毕业设计（论文）
开题报告
题目名称：
学院名称：电子信息学院
班 级：测控12
学 号：
学生姓名：
指导教师：
2015 年3月
目录
1 课题背景与意义... 3
2 元件特性参数测量仪研究与应用概况... 4
3 元件特性参数测量仪设计... 5
3.1 方案论证... 5
3.2 元件特性参数测量仪系统结构... 6
4 元件特性参数测量仪硬件部分... 6
4.1 扫描电压电路... 6
4.1.1 数据采集卡模拟电压输出通道... 7
4.1.2 扫描电压... 7
4.2 测量电路... 7
4.2.1 二极管正向伏安特性测量电路... 7
4.2.2 三极管伏安特性测量电路... 8
5 系统的软件设计... 8
5.1 人机交互界面设计... 9
5.1.1 波形图显示面板... 9
5.1.2 参数设置面板... 9
5.1.3 波形图参数设置面板... 10
5.2 信号分析处理的软件设计... 10
5.2.1 扫描电压输出模块设计... 10
5.2.2 信号分析处理模块设计... 10
6 进度安排... 11
7 工作总结... 12
8 参考文献... 13
1 课题背景与意义
元件特性测试仪是电子从业人员常用的电子测试仪器。目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定元件特性。另外，随着测量技术的飞速发展以及人们对电参数的测量精度要求的提高，目前教学实验中普遍采用的数字式万用表已不能满足测量要求，因此设计可靠，安全，便捷，测量精度更高的元件参数测试仪具有广泛的使用价值和应用前景。
自动化给测量工作带来的好处是人所共知的，不仅节约人力，减少人为误差，而且有好些人们不能到达的地方，如高温、高压和有原子辐射的场合；有些人们的反应速度无法适应的项目，如集成电路的高速测试；在原子核技术的测量中，要在
时间内，同时监测若干个数据；有些因数据繁多，人们无法及时处理的测试内容，如相控阵雷达的测试和微波网络的测量等需要自动进行测量。除此以外，还因为自动调零、自动校准、自动计算而大大提高测量精度。所以实现晶体管特性测试仪自动化是每个仪器研究、设计和制造者迫在眉睫的任务。
传统的晶体管测量方法需要使用多种工具、测量过程繁琐、测量结果不够直观。示波器、晶体管特性图示仪等传统的测量系统虽然测量结果可靠，但是仪器体积过大、价格昂贵、操作复杂。而计算机技术飞速发展以及软件工具不断完善，为晶体管的特性测量提供了全新的方法——虚拟仪器。使用这种方法一改传统测量方法的繁琐、不便，大大方便了实验过程。基于虚拟仪器技术设计的晶体管特性测试仪体积小、价格低、测试功能由设计者随意设定，测试数据可以利用计算机存储、分析并和其他设备进行通信，而且还可以根据用户要求对外围设备进行控制，利用虚拟仪器组成的测控系统可以部分地替代 PLC 和单片机组成的工业自动化控制系统。
由美国NI公司研发的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种使用图形化编程语言(G 语言)的程序开发环境，在工业界、学术界和研究实验室等被广泛采用，并被看成一种最为标准的数据采集和仪器控制软件。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块。虚拟仪器使得用户根据自己的需要定义仪器功能，从而可以更好地组建自己的测试系统。虚拟仪器的硬件、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要灵活组建仪器，大大提高了使用效率，减少了投资，克服了传统测试仪器的缺点。
2 元件特性参数测量仪研究与应用概况
元件特性参数测量仪的研究起步于电气时代初期。元件特性参数测试仪广泛用于电气元件测量，其要求是：快速、准确、无损耗。
目前国内外已有很多厂家做出了元件特性参数测量仪，国外的厂家主要有ABB、艾默生、E+H、科隆、西门子等，其中以ABB和艾默生做得更为出色，它们的产品体积小、基本精度可达到0.1%，可根据需要测量半导体二极管、三极管的低频直流参数。最大集电极电流可达50A，具备高压测试能力，可对3KV(5KV)\以下的半导体管进行击穿电压及反向漏电流测试，其测试电流最高灵敏度可达到0.5uA/度。基极阶梯信号具有脉冲阶梯输出，可测量二次击穿特性。
国内的厂家主要有上海仪器仪表研究所、重庆茂丰工贸、苏州协锐电子和常州同惠电子等。国内厂家所生产的元件特性参数测试仪体积相比国外厂家要大一些，外形多为长方体；测试频率的范围较小，可供选择的阶梯信号种类也相对少些，基本精度可达到0.25%，测试速度与国外仪器相当。
纵观国内外情况，我们可以看出元件特性参数测试仪的开发有二个发展趋向:
(1)对各种类型的电子产品进行日常维护、监测，使得其向小型化、便携式、通用化方向发展。
(2)向连续、在线、实时的状态监测和故障诊断系统方向发展。这类系统功能齐全，但耗资较大，一般适用于重要的关键设备。
国外虚拟仪器技术自上世纪80年代由美国NI公司提出以来，一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。近年来，世界各国的许多大型自动测控和仪器公司均相继研制了为数不少的虚拟仪器开发平台，但最早和最具影响力的还是NI公司的图形化开发平台LabVIEW。虚拟仪器在国外已发展成为一种新的产业。
国内虚拟仪器最早的研究也是从引进消化NI的产品开始。国家自然科学基金委员会也曾将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一，列入为“十五”旗舰优先资助领域。目前有些研究已取得可喜成绩，如863项目“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”，所研制的“一体化虚拟仪器”就是一种不同于欧美虚拟仪器的技术。
随着虚拟仪器技术的发展，同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：性能高、扩展性强、节约时间、无缝集成。元件参数测量仪的发展正向小型化、连续测量、智能检测发展，这些都是虚拟仪器技术所能提供的，因此用虚拟仪器构建元件参数测量仪是十分有前景的。
3 元件特性参数测量仪设计
3.1 方案论证
基于虚拟仪器的元件参数测量仪设计有两种方案：
方案1：利用Atmel 89C51芯片、ADC0809和DAC0832等制作电压扫描电路，通过编程以及延时程序等的控制生成所需的扫描电压，然后将扫描电压加于测量电路取得测量信号。这个方案组合技术成熟、成本较低，但是使用芯片较多，在焊接时连线复杂，导致系统稳定性下降，而且使用的是8位ADC、DAC，精确度不高，并且由于元件固定，线路难以更改，在后期的使用中不易维护升级和更改参数。
方案2：利用信号采集卡的模拟电压输出通道产生扫描电压，然后通过电压输出通道将扫描电压加于测量电路，最后将测量信号通过采集卡输入PC端的虚拟仪器。这个方案将扫描电压的生成在虚拟仪器中进行，这样省却了元件连接过多的繁琐，成本低廉，并且扫描电压的参数完全由程序所控制，精度高，稳定性好。由于参数是程序所指定的，因此易于参数的变更和后期的维护升级。在虚拟仪器中可以制作开始与停止按钮用于控制扫描电压，操作上比较简便，由于硬件连接的减少，大大降低了工作量，系统的可靠性也有了保障。
因此，此次课题设计选用方案2。利用信号采集卡的模拟电压输出通道产生扫描电压，然后通过电压输出通道将扫描电压加于测量电路，最后将测量信号通过采集卡输入PC端的虚拟仪器进行下一步的信号处理与分析。
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。各个公司研制了很多的虚拟仪器软件，LabVIEW是美国NI公司开发的通用编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。与其他虚拟仪器软件相比，LabVIEW一直走在技术的前沿，LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。并且LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。其他虚拟仪器软件全都是以LabVIEW为模仿对象进行开发的，功能并不能完全达到LabVIEW的功能效果，绝大多数国家都是以LabVIEW进行虚拟仪器开发的，因此在此次元件参数测量仪的设计中将使用LabVIEW进行PC端虚拟仪器的设计。
3.2 元件特性参数测量仪系统结构
元件特性参数测量仪典型结构如图1-1所示，由电压扫描模块、测量信号模块、采集信号模块和信号处理及分析显示模块构成，各模块环节功能如下。
图3.2 系统结构
电压扫描模块：通过LabVIEW生成扫描电压加于测量电路。扫描电压是由两帧组成的顺序结构程序实现的，在0 帧先产生周期性的信号类型、 频率及幅值可控的电压扫描信号。在 1 帧中从 A I 的 0、1 两个通道各采集一个电压波形这样就可以得到扫描电压。
测量信号模块：是为了测量元件参数所构建的硬件电路，留有元件接入的接口，便于测量。
采集信号模块：是一个信号采集硬件电路，将测量信号模块产生的测量信号采集到PC端。
信号处理及显示模块：将采集信号模块采集到的信号通过LabVIEW进行分析和处理，并且制作出PC端的界面将结果显示于PC界面之上。
4 元件特性参数测量仪硬件部分
元件特性参数测量仪硬件部分主要由扫描电压电路、测量电路组成，然后将采集的信号通过USB接口将采集信号输入到PC端。
4.1 扫描电压电路
扫描电压是加于测量电路的，其电压大小、频率、占空比等应该是可调的，在本次毕业设计中将利用数据采集卡的模拟电压输出端口构建扫描电压电路，如图4.1所示。
图4.1扫描电压电路
4.1.1 数据采集卡模拟电压输出通道
数据采集卡具有两路模拟信号输出通道，其能输出模拟电压信号，其性能指标为：
● 模拟输出通道: 2 路单端（同步）
● 模拟输出范围： 0-3.3V
● 模拟输出电流: 1 毫安
● 分辨率： 12Bit(4096)
● 非线性误差： ±2LSB
● 扫描时钟： 1sps-1000Ksps 内部时钟
4.1.2 扫描电压
扫描电压是由LabVIEW中两帧组成的顺序结构程序实现的，在0 帧先产生周期性的信号类型、 频率及幅值可控的电压扫描信号。在 1 帧中从 A I 的 0、1 两个通道各采集一个电压波形这样就可以得到扫描电压。
4.2 测量电路
测量电路是用于测量元件参数所构建的硬件电路，留有元件接入的接口，便于测量。主要分为二极管和三极管的两种测量电路。
4.2.1 二极管正向伏安特性测量电路
通常二极管正向伏安特性是指流经它的电流的大小与加在二极管两端电压之间的关系， 为了能够实现二极管正向伏安特性曲线， 需在二极管两端加上随时间而改变的电压， 这样才能测量二极管在不同电压下通过的电流， 其测量原理如图4.2.1 所示。
图4.2.1二极管正向伏安特性测量电路原理
4.2.2 三极管伏安特性测量电路
因为在低频条件下由三极管本身产生的耦合电阻、耦合电容几乎对它们在不同外界条件下表现出来的特性干扰很小，因此在低频条件下测量三极管特性曲线时只考虑集电极和发射极间的电压 
、流经集电极的电流
、基极电流
。通过直接和间接测量得到这三者，再将他们有机地结合起来，在同一坐标中表示出来，这样就可以在屏幕上观察到三极管的伏安特性曲线。其测量原理如图 2。
图4.2.2三极管伏安特性的测量原理
5 系统的软件设计
系统的软件设计主要是基于LabVIEW的软件设计，其主要包括人机交互的前面板设计和信号分析处理的软件设计。
5.1 人机交互界面设计
人机交互界面是能实时显示测量分析结果和调控显示界面的。其应该含有伏安特性曲线显示区、参数选择区和图形调控区。其前面板如图5.1所示。
图5.1人机交互界面前面板
如图所以，上部的图形主要用来显示测量结果的伏安特性，其坐标轴分别显示电流和电压。左下角放置参数设置按钮，用来调控相关的参数。右下角放置波形图设置按钮，可以用来设置显示图形的大小，刻度大小等。
5.1.1 波形图显示面板
波形图显示面板是显示所测元件伏安特性曲线的，其X轴表示电压，Y轴显示电流，用的是LabVIEW提供的图形控件XY Graph。
5.1.2 参数设置面板
参数设置面板主要是为了方便设置测量参数的，可以分别用来设置电流、电压阶梯差值，扫描电压的峰值和梯度等。
5.1.3 波形图参数设置面板
波形图设置面板主要是调控图像的显示的。可以分别用按钮等设置图形的大小、横轴和纵轴的标度等。
5.2 信号分析处理的软件设计
信号分析处理软件是将采集卡采集到的信号进行分析和处理，并且能将伏安特性曲线在前面板显示的。其主要包括扫描电压输出模块设计和信号分析处理模块设计。
5.2.1 扫描电压输出模块设计
测量元件的特性主要是在被测元件两端加以扫描电压，通过对其输出的伏安特性进行处理和记录来取得其特性测试结果。扫描电压是用一个由两帧组成的顺序结构程序实现的。在0帧先产生周期性的信号类型、频率及幅值可控的电压扫描信号。在1 帧中从 0、1 两个通道各采集一个电压波形。扫描电压输出模块设计主要使用LabVIEW的顺序结构程序实现。
5.2.2 信号分析处理模块设计
信号分析处理模块是用于将采集的信号进行分析和处理，并且将处理结果显示于前面板，其参数应该可控。该模块采用两帧的顺序结构，首先发生所需的电压数据波形，然后采集需要处理的有关数据。再经LabVIEW的图形控件XY Graph显示出伏安特性曲线。
6 进度安排
第一学期 第13-14周 查资料
第15-16周 英文译文
第17-18周 方案论证
第二学期 第3-6周 硬件电路的设计
第7-8周 软件设计
第9-10周 完成总体设计
第11-12周 系统调试
第13-15周 撰写毕业论文、答辩
7 工作总结
目前，我已查阅了关于这个课题的相关资料文献，了解了课题完成的相关知识，对完成这个课题有了清晰的架构………………………….
8 参考文献
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[20]HuiZHU , JINLijun , SHENXiaojun , SHENYuzhuo , GUKai．Design of capacitance parameter measuring instrument based on virtual instrument [D]．Shanghai: Department of Electrical Engineering, Tongji University,2012,6