可视化二极管参数测量仪设计

2022-07-01唐世清罗斯陈纪友雷新华邓自强

邵阳学院学报（自然科学版） 2022年3期

唐世清，罗斯，陈纪友,雷新华,邓自强

(衡阳师范学院物理与电子工程学院，湖南衡阳，421002)

作为现代电子技术的基本组成部分，半导体器件以其体积小、重量轻、输入功率小、使用寿命长、功率转换效率高等优点广泛应用于现代电路[1]。二极管是电子电路设计中必不可少的部分，对二极管的参数测量不仅是电路设计安全的要求，更是高性能、高精度电路设计的要求。随着现代实验和科学技术的进步，测量仪器的智能化、自动化是未来必然趋势，针对这一趋势，本文以STM32单片机为核心，设计一款新型二极管参数测试仪。充分利用STM32高性能、低成本、低功耗的优势。同时，利用软件编程方便灵活的特点，使得硬件电路简单易调试，满足系统的设计要求，具有操作简单、测量准确和成本低廉等优点。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电压和流过二极管的电流进行对应逐步测量并且绘制成曲线，从而了解二极管的伏安特性。

测试仪通过触摸屏可设定4种工作模式：正向特性测试模式、反向特性测试模式、二极管极性判断模式和恒流源测试模式[2]，分别对应二极管测试仪测试二极管的4种工作状态。4种工作模式间相互转换方便且该设计电路运行稳定，操作方便，控制精度高。

1 方案设计

1.1 理论分析

二极管参数测试仪的原理见图1。二极管正向伏安特性曲线的测量是通过控制恒流源的输出电流，测量二极管两端正向导通电压。同时，记录此时二极管对应的电压和电流。设计该测试仪的关键问题是如何构建恒流源，恒流源由输出小电流和大电流两部分组成，小电流部分由AD620[3]与实现电压跟随功能的OPA172运算放大器组成，大电流部分由2个运放、1个三极管和4个高精度电阻构成。该恒流源模块可以满足二极管正向伏安特性的测量。

1.2 器件选型

器件选型主要应使器件性能满足电路设计性能的需要，需考虑以下因素：高性价比、构成电路外围元件少、使用方便、功耗低等。对于模拟器件还应考虑器件的温度漂移以及器件的工作噪声和截止频率。

AD620是美国AD公司的产品。它采用超高β技术，最大工作电流可调，最大输入失调漂移为1 μA/℃，共模抑制比为92 dB，增益调节方便，功耗低，噪声小。AD620仪器精密放大器主要由三级运算放大器电路组成，具有共模抑制比高、噪声系数小、温度稳定性好、放大频带宽等优点。OPA172具有很低的输出阻抗和很高的信噪比。

三极管S8050的最大电流Ic为0.5 A,满足输出0.2 A电流的要求。STM32F103具有低功耗、高性价比和易于开发的特点[4]，具有在线编程能力，构成恒流源的电阻采用0.1%、5PPM/℃的高精度低温漂电阻，使得电路稳定，降低温度变化对恒流源电路的影响。

1.3 设计方案论证

对于实现测量二极管正向伏安特性功能主要有以下几种方案[5]。

1)电桥法。如图2所示，当检流计G示数为0时，二极管两端的电压值等于电压表上的数值，流过二极管的电流如电流表所示。R1为限流电阻，R2为分压电阻，改变R1和R2的电阻，电压表示数也会改变。如果将电源反向接入电路，还可以测量二极管的反向伏安特性参数。电桥法虽然能消除由电流表压降和电压表分流引起的系统误差，但是每次只能试探性调整R1、R2和R0的电阻，每次都要仔细调整，才能使G示数为零。电桥平衡时，才能测定电压和电流[6]。

图1 二极管参数测试仪原理Fig.1 Principle block diagram of diode parameter tester

图2 电桥法二极管正向伏安特性电路Fig.2 Forward volt-ampere characteristic circuit of bridge diode

2)伏安法。伏安法是用电压表测量直流电元件两端的电压，并用电流表串联该元件，用电流表测出元件上电流，利用测得的电压、电流的数据画出元件的伏安特性。该方法要用到的仪器有电压表、电流表等，操作简单且使用方便，但是该方法测出来的结果受电表的影响，会产生一定的系统误差[7]。

3)恒流源法。在测试二极管伏安特性的实验中，与电压模式电路相比，电流模式电路更方便、可靠、实际应用时更具优势。用恒流源给一个元件供给已知的恒定电流，通过横数转换器ADC采样，得到元件两端的电压，以电压为横坐标，以电流为纵坐标画出元件的电流和电压的关系，并用液晶屏同步显示。该方法所用仪器为微处理器、DAC、运算放大器等，该方法测二极管正向伏安特性使用方便、操作简单且自动化程度高[8]。

通过对比分析并结合本次设计的要求，选择恒流源法测二极管的正向伏安特性。采用恒流源法作为二极管参数测试仪的设计方案。以高精度放大器AD620和运算放大器OPA172为控制对象，用STM32F103为控制主体，该电路结构简单，能满足精密测量的要求。

2 系统实现硬件设计

2.1 系统框图

采用可控的、电流递增的恒流源法测试，并且实现电路切换、电压采集和数据显示。因此，有必要设计一种成本低、性能好、操作简单的仪器。选择基于STM32单片机为核心的控制模块，在需要时对电路进行切换，然后，采集二极管两端电压并在屏幕上显示出伏安特性曲线。该测量仪主要由恒流源模块、数控电压模块、继电器模块、数据采样模块、数据显示模块等构成。此方案以STM32单片机为控制核心，以恒流源的设计为重点，完成对二极管参数的高精度测量。图3为系统整体框架图。

2.2 功能模块设计

1)恒流源电路设计

①AD620与OPA172组成的小电流恒流源

恒流源硬件电路由AD620、OPA172 和电阻R1、R2等构成，见图4。

图3 系统整体框架图Fig.3 Overall frame diagram of system

图4 小电流恒流源电路图 Fig.4 Circuit diagram of small current constant current source

AD620的5脚为参考电压输入端，起到“浮地”的作用，该引脚可以将输出电压在小于电源电压2 V的范围内平移，这是构成恒流源的基础[7]。运算放大器输出(6脚)电压为V0。参考脚(5脚)电压为Vra，上图中运算放大器OPA172接成电压跟随器的形式，起缓冲作用，电阻R2两端电压为Vx，则

Vx=V0-Vra

(1)

由于运算放大器OPA172输入端吸收电流极小，所以，流经负载的电流I为

I=Vx/R2

(2)

由式(1)和(2)可知：流经负载的电流I随着输入端的电压变化而变化，当电压有规律变化时，电流也按相同规律变化，公式如(3)所示。

(3)

②运算放大器与三极管组成的大电流恒流源

大电流恒流源由2个OPA172运算放大器和4个电阻相等的精密电阻[9]R6、R7、R11和R22以及用于电流放大的三极管等构成，见图5。

图5 大电流恒流源Fig.5 Big current constant current source

假设电阻Rs一端HLY_H的电压为Vx，则R7与起电压跟随作用U3相连的一端电压也为Vx，令DAC2输入电压为Vda，由于电阻R6、R7、R11和R22相等,利用电压叠加原理可得Rs与三极管发射极相连的一端电压为Vx+Vda，所以，Rs两端的电压为Vda，Vda≤3.3 V，当Rs=15 Ω时，最大输出电流I=220 mA。

2)继电器控制切换电路

采用3个5 V的继电器来进行电路的切换，以便在不拆解电路的情况下就可直接进行二极管的正反向伏安特性的测试，在其中一个继电器的常闭线路上接恒流源，常开线路上接入一个20 K与一个5 K的电阻并接地，公共端正接一个二极管；另一个继电器的常闭端接地，常开端接数控电压模块，公共端反接二极管；最后一个继电器常闭线路接二极管正极，常开线路端接分压电阻上，公共端接A/D采样[10-11]，见图6。

3)数控电压输出电路

该电路由STM32f103内部数模转换器DAC与运算放大器OPA177组成，电路简单易控制，理论输出电压为0～13.2 V，满足二极管反向击穿电压(<10 V)的要求，电路见图7。

图6 继电器切换模块Fig.6 Relay switching module

图7 电压跟随电路Fig.7 Voltage follower circuit

4)STM32F103控制电路设计

STM32F103主控电路是二极管参数测试仪电路的控制核心，它由单片机、联合测试工作组JTAG、晶振、滤波电容4部分组成，电路原理见图8。

2.3 硬件设计注意事项

1)继电器反接二极管起到泄流作用，防止继电器在开关过程中损坏，简化电路连接。

2)单片机供电电源部分利用二极管PN结的反向稳压特性，对系统的供电电压进行二次稳压，使其满足单片机的工作电压，且低功耗，电路结构简单，效果明显[12]。

3)在印刷电路板PCB设计中，为提高电路的抗干扰能力和稳定性，在每一级电路的电源端加有0.1 uF和10 uF电容，模拟地与数字地分开布线，最后通过LC连接。高阻抗线路应尽可能短，低阻抗线路尽可能长[13]。这是因为高阻抗线路容易产生干扰，导致电路工作不稳定。从布线方向看，元器件的排列方向应尽量与原理图一致，布线方向最好与信号方向一致。在 PCB 制作时预留测试点，以便于对数据进行测试。

图8 STM32103主控电路Fig.8 STM32103 main control circuit

4) IC座:在设计印制板图纸时，使用IC座时，IC座上定位槽的方向应正确，并注意各IC插针的位置是否正确。

3 系统实现软件设计

二极管测试分为4个功能主界面，分别对应二极管测试仪测试二极管的4种工作状态，即正向特性、反向特性、二极管极性判断和恒流源测试[14]。

在主界面见图9，选择对应的测试功能，进入下一步的性能测试。在测试正向特性时，用DAC控制输出的恒流源，每设置一次DAC的值，对应地用ADC读出相应的二极管两端的电压，保存每次设置的电流和相对应设置的电压。按一定的步长增加恒流源的控制值，重复测试步骤。最后将测试的数据显示出来，在屏幕上画出对应的伏安特性曲线或者列出相应的数据[15]。

在测试反向特性时，将继电器调整到二极管的反向端进行数据测试。通过处理器主控增加ADC的值控制对应的电流，同时用ADC采集二极管对应的电压，当电压增加到一定程度时，会出现电压击穿二极管现象。此时，二极管两端的电压不为零。保存对应的电压和DAC设置的电流。将保存的数据线性在屏幕上显示。

测试二极管极性时，将继电器打到二极管的反向端，处理器控制DAC输出一个电压为2 V左右对应的DAC值，测试二极管对应的电压，如果导通ADC采集的电压不为零，二极管是正向接入；如果ADC采集的电压为零，说明二极管是反向接入。至此就能判断出二极管的正负极性[16-17]。

测试恒流源时，在屏幕上可以设置对应要输出的电流，设置完成后，恒流源会输出一个电流，可以通过接入的负载(500 Ω与50 Ω的电阻)，测试两端的电压，然后计算出对应的电流。

利用传统伏安法手动测试二极管正向/反向伏安特性，分别对应电流表外/内接法，并手动记录其电压和电流，再将测得数据输入到画图软件中，才能得到二极管的伏安特性曲线。而利用二极管参数测试仪测试二极管时，可以直接在液晶显示屏上显示二极管正向伏安特性曲线。通过比较传统伏安法手动测试结果与二极管参数测试仪测试结果，发现两者测量结果基本一致，相对误差小于0.1%。