快速高精度電子元件溫度特性測量儀的研制

王延, 李 陽, 馬德才, 林少鵬, 王 彪

(中法核工程與技術(shù)學(xué)院 中山大學(xué), 廣東 珠海 519082)

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快速高精度電子元件溫度特性測量儀的研制

(中法核工程與技術(shù)學(xué)院 中山大學(xué), 廣東 珠海 519082)

大多數(shù)電子元器件的性能受到工作溫度的影響，其溫度特性對設(shè)備穩(wěn)定性和精確度的影響不容忽視;以半導(dǎo)體致冷器(TEC)為核心，ATMega128A單片機為控制芯片，采用PT100、高精度恒流源和AD7731數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)組成溫度測量模塊，運用改進的PID控制算法，以脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式驅(qū)動優(yōu)化的H橋精確控制加熱和制冷功率，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計的變溫腔體，制作了快速、高精度電子元件溫度特性測量儀；在-10～80 ℃之間快速、穩(wěn)定控制待測元件的溫度，控溫精度達到±0.2 ℃；通過計算機控制數(shù)字萬用表等測量設(shè)備，測量了電阻、電容和電感的溫度特性曲線；該測量儀還可以用于IC、三極管和LED等元器件的溫度特性曲線研究；在實驗研究、工業(yè)生產(chǎn)和電子實驗教學(xué)中均具備很高的實用價值。

半導(dǎo)體致冷器；單片機；溫度特性曲線

0 引言

溫度作為重要的環(huán)境參數(shù)，直接影響電子元器件的工作性能，55%的電子設(shè)備失效是由于溫度過高引起[1]，因此溫升的控制以及電子元器件的溫度漂移研究對于系統(tǒng)的可靠性十分關(guān)鍵[2]。對于半導(dǎo)體元件，溫升將使晶體管的最大允許功耗下降，結(jié)溫升高，會使P-N結(jié)擊穿損壞[3]。溫度的改變能夠?qū)е码姼械碾姼辛亢推焚|(zhì)因子變化；導(dǎo)致電容的容量和介質(zhì)損耗角等參數(shù)變化；也能夠?qū)е码娮枳柚灯x標稱值[4]。這些改變經(jīng)常導(dǎo)致電路及設(shè)備的整體參數(shù)和性能發(fā)生重大改變，必須在設(shè)計階段給予充分的考慮。在使用元件之前，也需要快速準確地了解元件的溫度特性，才能有效提高設(shè)備的可靠性。因此，一套能夠快速準確地測量如電感、電容和電阻等元件的溫度特性的設(shè)備，對于工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究都顯得非常重要。同時，如果能夠解決設(shè)備的便攜性，在課堂教學(xué)中也將大大提升學(xué)生對于元件溫度特性的理解和學(xué)習(xí)效果。

通常電子元器件的工作溫度在-10～80 ℃之間。在室溫以下，制冷方式主要采用壓縮式制冷、液氮制冷和半導(dǎo)體制冷等。壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器及連接管道組成一個密封系統(tǒng)[5]。它可以達到較高的卡諾效率，然而也存在換熱系數(shù)不穩(wěn)定、冷媒損耗以及占用體積大等問題，不可避免地制約了其在小型化及高穩(wěn)定性條件下的應(yīng)用[6]。

半導(dǎo)體致冷器的基本單元是PN結(jié)，當(dāng)通以直流電時，電子在兩種能量等級不同的材料中的遷移帶來接觸面上的吸熱和放熱現(xiàn)象[7]。半導(dǎo)體致冷器具備體積小、可靠性高、速度快、不需要制冷劑、散熱方便快速、兼?zhèn)渲评浜图訜峁δ艿葍?yōu)點。因此，本系統(tǒng)采用半導(dǎo)體致冷器為核心元件，通過優(yōu)化設(shè)計的H橋?qū)崿F(xiàn)冷、熱雙向控制和無縫過渡，通過改進的PID算法和PWM方式控制精確控制加熱功率，同時通過計算機控制相應(yīng)的測量儀器測量并獲取元件的參數(shù)，從而快速、準確地獲得電子元件的溫度特性曲線。

1 系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)以單片機ATMega128A為核心，可以完成溫度信號的設(shè)定、控制、采集和顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由單片機控制模塊、溫度采集模塊、半導(dǎo)體致冷器TEC驅(qū)動模塊，鍵盤和液晶顯示模塊組成。

圖1 系統(tǒng)控制原理框圖

1.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊選擇熱敏電阻PT100作為溫度傳感器，采用AD780基準源、斬波運放TLC2652和高精度電阻組成高精度恒流源為PT100提供偏置電流，采用四線法，將PT100兩端電壓信號輸入到高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7731，通過差分方法轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再通過I2C接口傳輸給單片機并顯示在LCD顯示屏上。

1.3 用戶接口模塊

用戶可以通過4X4鍵盤設(shè)定目標溫度和相關(guān)控制參數(shù)，并顯示在LCD顯示屏上。也可以通過計算機端的Labview程序向控制系統(tǒng)發(fā)送目標溫度和控制參數(shù)。

1.4 功率控制模塊

功率控制模塊采用優(yōu)化設(shè)計的H橋電路，兩路獨立的PWM頻率根據(jù)所需控制精度(12位～16位)可以設(shè)定在500 Hz到169 Hz之間，同時確保充分的安全延遲，實現(xiàn)加熱和制冷的安全、快速切換?？刂扑惴ㄉ弦哺鶕?jù)制冷片的物理特性限制了加熱和制冷的速率和功率，以確保制冷片的安全和壽命。

1.5 變溫腔體的設(shè)計

變溫腔體的設(shè)計如圖2所示，采用最為便捷的風(fēng)冷方式為制冷片散熱，具備體積小、便攜等優(yōu)點，必要時還可以方便地改為水冷方式。如圖2中“絕緣保溫層”所示，因為腔體的隔熱性能直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度，故采用了很小熱導(dǎo)率、絕緣、韌性和可塑性好、性能穩(wěn)定且工作溫度范圍比較寬的多孔塑料作為隔熱材料來密封腔體。

圖2 變溫腔設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

用導(dǎo)熱性能很好的紫銅薄皮和導(dǎo)熱硅膠貼在制冷片的上表面，使得上表面的溫度分布更為均勻。為了防止待測元件與測試端短路，采用導(dǎo)熱絕緣薄層將銅片與待測元件隔開，同時將PT100植入到薄層中，使所測量溫度盡可能接近待測元件的溫度。為了實現(xiàn)保溫效果，在制冷片的邊緣加上一定面積的絕緣保溫層，同時，在里邊植入待測元件的接線柱，使待測元件可以方便快速地放置在腔體中并與測試儀器妥善連接。測試儀器與腔體之間通過“測試接口”的BNC連接。

1.6 測量方法

目標元器件的溫度特性測量方法如圖3所示。用戶可以通過運行于計算機端的Labview程序界面向溫度控制系統(tǒng)發(fā)送目標溫度，當(dāng)溫度達到目標后，程序通過串口或usb口控制測量儀器測量并讀取該溫度下的元件參數(shù)，保存并顯示在圖表文件中。通過合理設(shè)計可以方便實現(xiàn)多個溫度點連續(xù)控制和測量，從而快速獲取元件的溫度特性曲線。

圖3 元件溫度特性測量示意圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

主控程序采用模塊化設(shè)計，包括初始化模塊、鍵盤掃描模塊、溫度采集模塊、PID控制模塊、PWM調(diào)節(jié)模塊、串口通信模塊、和中斷服務(wù)程序等。

2.2 位置式PID控制程序設(shè)計

PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好及編程簡單的優(yōu)點，由于本系統(tǒng)的溫度控制穩(wěn)定性要求高，采用位置式PID算法可以有效地防止超調(diào)并且保證控溫的穩(wěn)定性和快速性?；趩纹瑱C控制的采樣原理，采用離散式PID算法控制規(guī)律：

這里u(n)為第n個采樣時刻控制器的輸出量，e(n)為第n個采樣值與目標值的差值，Kp、KI、KD分別是PID控制器的比例、積分和微分因子。

為了避免積分飽和，我們采用遇限削弱積分算法。算法流程圖如圖4所示，當(dāng)控制器進入飽和區(qū)以后，便不再進行積分項的累加，而只執(zhí)行削弱積分的運算。因此，在計算u(k)時，先判斷u(k-1)是否已經(jīng)超出限制值，若u(k-1)≥umax，則只累加負偏差；若u(k-1)≤umin，則只累加正偏差。

圖4 遇限削弱積分算法程序圖

3 實驗結(jié)果與討論

測試環(huán)境溫度為28 ℃,首先將溫度設(shè)定至-10 ℃，再從-10 ℃升至80 ℃，同時測量電阻、電容和電感的溫度特性，實現(xiàn)溫度控制精度為±0.2 ℃。采用北京普源精電科技有限公司生產(chǎn)的RIGOL-DM3068測量電阻在不同溫度下的電阻值。采用上海雙旭電子有限公司推出的LCR數(shù)字電橋YB2811來測量瓷片電容、滌綸電容和色環(huán)電感器。由于YB2811沒有數(shù)字通信接口，該部分實驗數(shù)據(jù)由人工記錄。

本實驗分別選用了具有正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient，PTC)和負溫度系數(shù)(negative temperature coefficient，NTC)的電阻，一個是市面常見的標稱值為1 kΩ，精度為±1%的金屬膜電阻(R1)，另一個是標稱值為6.25 kΩ，精度為±0.01%，溫漂為10 ppm的高精度電阻(R2)。在實驗室的元器件箱中隨機取樣標稱值分別為10 pF的瓷片電容(C1)、8.2 nF的滌綸電容(C2)和10 μH的色環(huán)電感器(L1)。

圖5是電阻在溫度變化在-10～80 ℃之間的電阻溫度特性曲線，測量結(jié)果顯示：R1阻值從1 012.60 Ω降低至991.89 Ω，呈現(xiàn)NTC特性；R2阻值從6 245.47 Ω升高至6 246.92 Ω，呈現(xiàn)PTC特性。圖6是兩種電阻在相同變溫范圍內(nèi)的溫度漂移，熱電阻阻值計算公式如下[8]：

式中，為電阻溫度系數(shù)，單位為ppm/℃；R25為25 ℃時的電阻阻值；為電阻溫度與25的差值。測量結(jié)果顯示，R2在25下的阻值為6 246.09 Ω，溫度系數(shù)在1.77～5.91 ppm/℃(圖6)，優(yōu)于標稱值，印證了該電阻的溫度穩(wěn)定性。R1在25 ℃下的阻值為1 004.61 Ω，電阻溫度系數(shù)在-232.01～204.62 ppm/℃之間(圖6)，在實際電路設(shè)計中對電路穩(wěn)定性的影響不容忽視。

圖5 電阻溫度特性曲線

圖6 電阻溫度漂移曲線

電容器的電容溫度特性反映的是電介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε隨溫度變化的特性，電容的溫度系數(shù)計算公式如下[9]：

式中,αC為電容溫度系數(shù)，單位為ppm/℃；CT=25為25 ℃時的電容值，單位為F；ΔT為電阻溫度與25 ℃的差值。

圖7是C1和C2的電容值在溫度范圍-10～80 ℃內(nèi)的變化曲線，圖8對比了兩種電容在相同變溫范圍內(nèi)的溫度系數(shù)。C1采用NPO電介質(zhì)，溫度特性很好，不隨正負溫度變化而出現(xiàn)大的容值漂移，ΔC/CT=25最大誤差為5.25%，這里電容參考值為CT=25=10.57 pF。8.2 nF滌綸電容采用極性介質(zhì)，當(dāng)溫度較低時，由于較強的分子間相互作用力，偶極子無法隨外電場取向，僅有瞬間的電子位移極化，隨著溫度的升高，分子熱運動增加，分子間結(jié)合力減弱，偶極子沿電場取向，介電常數(shù)ε也隨之增大；高溫時，分子間結(jié)合力降低從而偶極子的熱運動動能大大增加，當(dāng)達到一定溫度時，熱運動又會對偶極子的取向起到抑制作用而使介電常數(shù)ε下降[10]。如圖7所示，其電容值隨著溫度的升高而升高，整體呈現(xiàn)正溫度特性。

圖7 電容溫度特性曲線

圖8 電容溫度漂移曲線

由于繞線金屬隨溫度的熱脹冷縮會造成線圈體積的變化，因而電感值也會隨著溫度改變。由圖9所示，對于L1，溫度在-10～80 ℃范圍內(nèi)變化時，以25 ℃時的測量電感值9.94 μH作為參考值，ΔL/LT=25的變化在0.01%～1.93%之間，品質(zhì)因數(shù)Q的變化在0.04～0.06之間，可見該電感溫度特性優(yōu)良。

圖9 電感溫度特性曲線

4 結(jié)論

采用半導(dǎo)體致冷器為核心元件，以ATMega128A單片機為控制核心，采用模塊化設(shè)計方法和改進的PID控制算法，成功研制了快速、高精度的電子元器件溫度特性測量儀，控溫

范圍為-10 ℃到80 ℃，精度達到±0.2 ℃。通過聯(lián)合計算機、數(shù)字萬用表和LCR表等設(shè)備，測試了電阻、電容和電感的溫度特性。該測量儀可以快速測量常用電子元件的標稱值及其參數(shù)的溫度漂移特性，包括電阻、電容、電感、三極管、IC和LED等元件，在企業(yè)、高校電子實驗室及電子實驗課程中均有很高的應(yīng)用價值。

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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。

國家自然科學(xué)基金青年基金(11302268)。

王延珺(1992-)，女，研究生，主要從事核工程和核材料方向的研究。

王 彪(1963-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光電晶體材料生長和應(yīng)用方向的研究。

1671-4598(2016)03-0285-04

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

TP23

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