二極管伏安特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

王文婷，劉金寧，曾春花

(軍械工程學(xué)院,河北石家莊 050003)

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二極管伏安特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

王文婷，劉金寧，曾春花

(軍械工程學(xué)院,河北石家莊 050003)

針對(duì)傳統(tǒng)二極管伏安特性測(cè)試過(guò)程繁瑣，不好操作等弊端，利用計(jì)算機(jī)、NI myDAQ、精密電阻和LabVIEW軟件搭建了一個(gè)二極管伏安特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并采用該系統(tǒng)對(duì)IN4727A型二極管進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明該測(cè)試系統(tǒng)能滿(mǎn)足測(cè)試要求。

二極管；伏安特性；自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；NI myDAQ；LabVIEW

0 引言

二極管伏安特性實(shí)驗(yàn)是電路或電工課程中的一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[1-5]介紹了二極管伏安特性測(cè)試的伏安法、電橋法、等效法、互補(bǔ)元件法等方法及其改進(jìn)電路，這些方法都要求人工改變電路參數(shù)和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，普遍存在著測(cè)量過(guò)程繁瑣、不好操作、容易產(chǎn)生隨機(jī)誤差和粗大誤差的不足。文獻(xiàn)[6-7]采用一種半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)試其伏安特性，但設(shè)備價(jià)格昂貴，不便于廣泛應(yīng)用。盡管文獻(xiàn)[8-11]設(shè)計(jì)了二極管的各種測(cè)試儀，但都存在著諸如不易實(shí)現(xiàn)和不能完成自動(dòng)測(cè)試等弊端。

本文利用虛擬儀器技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)、NI myDAQ、精密電阻和LabVIEW軟件搭建了一個(gè)二極管伏安特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，整個(gè)測(cè)試過(guò)程電路參數(shù)的修改、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄都由軟件自動(dòng)完成，該系統(tǒng)具有測(cè)試電路簡(jiǎn)單、操作方便、誤差小等優(yōu)點(diǎn)。

1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LabVIEW軟件

1.1 NI myDAQ

NI myDAQ也是NI公司最新推出的一款低成本便攜式數(shù)據(jù)采集 (DAQ)設(shè)備，主要應(yīng)用于工科院校學(xué)生對(duì)實(shí)際電路設(shè)計(jì)和創(chuàng)新領(lǐng)域。它有2路模擬輸入口和2路模擬輸出口，采樣率都高達(dá)200 kS/s，且每個(gè)模擬輸入和輸出通道位數(shù)都為16位，能滿(mǎn)足測(cè)試要求。

1.2 精密電阻

精密電阻是指電阻的阻值誤差、電阻的熱穩(wěn)定性(溫度系數(shù))、電阻器的分布參數(shù)(分布電容和分布電感)等項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的電阻器。精密電阻一般分為金屬膜型、線繞型和金屬箔3種類(lèi)型。為了提高測(cè)試精度，本測(cè)試系統(tǒng)采用金屬膜型精密電阻，阻值為500 Ω。

2 測(cè)試原理及方法

2.1 測(cè)試原理

測(cè)量原理如圖2所示。利用myDAQ的模擬輸出口輸出直流電壓，此電壓即為軟件設(shè)置的模擬輸出口電壓值，在沒(méi)有接外電路時(shí)，也就是開(kāi)路電壓，設(shè)為E；當(dāng)接上外電路時(shí)，模擬輸出口輸出電壓低于開(kāi)路電壓E，并隨著輸出電流的增大而減小。

圖2 測(cè)量原理

由戴維寧定理可知，myDAQ的模擬輸出口相當(dāng)于一個(gè)電源，可用一個(gè)理想電壓源和一個(gè)表示電源內(nèi)阻的電阻串聯(lián)來(lái)表示，如圖3所示。其中理想電壓源電壓為開(kāi)路電壓E，也就是軟件設(shè)置的模擬輸出口電壓值，電源內(nèi)阻用Ri來(lái)表示。

設(shè)模擬輸出口實(shí)際輸出的電壓用Ui表示，根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)可知：

二極管端電壓為

U=Ui-UR

(1)

且

(2)

由此可見(jiàn)，在模擬輸出口輸出直流電壓E，只要測(cè)出Ui和UR，在知道精密電阻R的值后，根據(jù)式(1)和式(2)就可以得到該輸出電壓對(duì)應(yīng)下的U、I值，不斷改變E的大小，就可得到不同工作狀態(tài)的U、I值，而U、I的約束關(guān)系也就是二極管的伏安特性。

圖3 戴維寧等效電路

2.2 測(cè)試方法

將二極管的正向伏安特性和反向伏安特性分開(kāi)，分別進(jìn)行測(cè)試。正向測(cè)試時(shí)二極管的連接如圖3所示；反向測(cè)試時(shí)，只需將二極管反向連接即可。這樣只需設(shè)置“正”的電壓E，就可以分別測(cè)試正反向特性了。需要注意的是在反向測(cè)試時(shí)，由于二極管改為反向連接，所以計(jì)算出的U、I值都要取相反數(shù)。

圖4 二極管伏安特性程序流程

圖5 二極管伏安特性程序框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件具體流程如圖4所示。設(shè)計(jì)思路是：以“起始電壓”值(一般設(shè)為0)為E的初值，以“步進(jìn)增量”值為步長(zhǎng)正向增大，每次輸出一個(gè)E，就從模擬輸入口測(cè)出對(duì)應(yīng)的Ui和UR，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)下的U、I值，為了避免損壞二極管，程序設(shè)置了E的最大值(此處為“停止電壓”值)和二極管的最大正反向電流， 當(dāng)超出其設(shè)置值，程序就從循環(huán)的自動(dòng)索引隧道獲得測(cè)試所得的U、I兩個(gè)一維數(shù)組，若是反向測(cè)試還要將這兩個(gè)一維數(shù)組取相反數(shù)，之后將其捆綁在一起進(jìn)行顯示就行了。程序框圖如圖5所示。

4 測(cè)試結(jié)果分析

利用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)IN4727A型號(hào)的二極管進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。測(cè)試條件設(shè)為：開(kāi)始電壓0 V，停止電壓2 V，最大正向電流10 mA，最大反向電流-10 mA，步進(jìn)增量0.1 V。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出：該二極管的正向?qū)妷杭s為0.6 V，當(dāng)反向電壓在-1 V以?xún)?nèi)時(shí)，反向電流很小(只有幾個(gè)μA)且基本恒定，當(dāng)反向電壓大于-1 V時(shí)，反向電流會(huì)急劇增大，符合二極管的伏安特性特點(diǎn)，同時(shí)也驗(yàn)證了此測(cè)試系統(tǒng)的可行性和可靠性。

本測(cè)試系統(tǒng)的不足之處在于：由于選用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備模擬輸出口電壓范圍為-10～+10 V，所以不能測(cè)試反向擊穿電壓大于10 V的二極管。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試方法和測(cè)試系統(tǒng)存在的各種弊端，本文利用虛擬儀器技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)、NI myDAQ、精密電阻和LabVIEW軟件搭建了一個(gè)二極管伏安特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并采用該系統(tǒng)對(duì)IN4727A型二極管進(jìn)行了測(cè)試，具有測(cè)試電路簡(jiǎn)單、操作方便、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，此方法在工業(yè)測(cè)試領(lǐng)域和大學(xué)課堂實(shí)驗(yàn)演示領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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(a)正向特性

(b)反向特性圖6 IN4727A型二極管測(cè)試結(jié)果

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Diode Volt-ampere Characteristic Automatic Test System

WANG Wen-ting,LIU Jin-ning,ZENG Chun-hua

(Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

Against the cumbersome process,difficult to operate and other defects of traditional diode volt-ampere characteristic testing,a diode volt-ampere characteristic automatic test system was built using computer,NI myDAQ,precision resistor and LabVIEW software. IN4727A diode was tested using this system. The test results show that the test system can meet the test requirements.

diode;volt-ampere characteristics;automatic test system;NI myDAQ;LabVIEW

2014-12-24 收修改稿日期：2015-06-02

TP242

A

1002-1841(2015)11-0065-02

王文婷(1979—)，碩士，講師，主要從事電路和電工課程的教學(xué)與研究工作。E-mail：w_wenting@163.com