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如何用Multisim10进行数据采集？如何用LabVIEW显示单结晶体管伏安特性？

如何用Multisim10进行数据采集？
如何用labview显示单结晶体管伏安特性？

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张雷

2021-4-9 11:01:39
单结晶体管是近几年发展起来的一类新型电子器件，它具有一种重要的电气性能，即负阻特性，可以大大简化自激多谐振荡器、阶梯波发生器及定时威廉希尔官方网站 等多种脉冲产生单元威廉希尔官方网站 的结构，故而应用十分广泛。了解单结晶体管的伏安特性曲线，是理解及设计含单结晶体管威廉希尔官方网站 工作原理的基础。在传统的单结晶体管伏安特性测试实验中，通常需要直流电源与晶体管图示仪两种设备配合使用，然而图示仪没有相应的器件插孔，测试很不方便。另外，因图示仪的频率特性低，无法显示单结晶体管伏安特性的负阻区，这给理解其特性曲线带来困难。可以利用Multisim 10与LabVIEW结合完整地显示其特性曲线，且方便于读取峰点与谷点的电压及电流值。
1 用Multisim 10进行数据采集
Multisim 10的元器件库提供数千种威廉希尔官方网站 元器件供实验选用，虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，但没有晶体管图示仪，只能测试晶体三极管、PMOS和NMOS伏安特性曲线，不具备测试单结晶体管的伏安特性的功能。可以利用Multisim 10强大的仿真功能，对单结晶体管的测试威廉希尔官方网站 进行数据采集。
1.1 单结晶体管的测试威廉希尔官方网站
单结晶体管的伏安特性测试条件是当第二基极B2与第一基极B1之间的电压VBB固定时，测试发射极电压VE和发射极电流IE之间的关系。在Multisim 10中画出单结晶体管的测试威廉希尔官方网站 ，如图l所示。选取2N6027管为测试管，图1中4号线接发射极E；3号线接第二基极B2；0号线接第一基极B1；电压源V1和V2的数值不固定，可在直流扫描时进行修改。

1.2 单结晶体管测试威廉希尔官方网站 的直流扫描分析
Multisim 10可同时对2个直流源进行扫描，仿真时，选择V2直流源，扫描曲线的数量等于V2直流源的采样点数。每条曲线相当于V2直流源取某个电压值时，对V1直流源进行直流扫描分析所得的曲线。横坐标是V2，纵坐标是V（4）电压（即VE）和I（V3）电流（即IE），不符合单结晶体管伏安特性VE与IE之间的关系曲线，即直流扫描曲线不能直观地反映VE与IE之间的关系，必须进行进一步的处理。
1.3 单结晶体管测试数据的后处理
可采用Multisim 10提供的后处理功能与直流扫描功能相配合，将采集的实验数据输出到Excel电子表格中，如图2所示。在Excel表中，X-Trace栏显示的是变化的V2电压值；Y-Trace显示的是不同V2电压下，I（V2）的电流值和V（4）的电压值，因为每个点均有横坐标与纵坐标的值，所以会出现多次的X-Trace栏。至此，由Multisim10进行的数据采集工作已经结束。

2 用LabVIEW显示单结晶体管伏安特性
LabVIEW的主要特点是用户可依托计算机的资源构建虚拟仪器，以代替实际仪器完成测试和测量任务。在LabVIEW中，开发程序都被称为VI（虚拟仪器），其扩展名默认为．vi。所有的VI都包括前面板（front panel）、框图（block diagram）及图标和连接器窗格（icon and connector pane）3部分。虚拟仪器的交互式用户接口被称为前面板，它模仿了实际仪器的面板。Multisim 10采集的数据为Excel电子表格数据，1个点1对坐标，是输入电压V2与I（V2）及输入电压V2与V（4）的关系，而单结晶体管的伏安特性描述的是电压V（4），即VE与电流I（V2），即IE之间的关系，因此不能直接用Multisim 10采集的数据进行显示，可以通过LabVIEW进行相应数据的提取。
2.1 LabVIEW软件程序开发
LabVIEW程序设计具有结构化和层次化的特征。通过采用模块化的设计方法，一个应用程序可以分为许多个相对独立的模块，每个模块实现特定的功能。通过对模块的不同管理和组合，可以完成各种复杂VI的程序设计。当程序规模较大，或有多个相同的处理模块时，用户可以为这些模块设计一个子程序，即子VI。子VI类似于传统文本语言的子程序，它可以被多次调用，而不用重新编写代码，这使得设计复杂的重复性动作变得更加容易，应用程序的维护更加简单。创建应用程序时，通常从顶层VI开始，为应用程序定义输入和输出，然后构建子VI，完成对流过框图数据流的必要操作。数据显示程序的设计层次如图3所示，图中自创文件主要有三个，低层文件SN TRAN、中层文件SM、高层文件UTJ VI。

2.1.1 数据显示程序结构中子程序介绍
SN TRAN子程序功能：字符串转换子程序，读取含有以逗号、换行或其他非数字字符分隔的数字ASCII字符串，并将其转换为一个数组，采用该子程序可以将Multisim 10中采集的数据转换成LabVIEW中可以读取的数据，其程序框图如图4所示。

SM扫描子VI功能：将采集的数据文件读人，并可以显示出数据或波形，其程序框图如5所示。经SN TRAN转换后得到的数据可以用数值方式显示两个量之间的对应关系；也可以作为图形直观地显示两个量之间的变化趋势。UTJ VI单结晶体管显示子VI功能：显示单结晶体管VE和IE之间的变化趋势，程序框图如图6所示。其前面板显示的单结晶体管伏安特性曲线如图7所示。


2.2 单结晶体管伏安特性参数的读取
游标是图形的特殊个性化特征，利用图形的游标能够准确地读出曲线上任何一点的数据，如图7所示。这里增加了两个游标，分别命名为P：VP&IP和V：VV＆IV，且可以设置成在图中显示，这样既可直观地看出具体点的标记。名称后面的数据分别表示横坐标电压和纵坐标电流的数值，且数据精度可以根据需要设置。因单结晶体管的反向漏电流很小，只是微安级，所以应将精度设置大些，才能体现出数据的变化。移动游标，可以读出任意点的坐标，这样方便于读数，游标的形状、颜色均可以改变，增加了使用的灵活性。
2.3 单结晶体管伏安特性分析
截止区 当加在第二基极与第一基极间的电压VBB固定时，等效威廉希尔官方网站 中A点对B1的电压UA=ηVBB为定值；当VE较小，且VEA时，PN结反偏，此时只有很小的反向漏电流IEO（几微安），如前面板中显示的前几个电压值很小时，电流值为负，即图中曲线的起始段；当VE增大，且VE=VA时，PN结处于零偏，IE=0。当VE继续增大，且VE＞VA时，IE开始大于零。由于硅二极管的正向压降为0.7 V，所以IE不会显著的增加，该电压称为峰值电压VP，图中显示为VP=6.538 54 V，对应的电流称为峰值电流IP，图中显示为IP=0.00 249 A=0.25 mA，这一区域称为截止区，即P点前区。因为数值太小，从曲线上看不出来变化趋势。
负阻区 当VE继续增加，且VE＞VA时，管子转向导通，PN结电流开始显著增加，这时将有大量的空穴进入基区，使E，B1间的载流子大量增加，Re1迅速减小，而RB1的减小又使VA降低，导致IE又进一步加大，这种正反馈的过程，使IE急剧增加，VA下降，此时单结晶体管呈现了负阻特性，如图中曲线的P～V段。到了“V”点，负阻特性结束，V点电压Vv称为谷点电压。前面板中V点坐标显示为Vv=0.867 417 V，对应的电流称为谷点电流Iv（Iv=0.057 295 A=57.29 mA）。
饱和区 过了谷点V之后，继续增加VE，IE～VE曲线的形状接近二极管导通时的正向特性曲线，如曲线“V”点向上段，此时称为饱和区。
当改变VBB电压时，即改变了阈值电压VA，此时曲线的峰点电压也随之改变。
3 结 语
Muhisim 10与LabVIEW相结合，利用子程序做成测试单结晶体管弛张振荡威廉希尔官方网站 中电容器的充放电尖脉冲波形，可以弥补普通示波器测试频带窄而不能显示这些波形的缺陷。这种方法还可以推广到测试并显示任何威廉希尔官方网站 中任意两个量之间的关系，这对分析威廉希尔官方网站 的伏安特性、传输特性等具有很大的意义。
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