摘要：利用單片機具有的智能程序控制的特點，設(shè)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(wěn)定線性電流源給二極管加載恒定電流，然后由高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器測試其壓降，以此為基礎(chǔ)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(shè)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(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：二極管；特性；測試器；單片機；電流源

    二極管是現(xiàn)代電子設(shè)計與制造行業(yè)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(shè)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(dāng)而對系統(tǒng)造成影響。本裝置以MCU(Micro Controller Unit，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(guān)參數(shù)是否滿足設(shè)計要求，減少設(shè)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(shè)定二極管的工作電流，測量并顯示二極管的壓降，還能根據(jù)測試者需要繪制二極管的正向伏安特性曲線。硬件預(yù)留串口可與PC進行串口通信向PC返回測試數(shù)據(jù)方便調(diào)試及數(shù)據(jù)分析。
    單片機是現(xiàn)代儀器儀表，家用電器，工業(yè)儀器等領(lǐng)域應(yīng)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(yōu)點。由于單片機功能的飛速發(fā)展，它的應(yīng)用范圍日益拓廣，小到玩具，大到機器人，從數(shù)據(jù)采集，過程控制．模糊控制等智能系統(tǒng)到人類的日常生活都離不開單片機。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)
1．1 系統(tǒng)硬件的基本組成部分
    系統(tǒng)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(tǒng)基本框圖如圖1所示。

    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(xié)調(diào)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-AnedIogue Converters，數(shù)模轉(zhuǎn)換器)TLV5613加上V／I轉(zhuǎn)換電路輸出穩(wěn)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-Digital Converters，模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換功能，因此普遍被應(yīng)用于微電腦的接口設(shè)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(shù)據(jù)參考。人機交互：由按鍵組成，可以手動設(shè)置二極管電流、選擇是否繪制伏安特性曲線等。預(yù)留串口：RS232串口，可通過串口向PC機返回測試數(shù)據(jù)，方便調(diào)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(zhì)量高，體積小、重量輕，具有8位數(shù)據(jù)接口可方便地與單片機連接，很適合用于顯示系統(tǒng)的測試結(jié)果、伏安特性曲線等信息。
1．2 主要單元電路的設(shè)計
1．2．1 電流控制電路
    電流控制電路采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片TLV5613加上V／I轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成穩(wěn)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(tǒng)測試對電流的要求。在極性測試環(huán)節(jié)可給出合適的電流值，便于系統(tǒng)測量二極管電壓值并據(jù)此判斷二極管的好壞及極性；在特性測試環(huán)節(jié)可根據(jù)設(shè)定電流值增大或減小回路電流，使其與設(shè)定值一致；在伏安特性曲線繪制環(huán)節(jié)可給出由小到大逐漸增大的電流值便于系統(tǒng)采樣繪圖。

    圖2為將TLV5613輸出的電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定電流源的V／I轉(zhuǎn)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(wěn)定的電流值Iout。當(dāng)R1～R4精確匹配時，Iout和Vi的關(guān)系為：
   
    其中Vi=0～5 V，R6=20 Ω，因此Iout=0～250 mA，可1 mA步進。經(jīng)實測分析發(fā)現(xiàn)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(shè)計，增大DAC輸出電壓或減小風(fēng)即可實現(xiàn)。因測試電流同時流過R6，當(dāng)Iout=250 mA時，R6的功率為(0．25)2x20=1．25 W，此時R6發(fā)熱明顯從而影響測試精度，在實際電路中應(yīng)用5只100 Ω電阻并聯(lián)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(shù)轉(zhuǎn)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(cè)為繼電器控制電路，當(dāng)CTRL端為高電平時，三極管VT1導(dǎo)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(zhuǎn)換，二極管極性匹配后，即可進行特性測試。

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計
    系統(tǒng)軟件基于Keil開發(fā)，系統(tǒng)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(zhuǎn)換二極管的接入極性再測一次，當(dāng)被測二極管極性與回路外加電流方向與一致時，二極管導(dǎo)通，此時特性測試模塊所測到的二極管電壓值在0．6～3．6 V之間，而當(dāng)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10 V左右，ADC讀數(shù)滿量程(0x0FFF)，據(jù)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10 V左右或者均接近0 V，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(shè)定二極管的工作電流，測量其電壓值，當(dāng)進入特性測試環(huán)節(jié)后，先將二極管匹配極性接入測量回路，加載初始設(shè)定值(如50 mA)，設(shè)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(shè)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(jié)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1 mA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(yīng)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(jié)束后，可隨時選擇結(jié)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(jù)檢測結(jié)果進入二極管特性測試環(huán)節(jié)或報錯，特性測試環(huán)節(jié)可測量和顯示二極管的設(shè)定工作電流值及正向壓降等信息，也可根據(jù)實際情況選擇進入二極管伏安特性曲線繪制程序。

3 設(shè)計中遇到的問題及分析
    在軟硬件設(shè)計全部完成后的測試階段，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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0～5 V每次遞增0．02 V對應(yīng)的控制字寫入DA，用AD測其輸出電壓值并將結(jié)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(dǎo)入Excel，然后在Excel中插入這些值的散點圖，散點圖如圖5所示，0～250 mA電流值分別對應(yīng)0～5 V的電壓值(圖中截取了0～45 mA這一段)，縱坐標(biāo)為輸出電壓理論值與實際值的差異值。

     通過觀察散點圖，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)該是DA數(shù)據(jù)端口上某一位出現(xiàn)故障，導(dǎo)致該位寫到DA中的數(shù)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(dāng)DA寫數(shù)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(dǎo)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(shù)10000000B對應(yīng)電壓值為0.156V≈ 0.16V，因此故障為應(yīng)該是D7位，從而懷疑D7位是否短路到地，通過測試發(fā)現(xiàn)該位連接完全正確，于是懷疑是DA內(nèi)部寄存器故障或單片機故障，而DA內(nèi)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(shù)據(jù)引腳全部置1，通過萬用表測試發(fā)現(xiàn)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(tǒng)測試
    被測二極管采用1N4118，用2個優(yōu)利德數(shù)字萬用表UT33D作為測量儀器對系統(tǒng)進行測試，其中一個以毫安檔(量程200 mA)與被測二極管串聯(lián)，另一個以直流電壓檔(量程5V)與被測二極管并聯(lián)，在不同的設(shè)定電流值下測量二極管的實際電流和電壓，測試結(jié)果如表1。

    通過測試結(jié)果分析可見，該測試器的測量結(jié)果可靠，誤差較小，可滿足對二極管的一般測試要求。系統(tǒng)誤差來源主要有系統(tǒng)誤差、DA轉(zhuǎn)換誤差和AD轉(zhuǎn)換誤差等，另外電流較大時R6雖然由5個電阻并聯(lián)，但其發(fā)熱對誤差也有一定影響。

5 結(jié)束語
    本設(shè)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(yīng)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(xiàn)了對二極管極性和特性的快速判斷和測試。在設(shè)計過程中力求硬件電路簡單，充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點來滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，預(yù)留串口可向PC返回測試數(shù)據(jù)方便分析，可用于一般的二極管特性測試場合。