一种新型三极管反向饱和电流测试仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种新型三极管反向饱和电流测试仪，包括：桥式输入电路，能够对三极管反向电压进行采集；单片机，对单元电路进行控制和数据修正；模拟开关，在单片机的控制下，实现信号通道的选择；电压放大电路，放大来自所述模拟开关的输出信号；A/D转换装置，对经所述电压放大电路输出的模拟信号通过抽样、量化实现数字化，并将转换后的信号输入单片机；温度传感器，采集温度对三极管导电性的补偿；本实用新型操作简易，具有低电压测量、实时显示反向电压、反向饱和电流以及当前环境温度等功能，实现了高精度、低成本、安全的三极管反向伏安特性的测试，并通过编程软件对测试结果进行修正，提高系统的测量精确度。
【专利说明】一种新型三极管反向饱和电流测试仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及测试仪器【技术领域】，具体涉及一种新型三极管反向饱和电流测试仪。
【背景技术】
[0002]随着电子技术的不断发展，三极管在电子产品中起着越来越重要的作用。三极管相关特性都可能对电子产品性能产生较大影响，尤其是三极管的反向饱和电流特性，该特性使用不当可能导致电子产品不能正常工作甚至造成严重的安全事故，如烧坏、爆炸等，因此需要测量该特性的仪器。传统测量方法是用电压表直接测量其反向电压，用电流表测其反向饱和电流，操作很不方便，而且高压带电操作很容易发生安全事故。传统的测试方法很大程度上依赖电流表的精度，而普通高精度电流表价格非常高，难以普遍使用，传统反向饱和电流测试方法如图1所示。
实用新型内容
[0003]针对上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种具有低电压测量、实时显示反向电压、反向饱和电流以及当前环境温度等功能，操作简易、高精度、低成本、安全的新型三极管反向电流测试仪。
[0004]为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案:一种新型三极管反向饱和电流测试仪，该测试仪包括:
[0005]桥式输入电路:能够对三极管反向电压进行采集；
[0006]单片机:对单元电路进行控制和数据修正；
[0007]模拟开关:在单片机的控制下，实现信号通道的选择；
[0008]电压放大电路:放大来自所述模拟开关的输出信号；
[0009]A/D转换装置:对经所述电压放大电路输出的模拟信号通过抽样、量化实现数字化，并将转换后的信号输入单片机；
[0010]温度传感器:采集温度对三极管导电性的补偿；
[0011]所述桥式输入电路与模拟开关相连接，所述模拟开关与电压放大电路相连接，所述电压放大电路与A/D转换装置相连接，所述A/D转换装置与单片机相连接，所述单片机与显示器相连接，所述模拟开关另与温度传感器相连接；
[0012]所述桥式输入电路主要由四个电阻(RpRyRyR4)、被测三极管(DX)和外加激励(E)组成；
[0013]所述电压放大电路主要包括两级放大电路，第一级是仪表放大电路，第二级是同相放大电路。
[0014]所述四个电阻中，第一电阻(R3)=第二电阻(R4),第三电阻(R2)=第四电阻(R1),第一电阻(R3)/第三电阻(R2) = 200，通过电阻测出三极管(DX)的反向电压VR和反向饱和电流IR，表达式如(I)、⑵所示:
[0015]VR=E-Vm=(V2A-Vu){\ + ^\(I)
VJ
[0016]Ie = [V24-(V24-V13)]/R4(2)。
[0017]所述温度传感器为电压输出式集成温度传感器，在常温下，不需要额外的校准处理，达到土 1/4°C准确度，其输出电压Vt与温度T的线性关系见公式(3):
[0018]Vt = 0.0lT(3)。
[0019]所述桥式输入电路包括电压V13，电压V24和电压Vt，所述电压V13，电压V24和电压Vt在单片机片选端(100、101)的控制下可以分时通过差分多路开关传输到Voutl和Vout2端，以提供给差分输入端。
[0020]所述仪表放大电路由3个放大器ICL7650组成。
[0021]所述同相放大电路的反馈由差分双向多路开关(U7)和4个电阻(R9，R1, R12、R14)组成。
[0022]所述电压放大电路设置有开始测试功能键(SI)和暂停测试功能键(S2)。
[0023]本实用新型所采用的技术方案具有以下有益效果:本实用新型采用桥式输入电路可间接测出三极管Dxde的反向电压VR和反向饱和电流IR，同时通过设置关系式，直接将高压测量转换成了低压测量，保证了测量时的安全性；本实用新型的温度传感器可测量三极管所处的环境温度，分析不同温度下的三极管反向漏电流特性；所述仪表放大电路具有输入偏置电流为ΙΟρΑ，失调电压为I μ V，输入阻抗高达1012 Ω，增益高，共模抑制能力强，响应快，漂移低，性能稳定及价格低廉等优点，能够满足本设计的要求，本实用新型的单片机作为控制系统，采集数字信号，并进行数据的处理，最终通过液晶显示。本实用新型操作简易，具有低电压测量、实时显示反向电压、反向饱和电流以及当前环境温度等功能，实现了高精度、低成本、安全的三极管反向伏安特性的测试，并通过编程软件对测试结果进行修正，提高系统的测量精确度。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为传统反向饱和电流测试图；
[0025]图2为本实用新型系统结构框图；
[0026]图3为本实用新型输入部分电路原理图；
[0027]图4为本实用新型电压放大电路原理图；
[0028]图5为本实用新型系统软件测试流程图；
[0029]图6为本实用新型三极管2Ν3904伏安特性与温度的关系图；
[0030]图7为本实用新型测量误差曲线图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本实用新型的技术方案。
[0032]一种新型三极管反向饱和电流测试仪，包括:桥式输入电路，能够对三极管反向电压进行采集；单片机，对单元电路进行控制和数据修正；模拟开关，在单片机的控制下，实现信号通道的选择；电压放大电路，放大来自所述模拟开关的输出信号；A/D转换装置，对经所述电压放大电路输出的模拟信号通过抽样、量化实现数字化，并将转换后的信号输入单片机；温度传感器，采集温度对三极管导电性的补偿。如图2示，本实用新型所述桥式输入电路与模拟开关相连接，所述模拟开关与电压放大电路相连接，所述电压放大电路与A/D转换装置相连接，所述A/D转换装置与单片机相连接，所述单片机与显示器相连接，所述模拟开关另与温度传感器相连接；
[0033]所述桥式输入电路原理，如图3所示，所述桥式输入电路主要由4个电阻RpHR4 (电阻精度为±1% )，被测三极管Dxde和外界施加给桥式输入电路的激励E组成，该电路可以间接测出三极管Dxde的反向电压VR和反向饱和电流IR，表达式如式⑴和⑵所示，所述桥式输入电路电阻设置为Rl = R2, R3 = R4和R1/R3 = 200，从式(I)和⑵可以看出只要测出V24-V13的值和V24即可。由于三极管的方向电阻很大，导致V24相对V13大得多，这样测量大信号V24相对于测量微弱信号V13更方便、准确。因此设计中不宜直接测量V13得到IR。同时通过该关系式，直接将高压测量转换成了低压测量，保证了测量时的安全性。
[0034]Vr =E-Vm= [V24-V1,) 1 +合
VJ
[0035]Ve = 201(V24—V13)(I)
[0036]Ie = [V24— (V24—V13)]/R4(2)。
[0037]所述温度传感器采用LM35主要测量三极管所处的环境温度，分析不同温度下的三极管反向饱和电流特性。LM35是电压输出式集成温度传感器，在常温下，不需要额外的校准处理，达到± 1/4°C准确度，其输出电压Vt与温度T的线性关系见公式⑶所示:
[0038]Vt = 0.0lT(3)。
[0039]如图3所示，模拟开关采用Ul (⑶4052)是一个差分多路开关，其导通电阻约为100Ω，相对于电压输入部分运算放大器的输入电阻(1012Ω)可以忽略不计。电压V13，电压V24和电压Vt在单片机100和1l片选端的控制下可以分时通过差分多路开关传输到Voutl和Vout2端，以提供给差分输入端。⑶4052的输入输出逻辑关系见表I。
[0040]表I⑶4052输入输出逻辑关系
[0041]
片选(100，最终电压结
AlYi Voutl Vout2M
101)果
00XOYO V13 V24 V(V24~V13)
01Xl 1.2 O V24 V (V24)
10X2 1.2 O VT V(VT)
11X3 1.2 0 0VOS
[0042]所述电压放大电路把输入电压转换到AD转换器的量程内，该电路主要包括两级放大电路，第一级是仪表放大电路，第二级是同相放大电路，能够实现4个量程档次:I X，100 X, 500 X, 1000X。
[0043]所述仪表放大电路由3个放大器ICL7650组成，ICL7650是Intersil公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放，它具有输入偏置电流为ΙΟρΑ，失调电压为I μ V,输入阻抗高达1012 Ω，增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点，能够满足本设计的要求。该电路提供固定电压增益Al。如公式(4)所示。
[0044]Al:學(1 + ?)⑷
jPESMS
[0045]所述同相放大电路U6A(ICL7650)的反馈环由差分双向多路开关U7 (CD4052) Y通道和4个电阻R9、R10、R12、R14组成，U7的片选由单片机102和103控制，能够实现4中放大总数的转换。放大倍数转换见表2.
[0046]表2放大倍数转换表
[0047]
片选(103，
AlΑ2最终放大倍数
102)
00Al 1+R9/R13 (1+R9/R13)Al=I
01Al 1+R10/R13 (1+R10/R13)Al=10
10Al 1+R12/R13 (1+R12/R13)Al=500
11Al 1+R10/R13 (1+R10/R13)A1=1000
[0048]所述差分双向多路开关U7的Y通道置于U6输出端和X通道输入端(反馈环内电阻右端)，这样消除了工作时多路开关Y通道导通电阻对电压放大倍数的影响，大大提高了测量精度。因此最终电压经过X通道输出Vadin.
[0049]电压放大电路原理，如图4所示，A/D转换器ADC0804接收X通道输出的Vadmin,将模拟信号转换成数字信号。芯片ADC0804是8位AD转换器，它本身具有的精度为5V/256 ~20mV。由于放大倍数可达1000倍，因此测量精度可达20 μ V。设定R4 = 10kQ,可以测量反向电流的数量级达ΙΟ,Α。该部分PCB中所述ADC0804的数字地和电源以及模拟芯片的地分开，最终连接在一起，防止干扰使ADC0804工作不稳定。单片机采用AT89S51作为控制系统，采集从ADC0804转换来的数字信号，并进行数据的处理，最终通过液晶显示。所述电压放大电路中还配置了两个功能键SI和S2，如图4所示。SI表示开始测试，S2表示暂停测试。
[0050]本实用新型在系统软件的配合下测试流程，如图5所示，系统软件主要包括系统初始化字程序、输入部分传输通道控制子程序、放大倍数控制子程序、A/D转换子程序、数据修正处理子程序、液晶显示子程序和功能键子程序7部分。其中液晶显示子程序和功能键子程序都是采用定时中断去实现，提高了单片机的利用率。传输通道控制子程序使控制端1l和100分时为00 — 01 — 10 — 11 — 00，完成输入通道的选择；放大倍数控制子程序实现从倍数小到大的方向进行选择，直到独处的数据在设定的范围内(大于0.2V，小于5V)就停止选择放大倍数，当放大倍数超过1000还没有在设定的范围时,将提示超出测量范围；数据修正处理子程序主要包括A/D对数据进行10次采样取平均值和每次相同倍数下系统失调电压的处理。
[0051]为进一步验证本实用新型测试仪的稳定性和准确性，采用2Ν3904三极管作为被测三极管，测试结果和国内某电子仪器公司生产的微电流测试仪纳安表测试(测试电流范围为IXlO-11?20mA，基本准确度:0.5%?I % )的结果向比较。三极管2N3904参数Is=0.2682nA, Isr = 0.1565nA, BV = 1200V。通过外界预设电压和恒温箱调环境温度，测得的结果见表3。第I组是本实用新型测试仪的结果，第2组是采用纳安表测试的结果，用来作为测试仪的标准。
[0052]表3 2N3904测试数据表
[0053]
Ικ/ηΑ
I/ C20V10V500V900V
第I组第2组第I组第2组第I组第2组第I组第2组 30 0.892 0.885 1.272 1.265 1.928 1.918 2.272 2.265 60 7.755 7.748 10.897 10.890 16.324 16.310 19.157 19.148 90 48.444 48.432 67.573 67.540 100.16 99.991 117.26 117.13
[0054]三极管2N3904的伏安特性与温度关系如图6所示，实线表示的是第I组本实用新型测试仪实测数据，虚线表示的是采用纳安表测试的结果。测量误差曲线如图7所示。测量误差为:P = {(第I组的测量值-第I组的测量值)/第二组的测量值} X 100 %。
[0055]从图7可以看出:最坏情况下，30°C时，相对误差为0.79% ;60°C时，相对误差为
0.19% ;90°C时，相对误差为0.048%。考虑纳安表的准确度，最坏情况下，该测试仪的准确度为1.79%。
[0056]以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种新型三极管反向饱和电流测试仪，其特征在于:该测试仪包括: 桥式输入电路:能够对三极管反向电压进行采集； 单片机:对单元电路进行控制和数据修正； 模拟开关:在单片机的控制下，实现信号通道的选择； 电压放大电路:放大来自所述模拟开关的输出信号； A/D转换装置:对经所述电压放大电路输出的模拟信号通过抽样、量化实现数字化，并将转换后的信号输入单片机； 温度传感器:采集温度对三极管导电性的补偿； 所述桥式输入电路与模拟开关相连接，所述模拟开关与电压放大电路相连接，所述电压放大电路与A/D转换装置相连接，所述A/D转换装置与单片机相连接，所述单片机与显示器相连接，所述模拟开关另与温度传感器相连接； 所述桥式输入电路主要由四个电阻(R1、R2、R3、R4)、被测三极管(DX)和外加激励(E)组成； 所述电压放大电路主要包括两级放大电路，第一级是仪表放大电路，第二级是同相放大电路。
2.根据权利要求1所述的一种新型三极管反向饱和电流测试仪，其特征在于:所述四个电阻中，第一电阻(R3)=第二电阻(R4),第三电阻(R2)=第四电阻(R1),第一电阻(R3)/第三电阻(R2) = 200，通过电阻测出三极管(DX)的反向电压VR和反向饱和电流IR，表达式如⑴、(2)所示:
f R、Vr-E-Vm =(V24-V13) I + —1(I)
V kI J Ir = [V24-(V24-V13)]/R4(2)。
3.根据权利要求1所述的一种新型三极管反向饱和电流测试仪，其特征在于:所述温度传感器为电压输出式集成温度传感器，在常温下，不需要额外的校准处理，达到±1/4°C准确度，其输出电压Vt与温度T的线性关系见公式(3): Vt = 0.0lT(3)。
4.根据权利要求1所述的一种新型三极管反向饱和电流测试仪，其特征在于:所述桥式输入电路包括电压V13，电压V24和电压Vt，所述电压V13，电压V24和电压Vt在单片机片选端(100、101)的控制下可以分时通过差分多路开关传输到Voutl和Vout2端，以提供给差分输入端。
5.根据权利要求1所述的一种新型三极管反向饱和电流测试仪，其特征在于:所述仪表放大电路由3个放大器ICL7650组成。
6.根据权利要求1所述的一种新型三极管反向饱和电流测试仪，其特征在于:所述同相放大电路的反馈由差分双向多路开关(U7)和4个电阻(R9，R10，R12、R14)组成。
7.根据权利要求1所述的一种新型三极管反向饱和电流测试仪，其特征在于:所述电压放大电路设置有开始测试功能键(SI)和暂停测试功能键(S2)。
【文档编号】G01R19/25GK204008833SQ201420335289
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】晏敏, 侯志春, 马俊, 何欣, 刘庆, 李沙 申请人:湖南大学