[发明专利]基于FPGA的半导体管特性实时测量控制器

说明书

技术领域

本发明属于实时测量控制技术，涉及基于FPGA的半导体管特性的测量装置。以本发 明的基于FPGA的实时测量控制器为基础，可以设计适用于各种应用类型的智能仪器系统， 投入生产应用。

背景技术

50年代起，电子器件出现了重大的突破，半导体器件逐渐代替了电子管器件，使电子 工业由电子管时代迈向了半导体时代，这是一次阶段性的飞跃。随着半导体器件的出现， 测量其各类参数的测试仪器——半导体管特性测量仪器也相应而生，并随着半导体器件的 发展而发展。半导体管特性测量仪器是一种测试半导体管并能在屏幕上观察特性曲线和直 流参数的测量仪器。几乎所有的二端、三端的半导体器件均可进行测试和观察；测量仪器 不用表头、指针来读测数据，而是将半导体管的特性直接显示在LCD屏幕上，一目了然， 可直接读数进行分析、比较、挑选和配对，使用极为方便。鉴于以上特点，半导体特性测 量仪器广泛地用于生产、科研、军事、教育等各个领域。凡是设计、制造、使用、维修、 计量、检测半导体器件的部门和单位都需要使用半导体管特性测量仪器。

国内外针对半导体管特性测量控制仪器的研究与开发已经有数十年的历史。在国内目 前从事此产品生产、开发的企业主要有上海新建仪器设备有限公司、北京无线电仪器厂、 湖南邵阳无线电仪器厂、光华无线电仪器厂、江苏绿扬电子仪器集团有限公司。国内还没 有可以与安捷伦、泰克等测试行业巨头抗衡的本土品牌，在国外美国泰克公司生产的 Tek370、371系列的半导体管特性图示仪，凭借其领先的技术指标在国际市场上占优。现 有的技术方案有以下两点不足之处：

(1)目前的产品内部多由单片机对测量过程进行控制，同时负责对测量数据的处 理、加工、显示。在这种方案下，处理器身兼数职，降低了整个系统的实时性能。

(2)尽管有些仪器内部也已经采用专门的硬件电路实现部分控制功能，但仅是通过 中小规模数字集成电路和分立元件来搭建控制电路，这种方法虽然将测量控制过程独立了 出来，但由于实际应用中需要使用大量的外围逻辑电路，电路设计极为复杂、加之难以编 辑修改设计，仪器成本居高不下。

在半导体管测量控制电路的物理实现方式上，从提高设计灵活性、易于编辑修改、简 化PCB制作的角度考虑，现场可编程门阵列FPGA是有强竞争力的选择。现代的可编程逻 辑器件(FPGA/CPLD)既继承了ASIC的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了ASIC 设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字系统设计的理想选择。

对于测量仪器，如果将纯硬件的控制电路在可编程逻辑器件内部实现，不但可以保留 硬件电路的实时工作特性，同时可编程的设计方法也兼具灵活性。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于现场可编程门阵列FPGA的实时测量控制方法，利用 FPGA芯片实现一种能对半导体管的测量激励发生、测量结果采集等过程进行高精度、高实 时性控制的半导体管特性测量控制装置。

实现上述目的的技术方案是，基于FPGA的半导体管特性实时测量控制器，包括：微 处理器接口模块、测量电路接口模块、测量过程控制模块、测量参数寄存器组模块、测量 激励发生模块、波形切割模块和测量结果缓存模块；所述测量控制器通过微处理器接口模 块与外部微处理器端总线连接，通过测量电路接口模块与外部测量电路端总线连接；

微处理器接口模块的一端与测量电路接口模块、测量参数寄存器组模块、测量过程控 制模块、测量激励发生模块、波形切割模块、测量结果缓存模块连接，另一端连接外部微 处理器；所述微处理器接口模块是连接微处理器和测量控制器的接口逻辑，控制所述测量 控制器与外部微处理器之间的数据传输；

测量电路接口模块的一端与微处理器接口模块、测量过程控制模块、测量激励发生模 块、波形切割模块、测量结果缓存模块连接，另一端连接外部测量电路；所述测量电路接 口模块是连接测量控制器和测量电路的接口逻辑，控制测量控制器与测量电路之间的数据 传输；

测量参数寄存器组模块与微处理器接口模块、测量过程控制模块连接；所述测量参数 寄存器组模块包含接收微处理器发送来的测量控制命令的模式寄存器，表示当前测量状态 供微处理器查询使用的状态寄存器，以及定义测量控制器各项测量参数的寄存器；