不同種類的半導(dǎo)體元器件測試儀的設(shè)計(jì)原理

很多電子愛好者、初學(xué)者在碰到一個(gè)半導(dǎo)體器件的時(shí)候，需要確認(rèn)它的型號(hào)、功能以及管腳定義，才能夠正確使用它。但當(dāng)你從一塊印刷電路板上拆下一個(gè)器件，或者從元器件盒中拿出一個(gè)器件，除非能夠正確辨認(rèn)出上面的型號(hào)，找到對應(yīng)數(shù)據(jù)手冊文檔，否則就需要手工確認(rèn)它就是是那種類型的三極管、場效應(yīng)管、晶閘管、二極管、電容、電感等。

當(dāng)然可以借助手邊的萬用表進(jìn)行初步判斷，但這費(fèi)事、費(fèi)力，而且不容易測量準(zhǔn)確。

▲ 不同種類的半導(dǎo)體元器件

近期從網(wǎng)絡(luò)上購買了一款GM328A V1.2電子器件測量模塊。功能還挺齊全，除了可以對常用到的電阻、電容、電感測量，而且可以快速判斷常見到的半導(dǎo)體器件的型號(hào)和部分參數(shù)。

本以為實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，模塊上需要集成很多復(fù)雜電路來完成。但觀察這個(gè)模塊，除了必要的接口、LCD之外，核心的就是一片ATMEGA328單片機(jī)。因此驚訝于它的功能實(shí)現(xiàn)上的簡潔明了。

▲ GM328A 模塊的正面和反面

在網(wǎng)絡(luò)上通過GM328A關(guān)鍵詞搜索，可以看到這是一個(gè)開源的電子項(xiàng)目。在AVR-Transistortester中給出了有von Markus Frejek這款設(shè)計(jì)最初雛形(2009)。后經(jīng)很多電子愛好者進(jìn)行更新。Karl-Heinz在2015年通過TransistorTester with AVR microcontroller and a little more對總結(jié)了他的軟件開發(fā)工作。特別是對這款基于ATMEGA單片機(jī)如何實(shí)現(xiàn)三極管等電子器件測量的原理進(jìn)行的詳細(xì)的討論。不僅滿足了我們的好奇心，其中所使用的一些基本測量 原理也對測量電子元器件提供了參考方案。

下面將其中主要測試原理進(jìn)行介紹，詳細(xì)方案和資料可以參見網(wǎng)絡(luò)原文。

02模塊原理圖

1.原理圖

下面是測量模塊和核心電路原理圖，市面上銷售的不同廠家模塊會(huì)在此基礎(chǔ)和有所增加和修改。

▲ 電路原理圖

電路下面關(guān)于電源控制部分比較經(jīng)典。通過晶體管T1，T2，T3完成電路的自動(dòng)關(guān)機(jī)，關(guān)機(jī)后的靜態(tài)功耗只有20nA（也就是T1的漏電流乘以T3的電流增益）。

電路圖右上方給出了用于元器件測試端子TP1, TP2, TP3的連接關(guān)系。每一個(gè)端口實(shí)際上與三個(gè)ATMEGA單片機(jī)管腳相連。

2.測試端口

對于ATMEGA單片機(jī)IO口，實(shí)際上對于現(xiàn)在大部分的單片機(jī)都類似，可以通過軟件配置將IO口配置成輸入、輸出、特殊功能等多種形式。下圖顯示了ATMEGA單片機(jī)典型IO口的等效電路形式。

▲ ATMEGA單片機(jī)IO口等效電路

使用端口控制寄存器中的PUD、PORT、DD等控制位，可以設(shè)置端口是否為輸出，是否接地，接VCC、上拉電阻是否接入等。端口的輸入功能（PIN）和ADC轉(zhuǎn)換（只有C端口）不受端口控制位的影響。

由于內(nèi)部是通過MOS管完成對GND，VCC的連接，所以圖中的19歐姆、22歐姆對應(yīng)MOS管的導(dǎo)通內(nèi)阻，是一個(gè)約數(shù)。

下圖顯示了三個(gè)測試端口（以TP2為例）對應(yīng)的單片機(jī)的等效電路。除了對應(yīng)單片機(jī)的端口不同，電路形式和參數(shù)都是一樣的。

▲ 測試端口等效電路

通過這個(gè)電路可以完成對測量端口狀態(tài)（懸空、接GND、接VCC）的轉(zhuǎn)換，同時(shí)接入GND， VCC有三種不同的阻值（直接接入，680Ω，470kΩ），PC端口可以完成對測量點(diǎn)的電壓測量。

如果是測量普通的三極管，可以通過配置三個(gè)測試端口不同的狀態(tài)，搭建三極管的共射、共基、共集等形式的放大電路，從而可以測量三極管的電流放大倍數(shù)、基極導(dǎo)通電壓等參數(shù)。

03元器件測量

1.測量三極管

下面給出了分別測量NPN型三極管、PNP型三極管、N-JFET場效應(yīng)管的等效電路圖。通過測量晶體管三個(gè)電極的不同電位，再根據(jù)連入的電阻(680,470k)可以分別測量出三極管的基極、集電極、發(fā)射極的電流。由此，可以獲得三極管電流放大倍數(shù)參數(shù)，JFET導(dǎo)通電壓等參數(shù)。

在原文中還給出了如何將三極管與晶閘管(Thyristor)、雙向?qū)ňчl管(TRIAC)如何進(jìn)行區(qū)分的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

▲ 測量NPN型三極管電流放大倍數(shù)電路

▲ 測量PNP型三極管電路

▲ 測量N-JFET三極管電路

由于三極管種類型號(hào)眾多，通過ATMEGA單片機(jī)軟件，按照一定流程分別對三個(gè)測試點(diǎn)的模式進(jìn)行切換，逐步來確定待測三極管的正確種類、正確的管腳順序。然后在按照所組成的電路完成性能的測量。

下圖給出了軟件判斷的簡化流程圖。

▲ 測量判斷流程

2.測量二極管

在前面的判斷流程圖中，可以分別出連接器件為單向?qū)ǖ膬啥似骷?。這可以通過判斷該器件與680Ω和470k歐姆串聯(lián)后，正反方向電流的變化來確認(rèn)。

電路可以測量出二極管的正向?qū)妷?，反向漏電流以及反向結(jié)電容的大小。

測量反向階電容所使用的方法和后面測量電容的方法相同。

3.測量電阻

對于低阻電阻（小于20kΩ），使用680Ω已知電阻與待測電阻進(jìn)行串聯(lián)，通過測量分壓比可以獲得待測電阻的阻值。同樣，對于高阻電阻（大于20kΩ），則使用470kΩ進(jìn)行串聯(lián)分壓。

下面給出了測量的端口配置電路圖。

▲ 測量電阻形式1

4.測量電容和電感

測量電容是通過對電容進(jìn)行充放電來實(shí)現(xiàn)的。對于大容量電容，則采用固定充電時(shí)間，檢測充電電壓來計(jì)算。對于小容量電容，則通過測量電容充放電時(shí)間來完成測量。

▲ 測量電容進(jìn)行充放電

▲ 對電容進(jìn)行充放電的波形

▲ 通過比較器來測量低容量電容

▲ 對于22uF電容進(jìn)行充電和放電

對于小容量電容，還可以通過比較充電過沖電壓來測量電容等效串聯(lián)電阻，進(jìn)而可以計(jì)算出電容的品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)。

對于電感的測量則是通過測量電感上電壓上升時(shí)間來完成。下圖給出了利用內(nèi)部的比較器來測量電壓變化時(shí)間的配置框圖。

▲ 利用比較器來測量電感

04其它情況

通過上面的簡單介紹，可以看出這款基于ATMEGA的IO端口特性所設(shè)計(jì)的測量電路具有很大的靈活性。這個(gè)開源的項(xiàng)目，經(jīng)由不同的愛好者的加入，它的功能逐步也豐富起來。

除了測量普通的器件，利用單片機(jī)多余的端口，還開發(fā)出測量電壓信號(hào)，測量頻率值，產(chǎn)生PWM脈沖，產(chǎn)生單個(gè)脈沖，模塊進(jìn)行自檢等輔助功能。

通過閱覽Karl-Heinz總結(jié)的文獻(xiàn)，不僅讓我們看到他的精巧電路設(shè)計(jì)思路，同時(shí)也有他們進(jìn)行測試的數(shù)據(jù)分析，領(lǐng)略了這種硬件和軟件相結(jié)合后所產(chǎn)生的無窮的魅力。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：元器件測試儀的設(shè)計(jì)原理

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