實(shí)用穩(wěn)壓管測試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

隨著社會信息化程度的加強(qiáng)，測定范圍不斷擴(kuò)大，測定精度高，數(shù)據(jù)必須進(jìn)行及時(shí)處理等。這一切皆是為了發(fā)展社會的需要，國內(nèi)從事電子方面的人才和工廠制造的設(shè)備在基礎(chǔ)上改頭換面，追求更完美的測量水準(zhǔn)，國產(chǎn)測量電子設(shè)備，計(jì)算機(jī)為基本的功能正在增加?，F(xiàn)代關(guān)于電子方面的儀器正以一種驚人的速度向前發(fā)展。在測量電子參數(shù)的設(shè)備上需求越來越大，企業(yè)通過調(diào)研社會發(fā)現(xiàn)，急需改進(jìn)，進(jìn)一步提高現(xiàn)有設(shè)備和產(chǎn)品的技術(shù)含金量，并設(shè)計(jì)出了適應(yīng)社會發(fā)展需要的測試電子儀器的設(shè)備。電子設(shè)備的開發(fā)和創(chuàng)新，將推動電子設(shè)備行業(yè)的良好發(fā)展。

到目前為止，市面上小巧實(shí)用的穩(wěn)壓管測試儀并不多，大都體積龐大笨重且一般都為商用級產(chǎn)品，如杭州精源電子儀器有限公司生產(chǎn)的PDW-5型穩(wěn)壓管篩選臺，深圳鵬豐聯(lián)實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的HPS2543A元件參數(shù)測試儀等，它們價(jià)格昂貴且攜帶麻煩。如果只是為了平時(shí)學(xué)習(xí)和研究，根本就不可能購買這樣的設(shè)備，因此如果能夠自制一個(gè)簡易實(shí)用的穩(wěn)壓管測試儀就可以很好地解決這個(gè)問題。

隨著物質(zhì)產(chǎn)品和生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，特別是各種電子產(chǎn)品的出現(xiàn)和使用，人們的物質(zhì)生活得到不斷的豐富，在各種電子產(chǎn)品普遍使用的同時(shí)，伴隨著一系列問題。如穩(wěn)壓二極管，在電子產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用，如用于彩電中的穩(wěn)壓電路和保護(hù)電路。然而近年來隨著大量國外電子產(chǎn)品和元器件的引入，很多穩(wěn)壓二極管參數(shù)難于查找，這就給維修和使用帶來了一定的不便。另外，在電子產(chǎn)品的自制和維修時(shí)，有時(shí)對穩(wěn)壓二極管的參數(shù)有嚴(yán)格的要求（如用于電視保護(hù)電路中的穩(wěn)壓二極管），這就需對新購或有懷疑的穩(wěn)壓二極管進(jìn)行檢測和挑選，因此自制一個(gè)簡易的穩(wěn)壓管測試儀就很有必要?；诖朔N想法，本設(shè)計(jì)制作了一款實(shí)用的穩(wěn)壓管測試儀，這樣就可以避免因穩(wěn)壓管選型不當(dāng)而帶來的問題。

1 測試儀的設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1 研究內(nèi)容

本設(shè)計(jì)目標(biāo)是一個(gè)穩(wěn)壓管參數(shù)測試儀，對穩(wěn)壓管的電流、電壓能快速準(zhǔn)確地顯示。本設(shè)計(jì)整體主要由電源模塊，PWM波控制電路，穩(wěn)壓管電壓電流檢測電路，AD轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)碼顯示，按鍵及報(bào)警等模塊組成，其總體的流程圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)原理框圖

1.2 各模塊需實(shí)現(xiàn)的功能

電源電路模塊：主要負(fù)責(zé)給各個(gè)電路和芯片進(jìn)行供電；PWM波控制模塊：主要負(fù)責(zé)對流過待測穩(wěn)壓管的電流進(jìn)行控制；穩(wěn)壓管電壓電流檢測電路模塊：主要負(fù)責(zé)檢測穩(wěn)壓管流過電流和穩(wěn)壓管兩端電壓的準(zhǔn)確性；AD轉(zhuǎn)換模塊：主要是在主控芯片的控制下對流過穩(wěn)壓管的電流和穩(wěn)壓管兩端的電壓進(jìn)行采樣，然后對采樣到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；LCD液晶顯示模塊：主要負(fù)責(zé)顯示出所測量出的數(shù)值；按鍵以及蜂鳴器等模塊：按鍵主要負(fù)責(zé)控制電流，對電流實(shí)現(xiàn)可以人工控制，蜂鳴器會在功率超出可以控制范圍時(shí)發(fā)出警報(bào)。

本設(shè)計(jì)所制作的穩(wěn)壓管參數(shù)測試儀可實(shí)現(xiàn)對不同種類穩(wěn)壓管的電壓電流參數(shù)的測試，從而可對所選或被測穩(wěn)壓管的特性有更直觀和具體的了解。

2 技術(shù)問題分析及處理

2.1 供電問題

本穩(wěn)壓管測試儀對待測穩(wěn)壓管的參數(shù)要求指標(biāo)如下：

①能夠測試穩(wěn)壓值在0~50V之間的穩(wěn)壓管；

②電流測試范圍為0-50mV，使得功率不超過0.25W。

如圖1所示，電源電路模塊為本設(shè)計(jì)供電。由性能指標(biāo)可得，待測穩(wěn)壓管所在控制電路的供電電路母線電壓不能低于50V，而電路中所有控制芯片的供電電壓要求為5V，如何在供電電源盡量少，電路設(shè)計(jì)盡量簡單的情況下，解決這一問題，采用以下方案來解決。

本設(shè)計(jì)考慮使用220V市電，利用市電必須經(jīng)變壓器進(jìn)行降壓。首先利用220V~25V的變壓器進(jìn)行降壓，所得25V交流電經(jīng)整流變成25V直流電。再將所得的25V直流電分兩路，一路送到LM7805三端穩(wěn)壓器，LM7805在輸入電壓不超過其容許值時(shí)可保證輸出電壓為穩(wěn)定的5V，得到的5V電送給電路中的控制電路部分供電；另一路經(jīng)倍壓整流電路，使得整流后輸出50V的直流電，將這50V直流電送給待測穩(wěn)壓管所在的主控電路。如此就解決了電路的供電問題。

2.2 電流線性調(diào)節(jié)問題

該測試儀的設(shè)計(jì)要求是能夠?qū)崟r(shí)檢測并顯示待測穩(wěn)壓管的電流和電壓值。根據(jù)穩(wěn)壓管特性曲線可知，當(dāng)穩(wěn)壓管反向擊穿后電流變化范圍很小。

而重點(diǎn)就在于如何實(shí)現(xiàn)電壓線性可調(diào)，可以外加一個(gè)可調(diào)的電壓源，但這里不采用這種辦法，而通過如下的方案實(shí)現(xiàn)。

利用單片機(jī)軟件編程可以實(shí)現(xiàn)輸出占空比可調(diào)的PWM波，間接調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的電流。產(chǎn)生PWM方波再經(jīng)過濾波后，電壓有效值隨著占空比的變化而變化，這樣就實(shí)現(xiàn)了線性可調(diào)的電壓源，再經(jīng)運(yùn)算放大電路后，輸出的電壓送往穩(wěn)壓管，就實(shí)現(xiàn)了利用單片機(jī)輸出線性可調(diào)的電壓，線性調(diào)節(jié)流過穩(wěn)壓管的電壓和電流。

2.3 電流電壓檢測問題

電路要實(shí)現(xiàn)對穩(wěn)壓管電壓電流進(jìn)行檢測，檢測的結(jié)果通過數(shù)碼顯示出來，要顯示電路中的模擬量就必須先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量進(jìn)行顯示。這其中就會存在一些問題：電路中采樣的模擬量范圍與AD轉(zhuǎn)換器要求的模擬量輸入范圍不一致。AD轉(zhuǎn)換器輸入的模擬量為電壓信號，因此不可能直接采樣穩(wěn)壓管的電流信號。

要解決這個(gè)問題，可以先把要采樣的電壓信號用差分放大器進(jìn)行分壓處理后再采樣，差分放大器的倍數(shù)為0.1倍，也就是縮小10倍，然后在程序中通過推算得到電路中電壓的實(shí)際值。對于穩(wěn)壓管電流的檢測，可以給穩(wěn)壓管串接一個(gè)確定值的電阻，檢測電阻兩端的電壓，當(dāng)然這個(gè)電壓的范圍也應(yīng)在0～5V之內(nèi)，在程序中將這個(gè)采樣的電壓值除以電阻的阻值就可得到穩(wěn)壓管的電流值。

2.4 管子保護(hù)問題

測試穩(wěn)壓管參數(shù)的前提是不損壞被測的管子，否則測試就沒有意義了，因此如何保護(hù)被測的管子是必須要考慮的。要保護(hù)被測的管子，可以在程序中加入功率保護(hù)功能。在每次AD采樣后，將程序中推算所得的管子實(shí)際電壓電流相乘，得到管子實(shí)際功率，將實(shí)際功率與預(yù)設(shè)的功率保護(hù)值進(jìn)行比較，一旦發(fā)現(xiàn)實(shí)際值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)就啟動保護(hù)功能，鎖定按鍵、蜂鳴報(bào)警，提醒人員復(fù)位保護(hù)。

3 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用閉環(huán)控制，數(shù)模轉(zhuǎn)換，液晶顯示等，實(shí)現(xiàn)了電流及電壓顯示，實(shí)現(xiàn)了對穩(wěn)壓管的測試，且其體積小，可操作性強(qiáng)。系統(tǒng)整體主要由電源模塊，PWM波控制電路，穩(wěn)壓管電壓電流檢測電路，AD轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集模塊，LCD液晶顯示，檢測按鍵及蜂鳴器等模塊組成，其總體的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)框圖

首先220V交流電經(jīng)過變壓器降壓到25V后，接雙半波整流電路，倍壓變換后輸出的50V直流電給主電路供電，同時(shí)從雙半波整流器中引出25V直流電經(jīng)7805三端穩(wěn)壓器輸出5V直流電給控制芯片供電。默認(rèn)的穩(wěn)壓管的測試功率范圍為0.25W，液晶顯示為0.25W。根據(jù)穩(wěn)壓管的測試要求可由按鍵模塊進(jìn)行測量量程選擇即功率范圍的選擇，而且本設(shè)計(jì)還有一特點(diǎn)就是，在控制器中通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對檢測的電壓電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，算出其此時(shí)的功率，并將其和所選擇的功率量程進(jìn)行比較。如要超過本量程時(shí)會有蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警。PWM波的占空比就變化一點(diǎn)，進(jìn)而使得穩(wěn)壓管的電流跟著變化，由于CPU控制AD轉(zhuǎn)換器，每當(dāng)轉(zhuǎn)換器接收到信息時(shí)會對流過穩(wěn)壓管的電壓及電流進(jìn)行采樣，此時(shí)CPU控制AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器開始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后送轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，控制電路接收到這一信號，讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果，控制器將最后數(shù)據(jù)結(jié)果送入顯示模塊進(jìn)行顯示。如果有外部控制如按鍵對控制器的控制，想要改變電流。

系統(tǒng)上電后，LCD、單片機(jī)初始化完成。如果需要改變功率設(shè)定值，在接收到相應(yīng)按鍵輸入后執(zhí)行對應(yīng)的程序代碼，完成新值的設(shè)定。然后等待測試開始按鍵的輸入。

測試按鍵按下后，單片機(jī)開始輸出可變占空比PWM波的程序段，按鍵每次按下單片機(jī)輸出的PWM波的占空比就變化一點(diǎn)，進(jìn)而使得穩(wěn)壓管的電流跟著變化，每次變化后，AD轉(zhuǎn)換芯片此時(shí)的采樣作用就得到體現(xiàn)，會對流過穩(wěn)壓管的電流及其電壓進(jìn)行收集采樣，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)AD轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量編程推算出電壓電流的實(shí)際值，并計(jì)算功率值然后顯示在LCD上。這樣就可以直觀地得到所測穩(wěn)壓管在電流由小變大的整個(gè)過程中，管子的穩(wěn)壓情況。當(dāng)然管子的電流不會一直增大下去，在每次采樣后程序都會將推算得到的管子的實(shí)際功率與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際值沒有達(dá)到設(shè)定值時(shí)繼續(xù)進(jìn)行檢測，一旦達(dá)到設(shè)定值，管子就進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，發(fā)出蜂鳴報(bào)警，并將按鍵鎖死。

4 系統(tǒng)仿真

將Keil軟件生成的.hex文件雙擊加載到單片機(jī)內(nèi)，并在Proteus軟件里進(jìn)行仿真，會在示波器和液晶屏上分別看到PWM波和顯示的數(shù)據(jù)值，如圖3所示，其中I是流過穩(wěn)壓管的電流值可以通過軟件調(diào)節(jié)，V則是穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，P是功率值，S是設(shè)定的功率值。打開示波器可以看到此時(shí)的PWM波。

圖3 仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)三個(gè)按鍵，按鍵K1是調(diào)節(jié)電流大小，K2是設(shè)置功率范圍超出范圍就會報(bào)警，調(diào)節(jié)K1可以改變PWM輸出，在示波器上可以看到波形占空比的改變。按鍵K3為復(fù)位按鍵，將所有數(shù)值設(shè)為初始化數(shù)值。

圖4為系統(tǒng)電源部分仿真圖。圖5為控制電路仿真原理圖。

圖4 電源轉(zhuǎn)換電路仿真圖

圖5 控制電路仿真圖

5 結(jié)論

本課題詳細(xì)介紹了一種穩(wěn)壓管測試儀的基本設(shè)計(jì)框架和原理，分析了測試儀的主要模塊的功能需求。對現(xiàn)實(shí)中主要存在的問題進(jìn)行分析并且解決。給出了測試儀完整設(shè)計(jì)方案，把設(shè)計(jì)的相應(yīng)電路通過Proteus軟件以及Kei1軟件相結(jié)合起來，經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)證明，基本能實(shí)現(xiàn)對穩(wěn)壓管的參數(shù)檢測，達(dá)到了原本設(shè)計(jì)需求。