一種全自動二極管伏安特性測試裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種全自動二極管伏安特性測試裝置，屬于電工電子測量設備領域。包括ATmega16單片機為核心控制單元并實現電壓步進，加上繼電器控制切換電路模塊和數據采集模塊以及上位機，實現數據的自動采集，顯示和存儲等功能，直流穩壓穩流電源：為整個系統供電。測量速度快、精度高，操作非常簡單、方便、快捷。
【專利說明】一種全自動二極管伏安特性測試裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于電工電子測量設備領域，涉及一種全自動二極管伏安特性測試裝置。【背景技術】
[0002]在工程實踐中，經常需要迅速了解某些二極管的正反向伏安特性，以便正確的接入電路發揮相應的功能。基本的測量思路是，在利用普通信號源供電的情況下，對接入電路的二極管兩端的壓降和通過流經二極管的電流進行相應逐步測量并且繪制成曲線，從而可以了解到其伏安特性。另外，目前見到的一些伏安特性測試儀器雖然能完成二極管伏安特性的基本測試，但還存在一些問題，如:為了同時測量二極管的正反特性，在實驗中無法快速進行換路連接，許多較為復雜的電路無法在不增加硬件成本及節省時間的情況下實現多個測量。此外，傳統的電路接法會造成各種各樣的誤差，測試的結果必然也不可靠。雖然采用普通拆線換路多次測量的方案成本較低，但當控制器針對較為復雜多變的電路增加多種附加功能時，其靈活性不夠，不能達到簡單可操作性強的效果，而且反而增加硬件的復雜程度。總的來講，這些測量方法的便捷化程度不高，準確性差。
[0003]從測試儀器發展的趨勢上看，總的趨勢是自動化，智能化。因此提供一種裝置，可以利用質量更高的數據采集和計算方案，以更加便捷的方法實現選路功能，在考慮時間成本要求的前提下選擇適合這種設計的硬件裝置。因此可以考慮選擇以基于單片機為核心的模塊來設計該伏安特性測試儀。不僅能直接給電路提供較為明確精準的步進電壓，同時亦可實時采集二極管和電阻兩端的電壓并將其結果進行顯示和儲存，使人們可以快速準確地了解元件的伏安特性，就顯得尤為重要。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提出一種全自動二極管伏安特性測試裝置，能避免手動操作所造成的誤差影響，并使操作簡單、便捷。另外，本發明使得實驗能在可控的范圍內進行，數據采集、上位機顯示更加直觀化，集成后隨著電子器件的普及以及價格的逐步低廉化，本發明將更符合今后的發展趨勢。
[0005]為了實現本發明的目的，技術解決方案是提供一種全自動二極管伏安特性測試裝置，包括:
[0006]步進電源:用于給測試電路供電，采用AVR開發板,包括ATmegal6單片機，USB器件TOIUSBD12和DAC轉換芯片TLV5617，其中TOIUSBD12采用模塊化的方法實現一個USB接口，允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的作為系統控制器，允許使用現存的體系結構并使固件投資減到最小，TLV5617為主要的DAC轉換芯片，利用它將相應的數字量進行轉換得到對應的步進電源電壓，ATmegal6通過控制器控制TLV5617將相應的數字量進行轉換得到對應的步進電源電壓，來實現電源步進；
[0007]繼電器控制切換電路模塊:采用兩個6V的繼電器來進行電路的切換，以便不拆接電路就可直接進行二極管的正反向伏安特性的測試，這兩個繼電器使用6V的直流電壓控制，在其中一個繼電器常閉線路上反接一個二極管，常開線路上接入一個100ΚΩ的電阻；另一個繼電器的常閉端接有一個500 Ω的電阻，常開線路直接接入電路；
[0008]數據采集模塊:采用基于Matlab環境下的AVR單片機數據采集系統，使用ATmegal6作為微控制器，信號采集結果通過USB接口直接送入Matlab的工作空間并使用Matlab的⑶I界面顯不,便于信號的分析與處理；
[0009]上位機:用于操控整個裝置及接收并實時顯示測試結果；
[0010]直流穩壓穩流電源:為整個系統供電。
[0011]所述的步進電源是在D/A轉換模塊的基礎上實現數控直流穩壓電源功能，電壓步進為0.1V，步進時間為ls，輸出電壓的范圍為0.0-4.0V ；
[0012]所述的USB器件TOIUSBD12，主要是完成上位機和數據采集設備之間的數據傳輸功能，它的最大速度能達到12Mb/s，由上位機來控制數據的傳輸，當上位發出模數轉換、數模轉換、I/O輸入輸出或是一次性完成數模轉換和模數轉換的命令時，設備就會執行相關的應用程序進行工作，并把結果發送到TOIUSBD12的緩沖區中保存，當上位機發出讀取數據的命令請求后，PDIUSBD12把緩存區中的數據以幀的形式傳輸到Matlab應用軟件中，以便于數據處理。
[0013]相對于現有技術本發明的有益效果為:
[0014]I)步進電源設計:采用AVR開發板，基于以ATmegal6為核心，PDIUSBD12、TLV5617等重要芯片為基礎的方法進行步進電源的設計與實現。
[0015]2) 二極管正反向切換:設計電路利用繼電器使得二極管迅速進行正反向切換，這樣可實現伏安特性測試儀集成化。繼電器和步進電源的聯合使原始測量電路更加智能化，逐步脫離手動控制的繁瑣。
[0016]3) 二極管的電壓不需要變換，二極管的電流需要用電阻兩端的電壓除以電阻阻值獲得。
[0017]4)數據的采集:利用基于Matlab的AVR單片機數據采集系統。使用AVR系列的ATmegal6作為微控制器，可提高系統運行速度。同時它內部帶有8通道獨立的10位精度A/D接口，工作于降噪聲模式，增強了抗干擾能力并降低了成本。
[0018]5)信號的顯示與儲存:信號采集結果通過USB接口直接送入Matlab的工作空間并使用Matlab的⑶I界面顯示。當TOIUSBD12接收到上位機發出的讀數據請求時，就把數據發送到PC機端。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1采用傳統伏安法手動測試的二極管伏安特性曲線；
[0020]圖2用全自動二極管伏安特性測試裝置測試的二極管伏安特性曲線；
[0021]圖3傳統伏安法手動測試結果與全自動二極管伏安特性測試裝置測試結果的比較；
[0022]圖4為本發明采集卡電路圖；
[0023]圖5為本發明電路示意圖。
【具體實施方式】[0024]下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明:
[0025]如圖4、5所示:一種全自動二極管伏安特性測試裝置，包括:
[0026]步進電源:用于給測試電路供電，采用AVR開發板，包括ATmegaie單片機，USB器件TOIUSBD12和DAC轉換芯片TLV5617，其中TOIUSBD12采用模塊化的方法實現一個USB接口，允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的作為系統控制器，允許使用現存的體系結構并使固件投資減到最小，TLV5617為主要的DAC轉換芯片，利用它將相應的數字量進行轉換得到對應的步進電源電壓，ATmegal6通過控制器控制TLV5617將相應的數字量進行轉換得到對應的步進電源電壓，來實現電源步進；
[0027]繼電器控制切換電路模塊:采用兩個6V的繼電器來進行電路的切換，以便不拆接電路就可直接進行二極管的正反向伏安特性的測試，這兩個繼電器使用6V的直流電壓控制，在其中一個繼電器常閉線路上反接一個二極管，常開線路上接入一個100ΚΩ的電阻；另一個繼電器的常閉端接有一個500 Ω的電阻，常開線路直接接入電路；
[0028]數據采集模塊:采用基于Matlab環境下的AVR單片機數據采集系統，使用ATmegal6作為微控制器，信號采集結果通過USB接口直接送入Matlab的工作空間并使用Matlab的⑶I界面顯不,便于信號的分析與處理；
[0029]上位機:用于操控整個裝置及接收并實時顯示測試結果；
[0030]直流穩壓穩流電源:為整個系統供電。
[0031]所述的步進電源是在D/A轉換模塊的基礎上實現數控直流穩壓電源功能，電壓步進為0.1V，步進時間為ls，輸出電壓的范圍為0.0-4.0V;
[0032]所述的USB器件TOIUSBD12，主要是完成上位機和數據采集設備之間的數據傳輸功能，它的最大速度能達到12Mb/s，由上位機來控制數據的傳輸，當上位發出模數轉換、數模轉換、I/O輸入輸出或是一次性完成數模轉換和模數轉換的命令時，設備就會執行相關的應用程序進行工作，并把結果發送到TOIUSBD12的緩沖區中保存，當上位機發出讀取數據的命令請求后，PDIUSBD12把緩存區中的數據以幀的形式傳輸到Matlab應用軟件中，以便于數據處理。
[0033]本發明的機理和技術特點:
[0034]采用可控的壓值遞增的步進電源供電，并且要實現電路及時切換、數據采集和結果顯示，因此需要設計一個智能便捷、性價比高、操作簡單的測試系統。該系統基于ATMEA16為核心的控制模塊，另外需要通過轉換模塊進行電源的設計，以達到使用動態電源對電路供電的效果，還需在必要時進行快速電路切換，之后對不同電源供電中的二極管和電阻的電壓進行采集并進行模數轉換，顯示出來后，對數據進行處理后擬合成伏安特性曲線。該測試模塊主要由步進電源輸出模塊、繼電器切換電路模塊、數據采集模塊、采集結果顯示等模塊構成。此方案是以單片機為核心，主要控制核心就是對步進電壓的設計，通過這一步驟便可與傳統的實驗完全區別開來，之后通過其它模塊將各項控制和數據處理操作，避免了在之前的實驗中手動操作所造成的誤差影響，大大減少了一些冗雜的操作。另外利用了相對快捷的方案設計使得實驗能在可控的范圍內進行，數據采集、上位機顯示更加直觀化。
[0035]采用AVR 開發板，基于以 ATmegal6 為核心，PDIUSBD12、TLC27L4C、MCP1541、TLV5617等重要芯片為基礎的方法進行步進電源的設計與實現。這其中的ATmegal6是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmegal6的數據吞吐率高達lMIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。因此選擇此芯片作為電源模塊設計的核心。PDIUSBD12是一個性能優化的USB器件，該器件采用模塊化的方法實現一個USB接口，允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的作為系統控制器，允許使用現存的體系結構并使固件投資減到最小。TLV5617為主要的DAC轉換芯片，利用它可將相應的數字量進行轉換得到對應的步進電源電壓。
[0036]在進行伏安特性測試時，為了不再手動拆卸導線以達到二極管反向接入電路的效果，直接設計電路利用繼電器使得二極管迅速進行反向切換，這樣可以實現伏安特性測試儀集成化，可以為以后的大規模使用打下良好的基礎。這樣，繼電器和步進電源的使用將會共同將原始測量電路更加智能化，逐步脫離手動控制的繁瑣步驟。
[0037]由于二極管的反向電流很小，無法準確測量。本發明在二極管反向特性測試電路中加入一個100ΚΩ的電阻，將微小的反向電流用電阻兩端的電壓顯示出來。處理數據的時候，二極管的電壓不需要變換，二極管的電流需要用電阻兩端的電壓除以電阻阻值獲得。
[0038]數據采集采用基于Matlab環境下的AVR單片機數據采集系統。使用AVR系列的單片機中的ATmegaie作為微控制器，可提高系統運行速度。同時它內部帶有8通道獨立的10位精度A/D接口，工作于降噪聲模式，增強了抗干擾能力并降低了成本。信號采集結果通過USB接口直接送入Matlab的工作空間并使用Matlab的⑶I界面顯示，便于信號的分析與處理。
[0039]進行數據采集時其工作流程為:被測信號經過運放進行1:1放大后，從模擬信號輸入通道輸入，送到ATmegal6的ADC模塊，ADC模塊內嵌在AVR單片機內部，可以通過編程實現ADC轉換；轉換結束以后把結果發送到HHUSBD12的數據緩沖區域中；iH)IUSBD12接收到上位機發出的讀數據請求時，就把數據發送到PC機端；而DAC部分就是當接收到上機發來的DAC轉換請求命令和轉換數據時，ATmegal6就會啟動，控制DA芯片TLV5617，開始進行DAC轉換。其中系統中ADC電路含4路輸入，DAC電路含2路輸出，且ADC的前兩路輸入增益可通過反饋電阻值來調節。
[0040]USB接口電路主要是完成上位機和數據采集設備之間的數據傳輸功能。它的最大速度能達到12Mb/s，數據的傳輸決定權完全由上位機來控制。本次設計使用的是Philip公司的USB芯片TOIUSBD12。當上位發出模數轉換、數模轉換、I/O輸入輸出或是一次性完成數模轉換和模數轉換的命令時，設備就會執行相關的應用程序進行工作，并把結果發送到PDIUSBD12的緩沖區中保存。當上位機發出讀取數據的命令請求后，PDIUSBD12就會把緩存區中的數據以幀的形式傳輸到Matlab應用軟件中，以便于數據處理。
[0041]上位機Matlab圖形界面及接口設計:圖形用戶界面由窗口、光標、按鍵、菜單、文字說明等構成的一個用戶界面。用戶通過一定的方法(如鼠標或鍵盤)選擇、激活這些圖形對象，使計算機產生某種動作或變化，比如實現計算、繪圖等。虛擬示波器利用Matlab的圖形用戶界面顯示采集的數據。這樣，既可以利用VC速度快的特點作后臺采集，又能利用Matlab的強大功能，這對于作數據分析的科研工作者具有很大意義。本次虛擬示波器界面實現了歷史數據記錄、超前滯后觸發、量程選擇等功能。
[0042]基于這塊采集板可以迅速連接Matlab并且將所需測得的數據在虛擬示波器上顯示真實測量值，所以直接在本設計中增加了將測試結果繪圖顯示的功能。Matlab的強大功能眾所周知，但是它直接支持的硬件很少而且極貴，USB接口的幾乎沒有。這塊采集板(開發板)是專為Matlab優化設計的，能直接支持SMULINK進行硬件在線仿真。
[0043]采用了基于ATmegaie的數據采集板連接上位機進行實驗結果的顯示，具體的顯示結果和實際電路分析基本符合，數據真實可靠。
[0044]測試過程
[0045]I)首先，利用傳統的伏安法手動測試二極管的正向伏安特性，電路選用電流表外接法，手動記錄二極管的電壓和電流數據。
[0046]2)用利用傳統的伏安法手動測試二極管的反向伏安特性，電路選用電流表內接法，手動記錄二極管的電壓和電流數據。
[0047]3)用本發明提出的全自動二極管伏安特性測試裝置測試二極管的伏安特性，利用繼電器實現二極管正反向的切換，利用步進電源提供步進電壓為0.1V的電壓，利用數據采集模塊采集數據，數據自動顯示并保存在上位機中。
[0048]4)將傳統測試方法獲得的數據輸入到軟件中，畫出二極管的伏安特性曲線。
[0049]5)將全自動二極管伏安特性測試裝置獲得的數據拷貝到軟件中，二極管的電壓不需要變換，二極管的電流需要用電阻兩端的電壓除以電阻阻值獲得，然后利用軟件畫出二極管的伏安特性曲線。
[0050]測試結果
[0051]按照上述測試條件，首先采用傳統的伏安法測量二極管的伏安特性。利用Origin軟件處理數據，得到二極管的伏安特性曲線，如圖1所示。正向導通電壓約0.7伏；反向時，直至電壓達到15伏，二極管一直處于截止狀態。
[0052]接著利用本發明所述全自動二極管伏安特性測試裝置測試二極管的伏安特性。利用Origin軟件處理數據，得到二極管的伏安特性曲線，如圖2所示。
[0053]為比較兩種測試結果的差異，利用Origin軟件，將傳統伏安法手動測試結果與全自動二極管伏安特性測試裝置測試結果放在同一幅圖中，如圖3所示。可見，二者吻合。
[0054]如圖4所示，本發明的工作原理為:(二極管正向特性測試:上位機發布命令給步進電源，步進電源開始0-4V的電壓掃描，掃描速率0.1V/S，此時繼電器I和繼電器2均沒有加電壓，此時，電壓加到500Ω的電阻和待測二極管兩端，二極管處在正向偏置狀態，ab之間的電壓是500Ω的電阻兩端的電壓，be之間的電壓是二極管兩端的電壓，這兩個電壓信號被數據采集模塊采集后發送給單片機。
[0055]二極管反向特性測試:利用直流穩壓穩流電源給繼電器I和繼電器2供電，兩個繼電器動作，電路自動切換為反向特性測試電路。利用上位機發布命令給步進電源模塊，步進電源模塊開始0-4V的電壓掃描，掃描速率0.1V/S，此時，電壓加到100ΚΩ的電阻和待測二極管兩端，二極管處在反向偏置狀態，ab之間的電壓是二極管兩端的電壓，be之間的電壓是IOOKΩ電阻兩端的電壓，這兩個電壓信號被數據采集模塊采集后發送給單片機。
[0056]測試完畢，將數據進行處理，電阻兩端的電壓除以電阻值得到電流，將二極管的電壓和電流數據導入Origin軟件，得到待測二極管的伏安特性曲線。
【權利要求】
1.一種全自動二極管伏安特性測試裝置，其特征在于，包括: 步進電源:用于給測試電路供電，采用AVR開發板，包括ATmegaie單片機，USB器件PDIUSBD12和DAC轉換芯片TLV5617，其中TOIUSBD12采用模塊化的方法實現一個USB接口，允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的作為系統控制器，允許使用現存的體系結構并使固件投資減到最小，TLV5617為主要的DAC轉換芯片，利用它將相應的數字量進行轉換得到對應的步進電源電壓，ATmegal6通過控制器控制TLV5617將相應的數字量進行轉換得到對應的步進電源電壓，來實現電源步進； 繼電器控制切換電路模塊:采用兩個6V的繼電器來進行電路的切換，以便不拆接電路就可直接進行二極管的正反向伏安特性的測試，這兩個繼電器使用6V的直流電壓控制，在其中一個繼電器常閉線路上反接一個二極管，常開線路上接入一個100ΚΩ的電阻；另一個繼電器的常閉端接有一個500 Ω的電阻，常開線路直接接入電路； 數據采集模塊:采用基于Matlab環境下的AVR單片機數據采集系統，使用ATmegal6作為微控制器，信號采集結果通過USB接口直接送入Matlab的工作空間并使用Matlab的⑶I界面顯示，便于信號的分析與處理； 上位機:用于操控整個裝置及接收并實時顯示測試結果； 直流穩壓穩流電源:為整個系統供電。
2.根據權利要求1所述的全自動二極管伏安特性測試裝置，其特征在于，所述的步進電源是在D/A轉換模塊的基礎上實現數控直流穩壓電源功能，電壓步進為0.1V，步進時間為ls，輸出電壓的范圍為0.0-4.0V。
3.根據權利要求1所述的全自動二極管伏安特性測試裝置，其特征在于，所述的USB器件TOIUSBD12，主要是完成上位機和數據采集設備之間的數據傳輸功能，它的最大速度能達到12Mb/s，由上位機來控制數據的傳輸，當上位發出模數轉換、數模轉換、I/O輸入輸出或是一次性完成數模轉換和模數轉換的命令時，設備就會執行相關的應用程序進行工作，并把結果發送到TOIUSBD12的緩沖區中保存，當上位機發出讀取數據的命令請求后，PDIUSBD12把緩存區中的數據以幀的形式傳輸到Matlab應用軟件中，以便于數據處理。
【文檔編號】G01R31/26GK103616629SQ201310626434
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2013年12月2日
【發明者】石明吉, 張丹, 黃大勇, 郭建昌, 張利娜, 楊帥偉, 鄧路路 申請人:南陽理工學院