CN103616629B - 一种全自动二极管伏安特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全自动二极管伏安特性测试装置，属于电工电子测量设备领域。包括ATmega16单片机为核心控制单元并实现电压步进，加上继电器控制切换电路模块和数据采集模块以及上位机，实现数据的自动采集，显示和存储等功能，直流稳压稳流电源：为整个系统供电。测量速度快、精度高，操作非常简单、方便、快捷。

Description

一种全自动二极管伏安特性测试装置

技术领域

本发明属于电工电子测量设备领域，涉及一种全自动二极管伏安特性测试装置。

背景技术

在工程实践中，经常需要迅速了解某些二极管的正反向伏安特性，以便正确的接入电路发挥相应的功能。基本的测量思路是，在利用普通信号源供电的情况下，对接入电路的二极管两端的压降和通过流经二极管的电流进行相应逐步测量并且绘制成曲线，从而可以了解到其伏安特性。另外，目前见到的一些伏安特性测试仪器虽然能完成二极管伏安特性的基本测试，但还存在一些问题，如：为了同时测量二极管的正反特性，在实验中无法快速进行换路连接，许多较为复杂的电路无法在不增加硬件成本及节省时间的情况下实现多个测量。此外，传统的电路接法会造成各种各样的误差，测试的结果必然也不可靠。虽然采用普通拆线换路多次测量的方案成本较低，但当控制器针对较为复杂多变的电路增加多种附加功能时，其灵活性不够，不能达到简单可操作性强的效果，而且反而增加硬件的复杂程度。总的来讲，这些测量方法的便捷化程度不高，准确性差。

从测试仪器发展的趋势上看，总的趋势是自动化，智能化。因此提供一种装置，可以利用质量更高的数据采集和计算方案，以更加 便捷的方法实现选路功能，在考虑时间成本要求的前提下选择适合这种设计的硬件装置。因此可以考虑选择以基于单片机为核心的模块来设计该伏安特性测试仪。不仅能直接给电路提供较为明确精准的步进电压，同时亦可实时采集二极管和电阻两端的电压并将其结果进行显示和储存，使人们可以快速准确地了解元件的伏安特性，就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提出一种全自动二极管伏安特性测试装置，能避免手动操作所造成的误差影响，并使操作简单、便捷。另外，本发明使得实验能在可控的范围内进行，数据采集、上位机显示更加直观化，集成后随着电子器件的普及以及价格的逐步低廉化，本发明将更符合今后的发展趋势。

为了实现本发明的目的，技术解决方案是提供一种全自动二极管伏安特性测试装置，包括：

步进电源：用于给测试电路供电，采用AVR开发板，包括ATmega16单片机，USB器件PDIUSBD12和DAC转换芯片TLV5617，其中PDIUSBD12采用模块化的方法实现一个USB接口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统控制器，允许使用现存的体系结构并使固件投资减到最小，TLV5617为主要的DAC转换芯片，利用它将相应的数字量进行转换得到对应的步进电源电压，ATmega16通过控制器控制TLV5617将相应的数字量进行转换得到对应的步进电源电压，来实现电源步进；

继电器控制切换电路模块：采用两个6V的继电器来进行电路的 切换，以便不拆接电路就可直接进行二极管的正反向伏安特性的测试，这两个继电器使用6V的直流电压控制，在其中一个继电器常闭线路上反接一个二极管，常开线路上接入一个100KΩ的电阻；另一个继电器的常闭端接有一个500Ω的电阻，常开线路直接接入电路；

数据采集模块：采用基于Matlab环境下的AVR单片机数据采集系统，使用ATmega16作为微控制器，信号采集结果通过USB接口直接送入Matlab的工作空间并使用Matlab的GUI界面显示，便于信号的分析与处理；

上位机：用于操控整个装置及接收并实时显示测试结果；

直流稳压稳流电源：为整个系统供电。

所述的步进电源是在D/A转换模块的基础上实现数控直流稳压电源功能，电压步进为0.1V，步进时间为1s，输出电压的范围为0.0-4.0V；

所述的USB器件PDIUSBD12，主要是完成上位机和数据采集设备之间的数据传输功能，它的最大速度能达到12Mb/s，由上位机来控制数据的传输，当上位发出模数转换、数模转换、I/O输入输出或是一次性完成数模转换和模数转换的命令时，设备就会执行相关的应用程序进行工作，并把结果发送到PDIUSBD12的缓冲区中保存，当上位机发出读取数据的命令请求后，PDIUSBD12把缓存区中的数据以帧的形式传输到Matlab应用软件中，以便于数据处理。

相对于现有技术本发明的有益效果为：

1)步进电源设计：采用AVR开发板，基于以ATmega16为核心，PDIUSBD12、TLV5617等重要芯片为基础的方法进行步进电源的设 计与实现。

2)二极管正反向切换：设计电路利用继电器使得二极管迅速进行正反向切换，这样可实现伏安特性测试仪集成化。继电器和步进电源的联合使原始测量电路更加智能化，逐步脱离手动控制的繁琐。

3)二极管的电压不需要变换，二极管的电流需要用电阻两端的电压除以电阻阻值获得。

4)数据的采集：利用基于Matlab的AVR单片机数据采集系统。使用AVR系列的ATmega16作为微控制器，可提高系统运行速度。同时它内部带有8通道独立的10位精度A/D接口，工作于降噪声模式，增强了抗干扰能力并降低了成本。

5)信号的显示与储存：信号采集结果通过USB接口直接送入Matlab的工作空间并使用Matlab的GUI界面显示。当PDIUSBD12接收到上位机发出的读数据请求时，就把数据发送到PC机端。

附图说明

图1采用传统伏安法手动测试的二极管伏安特性曲线；

图2用全自动二极管伏安特性测试装置测试的二极管伏安特性曲线；

图3传统伏安法手动测试结果与全自动二极管伏安特性测试装置测试结果的比较；

图4为本发明采集卡电路图；

图5为本发明电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

如图4、5所示：一种全自动二极管伏安特性测试装置，包括：

步进电源：用于给测试电路供电，采用AVR开发板，包括ATmega16单片机，USB器件PDIUSBD12和DAC转换芯片TLV5617，其中PDIUSBD12采用模块化的方法实现一个USB接口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统控制器，允许使用现存的体系结构并使固件投资减到最小，TLV5617为主要的DAC转换芯片，利用它将相应的数字量进行转换得到对应的步进电源电压，ATmega16通过控制器控制TLV5617将相应的数字量进行转换得到对应的步进电源电压，来实现电源步进；

继电器控制切换电路模块：采用两个6V的继电器来进行电路的切换，以便不拆接电路就可直接进行二极管的正反向伏安特性的测试，这两个继电器使用6V的直流电压控制，在其中一个继电器常闭线路上反接一个二极管，常开线路上接入一个100KΩ的电阻；另一个继电器的常闭端接有一个500Ω的电阻，常开线路直接接入电路；

数据采集模块：采用基于Matlab环境下的AVR单片机数据采集系统，使用ATmega16作为微控制器，信号采集结果通过USB接口直接送入Matlab的工作空间并使用Matlab的GUI界面显示，便于信号的分析与处理；

上位机：用于操控整个装置及接收并实时显示测试结果；

直流稳压稳流电源：为整个系统供电。

所述的步进电源是在D/A转换模块的基础上实现数控直流稳压电源功能，电压步进为0.1V，步进时间为1s，输出电压的范围为 0.0-4.0V；

所述的USB器件PDIUSBD12，主要是完成上位机和数据采集设备之间的数据传输功能，它的最大速度能达到12Mb/s，由上位机来控制数据的传输，当上位发出模数转换、数模转换、I/O输入输出或是一次性完成数模转换和模数转换的命令时，设备就会执行相关的应用程序进行工作，并把结果发送到PDIUSBD12的缓冲区中保存，当上位机发出读取数据的命令请求后，PDIUSBD12把缓存区中的数据以帧的形式传输到Matlab应用软件中，以便于数据处理。

本发明的机理和技术特点：

采用可控的压值递增的步进电源供电，并且要实现电路及时切换、数据采集和结果显示，因此需要设计一个智能便捷、性价比高、操作简单的测试系统。该系统基于ATMEA16为核心的控制模块，另外需要通过转换模块进行电源的设计，以达到使用动态电源对电路供电的效果，还需在必要时进行快速电路切换，之后对不同电源供电中的二极管和电阻的电压进行采集并进行模数转换，显示出来后，对数据进行处理后拟合成伏安特性曲线。该测试模块主要由步进电源输出模块、继电器切换电路模块、数据采集模块、采集结果显示等模块构成。此方案是以单片机为核心，主要控制核心就是对步进电压的设计，通过这一步骤便可与传统的实验完全区别开来，之后通过其它模块将各项控制和数据处理操作，避免了在之前的实验中手动操作所造成的误差影响，大大减少了一些冗杂的操作。另外利用了相对快捷的方案设计使得实验能在可控的范围内进行，数据采集、上位机显示更加直观化。

采用AVR开发板，基于以ATmega16为核心，PDIUSBD12、TLC27L4C、MCP1541、TLV5617等重要芯片为基础的方法进行步进电源的设计与实现。这其中的ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。因此选择此芯片作为电源模块设计的核心。PDIUSBD12是一个性能优化的USB器件，该器件采用模块化的方法实现一个USB接口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统控制器，允许使用现存的体系结构并使固件投资减到最小。TLV5617为主要的DAC转换芯片，利用它可将相应的数字量进行转换得到对应的步进电源电压。

在进行伏安特性测试时，为了不再手动拆卸导线以达到二极管反向接入电路的效果，直接设计电路利用继电器使得二极管迅速进行反向切换，这样可以实现伏安特性测试仪集成化，可以为以后的大规模使用打下良好的基础。这样，继电器和步进电源的使用将会共同将原始测量电路更加智能化，逐步脱离手动控制的繁琐步骤。

由于二极管的反向电流很小，无法准确测量。本发明在二极管反向特性测试电路中加入一个100KΩ的电阻，将微小的反向电流用电阻两端的电压显示出来。处理数据的时候，二极管的电压不需要变换，二极管的电流需要用电阻两端的电压除以电阻阻值获得。

数据采集采用基于Matlab环境下的AVR单片机数据采集系统。使用AVR系列的单片机中的ATmega16作为微控制器，可提高系统运行速度。同时它内部带有8通道独立的10位精度A/D接口，工 作于降噪声模式，增强了抗干扰能力并降低了成本。信号采集结果通过USB接口直接送入Matlab的工作空间并使用Matlab的GUI界面显示，便于信号的分析与处理。

进行数据采集时其工作流程为：被测信号经过运放进行1：1放大后，从模拟信号输入通道输入，送到ATmega16的ADC模块，ADC模块内嵌在AVR单片机内部，可以通过编程实现ADC转换；转换结束以后把结果发送到PDIUSBD12的数据缓冲区域中；当PDIUSBD12接收到上位机发出的读数据请求时，就把数据发送到PC机端；而DAC部分就是当接收到上机发来的DAC转换请求命令和转换数据时，ATmega16就会启动，控制DA芯片TLV5617，开始进行DAC转换。其中系统中ADC电路含4路输入，DAC电路含2路输出，且ADC的前两路输入增益可通过反馈电阻值来调节。

USB接口电路主要是完成上位机和数据采集设备之间的数据传输功能。它的最大速度能达到12Mb/s，数据的传输决定权完全由上位机来控制。本次设计使用的是Philip公司的USB芯片PDIUSBD12。当上位发出模数转换、数模转换、I/O输入输出或是一次性完成数模转换和模数转换的命令时，设备就会执行相关的应用程序进行工作，并把结果发送到PDIUSBD12的缓冲区中保存。当上位机发出读取数据的命令请求后，PDIUSBD12就会把缓存区中的数据以帧的形式传输到Matlab应用软件中，以便于数据处理。

上位机Matlab图形界面及接口设计：图形用户界面由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等构成的一个用户界面。用户通过一定的 方法(如鼠标或键盘)选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算、绘图等。虚拟示波器利用Matlab的图形用户界面显示采集的数据。这样，既可以利用VC速度快的特点作后台采集，又能利用Matlab的强大功能，这对于作数据分析的科研工作者具有很大意义。本次虚拟示波器界面实现了历史数据记录、超前滞后触发、量程选择等功能。

基于这块采集板可以迅速连接Matlab并且将所需测得的数据在虚拟示波器上显示真实测量值，所以直接在本设计中增加了将测试结果绘图显示的功能。Matlab的强大功能众所周知，但是它直接支持的硬件很少而且极贵，USB接口的几乎没有。这块采集板(开发板)是专为Matlab优化设计的，能直接支持SIMULINK进行硬件在线仿真。

采用了基于ATmega16的数据采集板连接上位机进行实验结果的显示，具体的显示结果和实际电路分析基本符合，数据真实可靠。

测试过程

1)首先，利用传统的伏安法手动测试二极管的正向伏安特性，电路选用电流表外接法，手动记录二极管的电压和电流数据。

2)用利用传统的伏安法手动测试二极管的反向伏安特性，电路选用电流表内接法，手动记录二极管的电压和电流数据。

3)用本发明提出的全自动二极管伏安特性测试装置测试二极管的伏安特性，利用继电器实现二极管正反向的切换，利用步进电源提供步进电压为0.1V的电压，利用数据采集模块采集数据，数据自动显示并保存在上位机中。

4)将传统测试方法获得的数据输入到软件中，画出二极管的伏安特性曲线。

5)将全自动二极管伏安特性测试装置获得的数据拷贝到软件中，二极管的电压不需要变换，二极管的电流需要用电阻两端的电压除以电阻阻值获得，然后利用软件画出二极管的伏安特性曲线。

测试结果

按照上述测试条件，首先采用传统的伏安法测量二极管的伏安特性。利用Origin软件处理数据，得到二极管的伏安特性曲线，如图1所示。正向导通电压约0.7伏；反向时，直至电压达到15伏，二极管一直处于截止状态。

接着利用本发明所述全自动二极管伏安特性测试装置测试二极管的伏安特性。利用Origin软件处理数据，得到二极管的伏安特性曲线，如图2所示。

为比较两种测试结果的差异，利用Origin软件，将传统伏安法手动测试结果与全自动二极管伏安特性测试装置测试结果放在同一幅图中，如图3所示。可见，二者吻合。

如图4所示，本发明的工作原理为：(二极管正向特性测试：上位机发布命令给步进电源，步进电源开始0-4V的电压扫描，扫描速率0.1V/S，此时继电器1和继电器2均没有加电压，此时，电压加到500Ω的电阻和待测二极管两端，二极管处在正向偏置状态，ab之间的电压是500Ω的电阻两端的电压，bc之间的电压是二极管两端的电压，这两个电压信号被数据采集模块采集后发送给单片机。

二极管反向特性测试：利用直流稳压稳流电源给继电器1和继电器2供电，两个继电器动作，电路自动切换为反向特性测试电路。利用上位机发布命令给步进电源模块，步进电源模块开始0-4V的电压扫描，扫描速率0.1V/S，此时，电压加到100KΩ的电阻和待测二极管两端，二极管处在反向偏置状态，ab之间的电压是二极管两端的电压，bc之间的电压是100KΩ电阻两端的电压，这两个电压信号被数据采集模块采集后发送给单片机。

测试完毕，将数据进行处理，电阻两端的电压除以电阻值得到电流，将二极管的电压和电流数据导入Origin软件，得到待测二极管的伏安特性曲线。

Claims (1)

1.一种全自动二极管伏安特性测试装置，其特征在于，包括：

步进电源：用于给测试电路供电，采用AVR开发板，包括ATmega16单片机，USB器件PDIUSBD12和DAC转换芯片TLV5617，其中PDIUSBD12采用模块化的方法实现一个USB接口，TLV5617为主要的DAC转换芯片，利用它将相应的数字量进行转换得到对应的步进电源电压，ATmega16通过控制器控制TLV5617将相应的数字量进行转换得到对应的步进电源电压，来实现电源步进；继电器控制切换电路模块：采用两个6V的继电器来进行电路的切换，以便不拆接电路就可直接进行二极管的正反向伏安特性的测试，这两个继电器使用6V的直流电压控制，在其中一个继电器常闭线路上反接一个二极管，常开线路上接入一个100KΩ的电阻；另一个继电器的常闭端接有一个500Ω的电阻，常开线路直接接入电路；

数据采集模块：采用基于Matlab环境下的AVR单片机数据采集系统，使用ATmega16作为微控制器，信号采集结果通过USB接口直接送入Matlab的工作空间并使用Matlab的GUI界面显示，便于信号的分析与处理；

上位机：用于操控整个装置及接收并实时显示测试结果；

直流稳压稳流电源：为整个系统供电；

其中，所述的步进电源是在D/A转换模块的基础上实现数控直流稳压电源功能，电压步进为0.1V，步进时间为1s，输出电压的范围为0.0-4.0V；所述的USB器件为PDIUSBD12，主要是完成上位机和数据采集设备之间的数据传输功能，它的最大速度能达到12Mb/s，由上位机来控制数据的传输，当上位发出模数转换、数模转换、I/O输入输出或是一次性完成数模转换和模数转换的命令时，设备就会执行相关的应用程序进行工作，并把结果发送到PDIUSBD12的缓冲区中保存，当上位机发出读取数据的命令请求后，PDIUSBD12把缓存区中的数据以帧的形式传输到Matlab应用软件中，以便于数据处理。