобразование приостанавливается вплоть до следующего запуска группы регулярных преобразований. 

Второй режим преобразований называется инжектированным. В инжектированную группу может входить до четырех каналов, а запуск преобразований выполняется на программном уровне или аппаратно. Сразу после запуска этой группы, приостанавливается оцифровка в группе регулярных преобразований, начинает выполняться собственная последовательность преобразований и возобновляться очередность преобразований в регулярной группе. Так же, как и в регулярной группе, может быть заданы любая последовательность каналов. Однако, в отличие от регулярной группы, у каждого инжектированного преобразования имеется свой собственный регистр результата и регистр смещения. 

2.3.  Цифро-аналоговый преобразователь

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования цифрового кода в пропорциональный аналоговый выходной сигнал. В STM32 цифро-аналоговый преобразователь работает с 8 - или 12 - разрядными данными. Запуск преобразования ЦАП возможен на программном уровне, либо от внешних источников.

Вход опорного напряжения Vref является общим с АЦП. Кроме обычного преобразования “цифра-аналог” ЦАП также может генерировать сигнал шума, треугольной формы и предусмотрена работа с модулем DMA. На рисунке 2.4 приведена структурная схема цифро-аналогового преобразователя [5].  

Рис. 2.4. Структурная схема цифр - аналогового преобразователя

В левом верхнем углу схемы показаны источники внешнего запуска преобразования: таймеры TIMx_TRGO, внешний вход EXTI_9 и программный запуск SWTRIGx. В центре логический модуль (Control logicx), формирующий шумовой сигнал (LFSRx) и треугольный сигнал (triangle), а также запрос DMA. В правом верхнем углу есть регистр управления (DAC control register). Кроме разрешения работы с DMA, на рисунке изображены еще и битовые поля этого регистра MAMPx и WAVENx. В разрядах WAVENx включаются/выключаются функции формирования шума или треугольного сигнала. В разрядах MAMPx задаются определенные данные, которые в дальнейшем используется для формирования шумового сигнала с помощью регистра сдвига. Если следует сформировать сигнал треугольной или синусоидальной формы, то в этих разрядах должна задаваться амплитуда выходного сигнала. При обычном же преобразовании данные записываются в регистры хранения DHRx (Data holding register), затем, при запуске преобразования они передаются в выходные регистры – DOR (Data output register – доступны только для чтения). Ну а далее, содержимое регистров DOR преобразуется в аналоговые величины напряжения в модулях преобразователей (Digital-to-analog-converterx) и поступает на вывод. Вывод ЦАП в микроконтроллере - это вывод PA4. Естественно, перед началом работы, соответствующий вывод должен быть сконфигурирован в аналоговый режим.

2.4 Универсальный синхронный / асинхронный приёмопередатчик

Универсальный асинхронный приёмопередатчик — узел вычислительных устройств, предназначенный для организации связи с другими цифровыми устройствами. Преобразует передаваемые данные в последовательный вид так, чтобы было возможно передать их по одной физической цифровой линии другому аналогичному устройству. Метод преобразования хорошо стандартизован и широко применяется в компьютерной технике (особенно во встраиваемых устройствах и системах на кристалле (SoC)).

Представляет собой логическую схему, с одной стороны подключённую к шине вычислительного устройства, а с другой имеющую два или более выводов для внешнего соединения.

UART может представлять собой отдельную микросхему (например, Intel I8251, I8250) или являться частью большой интегральной схемы (например, микроконтроллера)

Микроконтроллеры STM32F302xB/STM32F302xC имеют 2 встроенных всеобщих асинхронных приёмопередатчика (UART4, и UART5). Интерфейсы UART поддерживают IrDA SIR ENDEC, многопроцессорный режим связи и однопроводной полудуплексный режим связи. Интерфейс UART4 может обслуживаться контроллером DMA.

Микроконтроллеры STM32F302xB/STM32F302xC имеют три встроенных универсальных синхронных/асинхронных приёмопередатчика (USART1, USART2 и USART3).

Интерфейсы USART способны обмениваться данными со скоростью до 9 Мбит/с.

Они обеспечивают аппаратное управление сигналами CTS и RTS, поддерживают IrDA SIR ENDEC, многопроцессорный режим связи, однопроводной полудуплексный режим связи и имеют возможность Lin Master/Slave. Интерфейсы USART могут обслуживаться контроллером DMA.

3. ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА

3.1. Описание принципиальной схемы приставки – характериографа

На рис. 3.1. изображена структурная схема приставки – характериографа для основных полупроводниковых приборов. Генератор пульсирующего напряжения формирует пульсирующее регулируемое напряжение U_кэ с амплитудой в диапазоне от 0 до 50В и ограничением по току до 250мА. Диодные ограничители используются для защиты входов АЦП микроконтроллера от высокого напряжения. Источник тока задаёт базовый ток для проверяемых транзисторов. На его вход подаётся управляющий сигнал в виде ступенчатого напряжения с выхода цифро-аналогового преобразователя микроконтроллера. Данные с АЦП микроконтроллер передаёт на компьютер при помощи преобразователя USB-UART. На компьютере эти данные обрабатываются и на их основе строятся выходные вольт-амперные характеристики проверяемого транзистора и определяются его основные параметры.

Рис. 3.1. Структурная схема приставки – характериографа для основных полупроводниковых приборов

На рис. 3.2. показана аналоговая часть схемы приставки – характериографа для основных полупроводниковых приборов. Для получения, пульсирующего напряжения U_кэ используется напряжение из сети переменного тока, которое подается на понижающий трансформатор. Переменное напряжение 35В со вторичной обмотки, подключённой к разъёму P1, подается на двухполупериодный выпрямитель, выполненный на диодном мосте VD1. Полученное пульсирующее напряжение регулируется переменным резистором R4. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 и резисторе R5 используется для усиления этого сигнала по мощности, а для обеспечения ограничения выходного тока используется ограничитель тока на транзисторе VT2 и резисторе R6. Стабилитрон VD2 и резисторы R1 – R3 служат для построения сигнала синхронизации CLK, показывающий начало каждого импульса пульсирующего сигнала.

Источник тока собран на основе операционных усилителей DA2 и DA3. Зависимость его выходного тока от управляющего напряжения рассчитывается по формуле:

Для задания отрицательных значения выходного тока при помощи переключателя К1 и инвертора DA1R9 – R11 инвертируется управляющее напряжение. Следовательно, когда к гнездам разъема P3 подключают проверяемый транзистор структуры n-p-n и переключатель K1 находятся в верхнем на схеме положении, на базу транзистора подается положительный ток с генератора, одновременно то на коллектор транзистора поступает пульсирующее напряжение, регулируемое в диапазоне от 0В до 50В. Когда же нужно проверить транзисторы структуры p-n-p, переключатель K1 установлен в нижнем на схеме положении, указанном на схеме. В этом случае управляющее напряжение инвертируется и на базу транзистора подается отрицательный ток. Он обеспечивает такую же полярность сигнала на базе транзистора структуры p-n-p по отношению к эмиттеру, что и в случае проверки транзистора структуры n-p-n. Такое решение позволяет исследовать вольтамперные характеристики транзисторов разных структур без использования источника отрицательного пульсирующего напряжения. Транзистор VT3, включенный по схеме с общей базой, используется для уменьшения разности потенциалов между базой и эмиттером проверяемого транзистора, диод VD8 уменьшает его базовый ток транзистора VT3, а диод VD7 используется как шунт.

На приставке-характериографе кроме биполярных транзисторов также можно исследовать вольтамперные характеристики полупроводниковых двухполюсников. Их выводы подключают к гнездам “К” и “Э” разъема P3.

Питание операционных усилителей осуществляется при помощи блока питания на ± 12В, который подключается к разъёму P2.

Рис. 3.3. Аналоговая часть схемы приставки – характериографа для основных полупроводниковых приборов

Цифро-аналоговый преобразователь микроконтроллера D1 генерирует ступенчатое напряжение по сигналу синхронизации CLK. Данное напряжение является управляющим напряжением для источника тока.

Пульсирующее напряжение подается через делитель напряжения R7R8 и диодный ограничитель VD3VD4 на вход АЦП1 микроконтроллера. Протекающий через транзистор эмиттерный ток создает падение напряжения на резисторе R17, которое подается на вход АЦП2 микроконтроллера через диодный ограничитель VD5VD6.

Рис. 3.3. Цифровая часть схемы приставки – характериографа для основных полупроводниковых приборов

Данные с МК передаются на компьютер при помощи преобразователя USB-UART на базе CP2102. На компьютере эти данные обрабатываются и на их основе строятся выходные вольт-амперные характеристики проверяемого транзистора и определяются их основные параметры.

Напряжение +5В с выхода преобразователя USB-UART на базе микросхемы CP2102 преобразуется в +3,3В, при помощи линейного регулятора напряжения VR1. Именно это напряжение используется для питания МК D1.

Диод VD9 используется для индикации работы микроконтроллера D1.

В приложении 1 табл. 1. приведён список всех используемых в данной работе радиотехнических элементов.

3.2 Проверка и отладка схемы

Проверка и отладка приставки была проведена с помощью осциллографа С1-220. Осциллограмма сигнала, полученная с выхода генератора пульсирующего напряжения приведена на рис. 3.3. Аттенюатор был установлен в положение 5 В/Дел, горизонтальная развертка 2 мс/д. Движок переменного резистора R4 был установлен в верхнее по схеме положение. Видно, что амплитуда пульсирующего напряжения составляет 47.6 В.

Рис. 3.4. Осциллограмма сигнала с выхода генератора пульсирующего напряжения

Осциллограмма пульсирующего напряжения синхронизации (CLK), представлена на рис. 3.5. Аттенюатор был установлен в положение 0,5 В/Дел, горизонтальная развертка 2 мс/д. Амплитуда пульсирующего напряжения составляет 3.36 В, чего достаточно для срабатывания триггера внешнего прерывания МК D1.

Рис. 3.5. Осциллограмма сигнала синхронизации

 Далее производилась проверка выходного сигнала с ЦАП МК. Данная осциллограмма, представлена на рис. 3.6. Аттенюатор был установлен в положение 0,5 В/Дел, горизонтальная развертка 5 мс/д. На осциллограмме видно, что сменна ступени происходит с частотой сигнала синхронизации, 100Гц.

Рис. 3.6. Осциллограмма ступенчатого сигнала с выхода ЦАП

Также была проверена работа АЦП микроконтроллера D1. Был оцифрован сигнал с выхода генератора пульсирующего напряжения. График данного сигнала представлен на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Оцифрованный сигнал пульсирующего напряжения

График зависимости выходного напряжения инвертирующего усилителя от входного представлен на рис. 3.8. На вход инвертора подавалось постоянное напряжение с лабораторного блока питания и снимались значение напряжения с его выхода.

Рис. 3.8. Передаточная характеристика инвертирующего усилителя

График зависимости выходного тока ИТУНа от входного напряжения представлен на рис. 3.9. На вход источника тока подавалось постоянное напряжение с лабораторного блока питания и при помощи миллиамперметра снимался выходной ток, протекающий через резистор 120 Ом.

Рис. 3.9. Передаточная характеристика ИТУНа

3.3 Измерение ВАХ некоторых полупроводниковых приборов

Были проведены измерения вольт-амперных характеристик двух кремниевых диодов КД503А и Д223А. Графики их ВАХ изображены на рис. 3.10. и рис. 3.11. Графики были построены в программе Microsoft Excel на основе данных, полученных с двух аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера D1.

Рис. 3.10. ВАХ диода КД503А

Рис. 3.11. ВАХ диода Д223А

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения курсовой работы была разработана и изготовлена приставка-характериограф для компьютера, с помощью которой были измерены вольт-амперные характеристики некоторых полупроводниковых приборов.

Преимуществом данной приставки является то, что у неё имеется широкий диапазон генерируемых токов базы -10 мА…+10 мА, регулируемое напряжение коллектор-эмиттер, вольт-амперные характеристики проверяемых полупроводников отображаются на компьютере, приставка может применяться для обучения студентов при выполнении различных лабораторного практикумов.

В ходе работы с приставкой были выявлены некоторые недостатки. Сложность обработки данных, полученных с МК, и последующему построению ВАХ на компьютере. Построенные приставкой ВАХ имеют сильный разброс значений, следовательно, они получаются не точными и далеки от действительности. Скорее всего это связано с не высокой точностью используемого АЦП.

Также была выявлена ошибка в программе, которая не позволяла измерять ВАХ биполярных транзисторов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.    Титце У., Шенк К. – Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. – М.: Мир, 1982. – 512 с., ил.

2.    Манаев Е. И. – Основы радиоэлектроники. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1990. –  512 с.: ил.

3.    П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. Т.2. –М.: Мир, 1993. – 371 с.

4.    Geoffrey Brown. Discovering the STM32 Microcontroller, 2016.

5.    Мартин М.  Инсайдерское руководство по STM32. [Электронный ресурс]. URL: http://www.twirpx.com/file/1568214 (дата обращения: 24.05.19).

6.    Характериограф для транзисторов. [Электронный ресурс]. URL: https://oml2m.com/go/har1.htm (дата обращения: 29.05.2019).

7.    STM32. Программирование EXTI. [Электронный ресурс]. URL: http://www.avislab.com/blog/stm32-exti_ru/ (дата обращения: 28.09.2019).

8.    Никитин А.В., Якимец А.Л. Основы радиоэлектроники: Методические указания к лабораторному правктикуму: В 4 ч. – Ч.2:  Полупроводниковые приборы: Лабораторные работы № 7-9. – Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2004. – 40 с.

9.    Справочник по радиоэлектронным устройствам.; Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978

10.    Справочник по радиоизмерительным приборам.; Под ред. В. С. Насонова — М.: Сов. радио, 1979

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Табл. 1. Список элементов
Резисторы	R1 = 8 кОм, R2 = 2кОм, R3 = 3кОм, R4 = 10кОм, R5 =, R6 =, R7 = 12кОм, R8 = 1кОм, R9 = 1кОм, R10 = 1кОм, R11 = 500, R12 = 10кОм, R13 = 10кОм, R14 = 100, R15 = 100Ом, R16 = 3.3Ом, R17 = 12Ом, R18 = 330, R19 = 51, R20 = 10кОм, R21 = 1кОм, R22 = 100Ом, R23 = 100Ом, R24 = 100Ом, R25 = 100Ом.
Конденсаторы	C1 = 0,1мкФ, C2 = 0,1мкФ, C3 = 0,1мкФ, C4 = 0,1мкФ, C5 = 0,1мкФ.
Полупроводники	VD1 – DB102S, VD2 – BZV55-C3V3.115, VD3 – S15, VD4 – S15, VD5 – S15, VD6 – S15, VD7 – S15, VD8 – GS3B, VD9 – TO-3216BC-BF, VT1 – BD239BTU, VT2 – MMBT2222ALT1G, VT3 – PBSS435OT.215.
Микросхемы	D1 – STM32F302CBT6, VR1 – LM1117IMPX-3V3/NOPB.
Операционные усилители	DA1 – TS321ILT, DA2 – LM358ADT, DA3 – LM358ADT.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

#include "stm32f30x.h"

#include "stm32f30x_gpio.h"

#include "stm32f30x_rcc.h"

#include "stm32f30x_misc.h"

#include "stm32f30x_adc.h"

#include "stm32f30x_usart.h"

#include "stdio.h"

int i = 0;

int j = 0;

uint16_t data_adc_1[250];

uint16_t data_adc_2[250];

//Передача float через USART

void float_write(uint16_t f)

{

  char* ptr;

  ptr = (char*) &f;

  for (i = 0; i < 2; i++)

  {

     char simvol = *(ptr++);

     while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET){}

     USART_SendData(USART1, simvol);

  }

}

int main(void)

{

//Объявление структур

                GPIO_InitTypeDef gpioA;

                GPIO_InitTypeDef gpioB;

    ADC_InitTypeDef adc;

    USART_InitTypeDef usart;

                ADC_CommonInitTypeDef adc_com;

//Запуска собственного генератора

    RCC_DeInit();

    RCC_HSICmd(ENABLE);

    RCC_ADCCLKConfig(RCC_ADC12PLLCLK_Div64);

    RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSI);

    while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x00) {} /* Ждем, пока переключимся *///Конец

//Подключение и настройка порта А (ADC, USART)

                RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE);

                gpioA.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7|GPIO_Pin_2;

                gpioA.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;

                gpioA.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;

                gpioB.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;

                gpioB.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;

    gpioA.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10;

                gpioA.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;

                gpioA.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;

                gpioB.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;

                gpioB.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;

                GPIO_Init(GPIOA, &gpioA);

                GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_7);

                GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_7);

//Подключение и настройка порта B (LED)

                RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOB, ENABLE);

                gpioB.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;

                gpioB.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;

                gpioB.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;

                gpioB.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;

                gpioB.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;

                GPIO_Init(GPIOB, &gpioB);

//Включение и настройка USART

                RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

                usart.USART_BaudRate = 9600;

                usart.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;

                usart.USART_Mode = USART_Mode_Rx|USART_Mode_Tx;

                usart.USART_Parity = USART_Parity_No;

                usart.USART_StopBits = USART_StopBits_1;

                usart.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;

                USART_Init(USART1, &usart);

                USART_Cmd(USART1, ENABLE);

//Включение и настройка ADC

                RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_ADC12, ENABLE);

                adc_com.ADC_Clock = ADC_Clock_SynClkModeDiv2;

                adc_com.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled;

                adc_com.ADC_DMAMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled;

                adc_com.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;

                adc_com.ADC_TwoSamplingDelay = 5;

                ADC_CommonInit(ADC1, &adc_com);

                ADC_CommonInit(ADC2, &adc_com);

                adc.ADC_ContinuousConvMode = ADC_ContinuousConvMode_Enable;

                adc.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;

                adc.ADC_ExternalTrigConvEvent = ADC_ExternalTrigConvEvent_0;

                adc.ADC_ExternalTrigEventEdge = ADC_ExternalTrigEventEdge_None;

                adc.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;

                adc.ADC_OverrunMode = ADC_OverrunMode_Disable;

                adc.ADC_AutoInjMode = ADC_AutoInjec_Disable;

                adc.ADC_NbrOfRegChannel = 1;

                ADC_Init(ADC1, &adc);

                ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_3 , 1, ADC_SampleTime_601Cycles5);

                ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

                while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_RDY) == RESET);

                ADC_Init(ADC2, &adc);

                ADC_RegularChannelConfig(ADC2, ADC_Channel_4 , 1, ADC_SampleTime_601Cycles5);

                ADC_Cmd(ADC2, ENABLE);

                while(ADC_GetFlagStatus(ADC2, ADC_FLAG_RDY) == RESET);

//LED

                GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);

                for(j = 0; j < 5000000; j++);{}

                for(j = 0; j < 250; j++)

                {

                               ADC_StartConversion(ADC1);

                               while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);

                               data_adc_1[j] = ADC_GetConversionValue(ADC1);

                               ADC_StartConversion(ADC2);

                               while(ADC_GetFlagStatus(ADC2, ADC_FLAG_EOC) == RESET);

                               data_adc_2[j] = ADC_GetConversionValue(ADC2);

                }

                for(j = 0; j < 10; j++)

                {

                               while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET){}

                               USART_SendData(USART1, 0xFF);

                }

                for(j = 0; j < 250; j++)

                {

                               float_write(data_adc_1[j]);

                }

                for(j = 0; j < 10; j++)

                {

                               while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET){}

                               USART_SendData(USART1, 0xFF);

                }

                for(j = 0; j < 250; j++)

                {

                               float_write(data_adc_2[j]);

                }

                while(1)

                {

                }

 }