快速高精度电子元件温度特性测量仪的研制

王延, 李 阳, 马德才, 林少鹏, 王 彪

(中法核工程与技术学院 中山大学, 广东 珠海 519082)



快速高精度电子元件温度特性测量仪的研制

(中法核工程与技术学院 中山大学, 广东 珠海 519082)

大多数电子元器件的性能受到工作温度的影响，其温度特性对设备稳定性和精确度的影响不容忽视;以半导体致冷器(TEC)为核心，ATMega128A单片机为控制芯片，采用PT100、高精度恒流源和AD7731数模转换器(ADC)组成温度测量模块，运用改进的PID控制算法，以脉冲宽度调制(PWM)方式驱动优化的H桥精确控制加热和制冷功率，结合优化设计的变温腔体，制作了快速、高精度电子元件温度特性测量仪；在-10～80 ℃之间快速、稳定控制待测元件的温度，控温精度达到±0.2 ℃；通过计算机控制数字万用表等测量设备，测量了电阻、电容和电感的温度特性曲线；该测量仪还可以用于IC、三极管和LED等元器件的温度特性曲线研究；在实验研究、工业生产和电子实验教学中均具备很高的实用价值。

半导体致冷器；单片机；温度特性曲线

0 引言

温度作为重要的环境参数，直接影响电子元器件的工作性能，55%的电子设备失效是由于温度过高引起[1]，因此温升的控制以及电子元器件的温度漂移研究对于系统的可靠性十分关键[2]。对于半导体元件，温升将使晶体管的最大允许功耗下降，结温升高，会使P-N结击穿损坏[3]。温度的改变能够导致电感的电感量和品质因子变化；导致电容的容量和介质损耗角等参数变化；也能够导致电阻阻值偏离标称值[4]。这些改变经常导致电路及设备的整体参数和性能发生重大改变，必须在设计阶段给予充分的考虑。在使用元件之前，也需要快速准确地了解元件的温度特性，才能有效提高设备的可靠性。因此，一套能够快速准确地测量如电感、电容和电阻等元件的温度特性的设备，对于工业生产和实验研究都显得非常重要。同时，如果能够解决设备的便携性，在课堂教学中也将大大提升学生对于元件温度特性的理解和学习效果。

通常电子元器件的工作温度在-10～80 ℃之间。在室温以下，制冷方式主要采用压缩式制冷、液氮制冷和半导体制冷等。压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器及连接管道组成一个密封系统[5]。它可以达到较高的卡诺效率，然而也存在换热系数不稳定、冷媒损耗以及占用体积大等问题，不可避免地制约了其在小型化及高稳定性条件下的应用[6]。

半导体致冷器的基本单元是PN结，当通以直流电时，电子在两种能量等级不同的材料中的迁移带来接触面上的吸热和放热现象[7]。半导体致冷器具备体积小、可靠性高、速度快、不需要制冷剂、散热方便快速、兼备制冷和加热功能等优点。因此，本系统采用半导体致冷器为核心元件，通过优化设计的H桥实现冷、热双向控制和无缝过渡，通过改进的PID算法和PWM方式控制精确控制加热功率，同时通过计算机控制相应的测量仪器测量并获取元件的参数，从而快速、准确地获得电子元件的温度特性曲线。

1 系统工作原理及结构设计

1.1 系统总体设计

本系统以单片机ATMega128A为核心，可以完成温度信号的设定、控制、采集和显示。系统结构框图如图1所示，主要由单片机控制模块、温度采集模块、半导体致冷器TEC驱动模块，键盘和液晶显示模块组成。

图1 系统控制原理框图

1.2 温度采集模块

温度采集模块选择热敏电阻PT100作为温度传感器，采用AD780基准源、斩波运放TLC2652和高精度电阻组成高精度恒流源为PT100提供偏置电流，采用四线法，将PT100两端电压信号输入到高精度模数转换器AD7731，通过差分方法转化为数字信号，再通过I2C接口传输给单片机并显示在LCD显示屏上。

1.3 用户接口模块

用户可以通过4X4键盘设定目标温度和相关控制参数，并显示在LCD显示屏上。也可以通过计算机端的Labview程序向控制系统发送目标温度和控制参数。

1.4 功率控制模块

功率控制模块采用优化设计的H桥电路，两路独立的PWM频率根据所需控制精度(12位～16位)可以设定在500 Hz到169 Hz之间，同时确保充分的安全延迟，实现加热和制冷的安全、快速切换。控制算法上也根据制冷片的物理特性限制了加热和制冷的速率和功率，以确保制冷片的安全和寿命。

1.5 变温腔体的设计

变温腔体的设计如图2所示，采用最为便捷的风冷方式为制冷片散热，具备体积小、便携等优点，必要时还可以方便地改为水冷方式。如图2中“绝缘保温层”所示，因为腔体的隔热性能直接影响系统的稳定性和精确度，故采用了很小热导率、绝缘、韧性和可塑性好、性能稳定且工作温度范围比较宽的多孔塑料作为隔热材料来密封腔体。

图2 变温腔设计结构图

用导热性能很好的紫铜薄皮和导热硅胶贴在制冷片的上表面，使得上表面的温度分布更为均匀。为了防止待测元件与测试端短路，采用导热绝缘薄层将铜片与待测元件隔开，同时将PT100植入到薄层中，使所测量温度尽可能接近待测元件的温度。为了实现保温效果，在制冷片的边缘加上一定面积的绝缘保温层，同时，在里边植入待测元件的接线柱，使待测元件可以方便快速地放置在腔体中并与测试仪器妥善连接。测试仪器与腔体之间通过“测试接口”的BNC连接。

1.6 测量方法

目标元器件的温度特性测量方法如图3所示。用户可以通过运行于计算机端的Labview程序界面向温度控制系统发送目标温度，当温度达到目标后，程序通过串口或usb口控制测量仪器测量并读取该温度下的元件参数，保存并显示在图表文件中。通过合理设计可以方便实现多个温度点连续控制和测量，从而快速获取元件的温度特性曲线。

图3 元件温度特性测量示意图

2 系统软件设计

2.1 主程序设计

主控程序采用模块化设计，包括初始化模块、键盘扫描模块、温度采集模块、PID控制模块、PWM调节模块、串口通信模块、和中断服务程序等。

2.2 位置式PID控制程序设计

PID控制器具有结构简单、可靠性好及编程简单的优点，由于本系统的温度控制稳定性要求高，采用位置式PID算法可以有效地防止超调并且保证控温的稳定性和快速性。基于单片机控制的采样原理，采用离散式PID算法控制规律：

这里u(n)为第n个采样时刻控制器的输出量，e(n)为第n个采样值与目标值的差值，Kp、KI、KD分别是PID控制器的比例、积分和微分因子。

为了避免积分饱和，我们采用遇限削弱积分算法。算法流程图如图4所示，当控制器进入饱和区以后，便不再进行积分项的累加，而只执行削弱积分的运算。因此，在计算u(k)时，先判断u(k-1)是否已经超出限制值，若u(k-1)≥umax，则只累加负偏差；若u(k-1)≤umin，则只累加正偏差。

图4 遇限削弱积分算法程序图

3 实验结果与讨论

测试环境温度为28 ℃,首先将温度设定至-10 ℃，再从-10 ℃升至80 ℃，同时测量电阻、电容和电感的温度特性，实现温度控制精度为±0.2 ℃。采用北京普源精电科技有限公司生产的RIGOL-DM3068测量电阻在不同温度下的电阻值。采用上海双旭电子有限公司推出的LCR数字电桥YB2811来测量瓷片电容、涤纶电容和色环电感器。由于YB2811没有数字通信接口，该部分实验数据由人工记录。

本实验分别选用了具有正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)和负温度系数(negative temperature coefficient，NTC)的电阻，一个是市面常见的标称值为1 kΩ，精度为±1%的金属膜电阻(R1)，另一个是标称值为6.25 kΩ，精度为±0.01%，温漂为10 ppm的高精度电阻(R2)。在实验室的元器件箱中随机取样标称值分别为10 pF的瓷片电容(C1)、8.2 nF的涤纶电容(C2)和10 μH的色环电感器(L1)。

图5是电阻在温度变化在-10～80 ℃之间的电阻温度特性曲线，测量结果显示：R1阻值从1 012.60 Ω降低至991.89 Ω，呈现NTC特性；R2阻值从6 245.47 Ω升高至6 246.92 Ω，呈现PTC特性。图6是两种电阻在相同变温范围内的温度漂移，热电阻阻值计算公式如下[8]：

式中，为电阻温度系数，单位为ppm/℃；R25为25 ℃时的电阻阻值；为电阻温度与25的差值。测量结果显示，R2在25下的阻值为6 246.09 Ω，温度系数在1.77～5.91 ppm/℃(图6)，优于标称值，印证了该电阻的温度稳定性。R1在25 ℃下的阻值为1 004.61 Ω，电阻温度系数在-232.01～204.62 ppm/℃之间(图6)，在实际电路设计中对电路稳定性的影响不容忽视。

图5 电阻温度特性曲线

图6 电阻温度漂移曲线

电容器的电容温度特性反映的是电介质的相对介电常数ε随温度变化的特性，电容的温度系数计算公式如下[9]：

式中,αC为电容温度系数，单位为ppm/℃；CT=25为25 ℃时的电容值，单位为F；ΔT为电阻温度与25 ℃的差值。

图7是C1和C2的电容值在温度范围-10～80 ℃内的变化曲线，图8对比了两种电容在相同变温范围内的温度系数。C1采用NPO电介质，温度特性很好，不随正负温度变化而出现大的容值漂移，ΔC/CT=25最大误差为5.25%，这里电容参考值为CT=25=10.57 pF。8.2 nF涤纶电容采用极性介质，当温度较低时，由于较强的分子间相互作用力，偶极子无法随外电场取向，仅有瞬间的电子位移极化，随着温度的升高，分子热运动增加，分子间结合力减弱，偶极子沿电场取向，介电常数ε也随之增大；高温时，分子间结合力降低从而偶极子的热运动动能大大增加，当达到一定温度时，热运动又会对偶极子的取向起到抑制作用而使介电常数ε下降[10]。如图7所示，其电容值随着温度的升高而升高，整体呈现正温度特性。

图7 电容温度特性曲线

图8 电容温度漂移曲线

由于绕线金属随温度的热胀冷缩会造成线圈体积的变化，因而电感值也会随着温度改变。由图9所示，对于L1，温度在-10～80 ℃范围内变化时，以25 ℃时的测量电感值9.94 μH作为参考值，ΔL/LT=25的变化在0.01%～1.93%之间，品质因数Q的变化在0.04～0.06之间，可见该电感温度特性优良。

图9 电感温度特性曲线

4 结论

采用半导体致冷器为核心元件，以ATMega128A单片机为控制核心，采用模块化设计方法和改进的PID控制算法，成功研制了快速、高精度的电子元器件温度特性测量仪，控温

范围为-10 ℃到80 ℃，精度达到±0.2 ℃。通过联合计算机、数字万用表和LCR表等设备，测试了电阻、电容和电感的温度特性。该测量仪可以快速测量常用电子元件的标称值及其参数的温度漂移特性，包括电阻、电容、电感、三极管、IC和LED等元件，在企业、高校电子实验室及电子实验课程中均有很高的应用价值。

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Development of a Fast and High-precision Measuring Instrument of Temperature Characteristics for Electronic Components

Wang Yanjun, Li Yang, Ma Decai, Lin Shaopeng, Wang Biao

(Sino French Institute of Nuclear Engineering and Technology, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, China)

As the performances of most electronic components are affected by their working temperatures, the temperature characteristics of electronic components are unnegligible. Based on the Thermoelectric Cooler (TEC) and ATMega128A microcontroller, a fast and high-precision measuring instrument of temperature characteristics for electronic components is designed and produced. The temperature sensor module is made up of PT100, high-accuracy constant current source and AD7731 analog to digital converter (ADC). The working power is precisely controlled by an optimized H bridge which is driven by width modulated pulses generated by Proportion Integration Differentiation (PID) algorithm. A chamber is also well-designed for temperature control and electrical measurements. The components under test can thus suffer temperatures from -10 ℃ to 80 ℃ fast with a precision of ±0.2 ℃。By cooperating with computer and measuring instruments such as Digital Multimeter (DDM) and Inductance, Capacitance and Resistance (LCR) meter, the temperature characteristics of LCR, IC, transistor and LED, etc, can be quickly obtained. This instrument has high potential of application in scientific research, industry and experiment teaching in electronics.

thermoelectric cooler; microcontroller; temperature characteristics

2015-09-09；

2015-11-04。

国家自然科学基金青年基金(11302268)。

王延珺(1992-)，女，研究生，主要从事核工程和核材料方向的研究。

王 彪(1963-)，男，教授，博士生导师，主要从事光电晶体材料生长和应用方向的研究。

1671-4598(2016)03-0285-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.078

TP23

A