發布日期：2022-10-09 點擊率：115
摘要：利用單片機具有的智能程序控制的特點，設計了基于STC89C52單片機的“二極管特性測試器”，可對二極管一般特性進行快速測試。通過穩定線性電流源給二極管加載恒定電流，然后由高精度模數轉換器測試其壓降，以此為基礎可判斷二極管好壞、檢測二極管極性和測試二極管伏安特性等，避免了用萬用表測試只能測得極性而不知其特性這一缺點。可用于電子設計制作過程中對二極管進行快速測試，以確定被測二極管是否滿足電路的設計要求。
二極管是現代電子設計與制造行業中最常用的元器件之一，在使用前需要確定其好壞和伏安特性是否滿足設計要求，從而避免將已損壞的二極管接入電路或因二極管選用不當而對系統造成影響。本裝置以MCU(MicroControllerUnit，微控制單元)為核心單元對二極管特性進行測試，可以快速確定二極管的相關參數是否滿足設計要求，減少設計后期故障排查的工作量。本測試器可判斷二極管的好壞、判別二極管的極性以及測試二極管的伏安特性，特性測試中可設定二極管的工作電流，測量并顯示二極管的壓降，還能根據測試者需要繪制二極管的正向伏安特性曲線。硬件預留串口可與PC進行串口通信向PC返回測試數據方便調試及數據分析。
單片機是現代儀器儀表，家用電器，工業儀器等領域應用十分廣泛的可編程器件之一，有著價格低廉、編程靈活、體積小、可擴展性強等優點。由于單片機功能的飛速發展，它的應用范圍日益拓廣，小到玩具，大到機器人，從數據采集，過程控制．模糊控制等智能系統到人類的日常生活都離不開單片機。
1系統的硬件設計與實現
1．1系統硬件的基本組成部分
系統主要可以劃分為程序控制模塊、電流控制模塊、特性測試模塊和顯示模塊等4大部分，系統基本框圖如圖1所示。
系統基本框圖
程序控制模塊：采用STC89C52單片機為程序控制芯片，接受用戶指令，控制各硬件部分協調工作，程控模塊為核心控制模塊。
電流控制模塊：為了獲得較高的控制精度，選用12位精度的DAC(Digital-to-AnedIogueConverters，數模轉換器)TLV5613加上V／I轉換電路輸出穩定電流值加載到測量回路，用于控制二極管的工作電流。
特性測試模塊：為了提高測量精度，采用12位精度ADC(Analogue-to-DigitalConverters，模數轉換器)AD574A，AD574A是一種單片高速并行12位逐次比較型ADC，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，因此普遍被應用于微電腦的接口設計上，在該裝置中用于測量回路中被測二極管的電壓，對二極管的好壞判斷、極性判別和特性測試提供數據參考。人機交互：由按鍵組成，可以手動設置二極管電流、選擇是否繪制伏安特性曲線等。預留串口：RS232串口，可通過串口向PC機返回測試數據，方便調試。顯示模塊：采用MSG—G12232液晶模塊，該模塊具有122x32的分辨率，功耗低，顯示質量高，體積小、重量輕，具有8位數據接口可方便地與單片機連接，很適合用于顯示系統的測試結果、伏安特性曲線等信息。
1．2主要單元電路的設計
1．2．1電流控制電路
電流控制電路采用數模轉換器芯片TLV5613加上V／I轉換電路構成穩定電流源，可通過單片機程序控制輸出所需要的電流給測量回路供電以滿足系統測試對電流的要求。在極性測試環節可給出合適的電流值，便于系統測量二極管電壓值并據此判斷二極管的好壞及極性；在特性測試環節可根據設定電流值增大或減小回路電流，使其與設定值一致；在伏安特性曲線繪制環節可給出由小到大逐漸增大的電流值便于系統采樣繪圖。
V
圖2為將TLV5613輸出的電壓轉換為穩定電流源的V／I轉換電路，該電路具有恒流作用，TLV5613的輸出電壓接Vi端，可獲得穩定的電流值Iout。當R1～R4精確匹配時，Iout和Vi的關系為：
其中Vi=0～5V，R6=20Ω，因此Iout=0～250mA，可1mA步進。經實測分析發現該電流源的V-I線性度非常好。若需要更大的電流，可通過修改硬件設計，增大DAC輸出電壓或減小風即可實現。因測試電流同時流過R6，當Iout=250mA時，R6的功率為(0．25)2x20=1．25W，此時R6發熱明顯從而影響測試精度，在實際電路中應用5只100Ω電阻并聯代替R6，以分散功耗提高測試精度。
1．2．2特性測試電路
電壓測量采用模數轉換芯片AD574A，電路中將電流控制電路的Iout引腳接到AD574A的模擬電壓輸入引腳10VIN即可。
特性測試電路如圖3所示，圖中左側為繼電器控制電路，當CTRL端為高電平時，三極管VT1導通，VCC通過VT1加載到繼電器5引腳，繼電器動作，被測二極管接入極性轉換，二極管極性匹配后，即可進行特性測試。
2系統軟件的設計
系統軟件基于Keil開發，系統主要包括極性檢測、特性測試和伏安特性曲線繪制3個模塊。
極性檢測模塊主要用于檢測二極管的好壞和極性，并為特性測試前的極性匹配提供極性參考，測試時先由電流控制模塊給出合適電流值，再由特性測試模塊測量二極管電壓值，然后控制繼電器動作轉換二極管的接入極性再測一次，當被測二極管極性與回路外加電流方向與一致時，二極管導通，此時特性測試模塊所測到的二極管電壓值在0．6～3．6V之間，而當被測二極管極性與回路外加電流方向相反時，二極管截止，特性測試模塊測得其兩端電壓為10V左右，ADC讀數滿量程(00FFF)，據此可判斷二極管的極性，若兩種情況下測得的二極管電壓值均為10V左右或者均接近0V，可判斷為二極管已損壞。
特性測試模塊用于測試二極管的伏安特性，即設定二極管的工作電流，測量其電壓值，當進入特性測試環節后，先將二極管匹配極性接入測量回路，加載初始設定值(如50mA)，設定值在測量過程中可隨時改變，由電流控制模塊增大或減小回路電流值使其與設定值一致，然后由特性測試模塊測量被測二極管的正向壓降，并將測量結果在液晶上實時顯示。
伏安特性繪制模塊主要用于繪制二極管正向伏安特性曲線，進入程序后，由電流控制模塊給二極管加載1mA初始電流并逐漸增大直至最大，采樣并記錄二極管的壓降，然后將這些值所對應的點依次在顯示器上顯示，便完成了伏安特性曲線的繪制。繪圖過程中或繪圖結束后，可隨時選擇結束繪圖或退出伏安特性曲線顯示程序。
主程序流程圖如圖4所示，測試時先將待測二極管接入測量回路并打開電源，程序自動開始檢測二極管好壞和極性，檢測完畢后根據檢測結果進入二極管特性測試環節或報錯，特性測試環節可測量和顯示二極管的設定工作電流值及正向壓降等信息，也可根據實際情況選擇進入二極管伏安特性曲線繪制程序。
3設計中遇到的問題及分析
在軟硬件設計全部完成后的測試階段，發現DA輸出的電壓值在某些點上與理論值不符，具有較大差異并呈現一定的周期性(且都是輸出值比理論值小)。通過初步分析，認為是DA的控制字寫入在某些點上不正確，于是將硬件電路上AD的模擬電壓輸入引腳斷開并直接接在DA電壓輸出腳，并編寫了測試小程序，將0～5V每次遞增0．02V對應的控制字寫入DA，用AD測其輸出電壓值并將結果通過串口返回PC，然后將電壓理論值與實測值的差值全部導入Excel，然后在Excel中插入這些值的散點圖，散點圖如圖5所示，0～250mA電流值分別對應0～5V的電壓值(圖中截取了0～45mA這一段)，縱坐標為輸出電壓理論值與實際值的差異值。
散點圖
通過觀察散點圖，發現這些差異值點確實具有周期性，即每組都是8個點的差異值同時較大或較小，從現象上看，由于DA在某些點上能夠正常輸出電壓說明控制端口正常，因而應該是DA數據端口上某一位出現故障，導致該位寫到DA中的數始終是0或者1，而因為輸出值比理論值小，所以判斷是該位始終為零，當DA寫數時，若該位本來是0，則電壓正常輸出；若該位本來是1，則錯誤的將0寫入DA從而導致DA輸入電壓比理論值小。進一步分析，由于每組大差異值點都是8個，每次步進0.02V，8個點就是0.16V，而二進制數10000000B對應電壓值為0.156V≈0.16V，因此故障為應該是D7位，從而懷疑D7位是否短路到地，通過測試發現該位連接完全正確，于是懷疑是DA內部寄存器故障或單片機故障，而DA內部寄存器故障無法檢測，于是檢測單片機是否正常，編寫小程序令單片機所以數據引腳全部置1，通過萬用表測試發現單片機P1.7口(即D7位)為0，其他引腳均正常，于是確定為單片機損壞，更換單片機重新燒寫程序再測試，故障順利排除。
4系統測試
被測二極管采用1N4118，用2個優利德數字萬用表UT33D作為測量儀器對系統進行測試，其中一個以毫安檔(量程200mA)與被測二極管串聯，另一個以直流電壓檔(量程5V)與被測二極管并聯，在不同的設定電流值下測量二極管的實際電流和電壓，測試結果如表1。
通過測試結果分析可見，該測試器的測量結果可靠，誤差較小，可滿足對二極管的一般測試要求。系統誤差來源主要有系統誤差、DA轉換誤差和AD轉換誤差等，另外電流較大時R6雖然由5個電阻并聯，但其發熱對誤差也有一定影響。
5結束語
本設計以單片機STC89C52芯片為硬件核心部件，利用TLV5613、AD574A、12864液晶顯示器等芯片或器件的相應特性，配合一定的軟件算法，制作了基于STC89C52單片機的二極管特性測試器，實現了對二極管極性和特性的快速判斷和測試。在設計過程中力求硬件電路簡單，充分發揮軟件編程方便靈活的特點來滿足系統設計要求，預留串口可向PC返回測試數據方便分析，可用于一般的二極管特性測試場合。
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