實用穩壓管測試儀的設計與實現

0 引言

隨著社會信息化程度的加強，測定范圍不斷擴大，測定精度高，數據必須進行及時處理等。這一切皆是為了發展社會的需要，國內從事電子方面的人才和工廠制造的設備在基礎上改頭換面，追求更完美的測量水準，國產測量電子設備，計算機為基本的功能正在增加。現代關于電子方面的儀器正以一種驚人的速度向前發展。在測量電子參數的設備上需求越來越大，企業通過調研社會發現，急需改進，進一步提高現有設備和產品的技術含金量，并設計出了適應社會發展需要的測試電子儀器的設備。電子設備的開發和創新，將推動電子設備行業的良好發展。

到目前為止，市面上小巧實用的穩壓管測試儀并不多，大都體積龐大笨重且一般都為商用級產品，如杭州精源電子儀器有限公司生產的PDW-5型穩壓管篩選臺，深圳鵬豐聯實業有限公司生產的HPS2543A元件參數測試儀等，它們價格昂貴且攜帶麻煩。如果只是為了平時學習和研究，根本就不可能購買這樣的設備，因此如果能夠自制一個簡易實用的穩壓管測試儀就可以很好地解決這個問題。

隨著物質產品和生產技術的不斷提高，特別是各種電子產品的出現和使用，人們的物質生活得到不斷的豐富，在各種電子產品普遍使用的同時，伴隨著一系列問題。如穩壓二極管，在電子產品中有著廣泛的應用，如用于彩電中的穩壓電路和保護電路。然而近年來隨著大量國外電子產品和元器件的引入，很多穩壓二極管參數難于查找，這就給維修和使用帶來了一定的不便。另外，在電子產品的自制和維修時，有時對穩壓二極管的參數有嚴格的要求（如用于電視保護電路中的穩壓二極管），這就需對新購或有懷疑的穩壓二極管進行檢測和挑選，因此自制一個簡易的穩壓管測試儀就很有必要。基于此種想法，本設計制作了一款實用的穩壓管測試儀，這樣就可以避免因穩壓管選型不當而帶來的問題。

1 測試儀的設計目標

1.1 研究內容

本設計目標是一個穩壓管參數測試儀，對穩壓管的電流、電壓能快速準確地顯示。本設計整體主要由電源模塊，PWM波控制電路，穩壓管電壓電流檢測電路，AD轉換模塊，數碼顯示，按鍵及報警等模塊組成，其總體的流程圖如圖1所示。

圖1 設計原理框圖

1.2 各模塊需實現的功能

電源電路模塊：主要負責給各個電路和芯片進行供電；PWM波控制模塊：主要負責對流過待測穩壓管的電流進行控制；穩壓管電壓電流檢測電路模塊：主要負責檢測穩壓管流過電流和穩壓管兩端電壓的準確性；AD轉換模塊：主要是在主控芯片的控制下對流過穩壓管的電流和穩壓管兩端的電壓進行采樣，然后對采樣到的信號進行模數轉換；LCD液晶顯示模塊：主要負責顯示出所測量出的數值；按鍵以及蜂鳴器等模塊：按鍵主要負責控制電流，對電流實現可以人工控制，蜂鳴器會在功率超出可以控制范圍時發出警報。

本設計所制作的穩壓管參數測試儀可實現對不同種類穩壓管的電壓電流參數的測試，從而可對所選或被測穩壓管的特性有更直觀和具體的了解。

2 技術問題分析及處理

2.1 供電問題

本穩壓管測試儀對待測穩壓管的參數要求指標如下：

①能夠測試穩壓值在0~50V之間的穩壓管；

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計供電。由性能指標可得，待測穩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，電路設計盡量簡單的情況下，解決這一問題，采用以下方案來解決。

本設計考慮使用220V市電，利用市電必須經變壓器進行降壓。首先利用220V~25V的變壓器進行降壓，所得25V交流電經整流變成25V直流電。再將所得的25V直流電分兩路，一路送到LM7805三端穩壓器，LM7805在輸入電壓不超過其容許值時可保證輸出電壓為穩定的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 電流線性調節問題

該測試儀的設計要求是能夠實時檢測并顯示待測穩壓管的電流和電壓值。根據穩壓管特性曲線可知，當穩壓管反向擊穿后電流變化范圍很小。

而重點就在于如何實現電壓線性可調，可以外加一個可調的電壓源，但這里不采用這種辦法，而通過如下的方案實現。

利用單片機軟件編程可以實現輸出占空比可調的PWM波，間接調節穩壓管的電流。產生PWM方波再經過濾波后，電壓有效值隨著占空比的變化而變化，這樣就實現了線性可調的電壓源，再經運算放大電路后，輸出的電壓送往穩壓管，就實現了利用單片機輸出線性可調的電壓，線性調節流過穩壓管的電壓和電流。

2.3 電流電壓檢測問題

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

要解決這個問題，可以先把要采樣的電壓信號用差分放大器進行分壓處理后再采樣，差分放大器的倍數為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際值。對于穩壓管電流的檢測，可以給穩壓管串接一個確定值的電阻，檢測電阻兩端的電壓，當然這個電壓的范圍也應在0～5V之內，在程序中將這個采樣的電壓值除以電阻的阻值就可得到穩壓管的電流值。

2.4 管子保護問題

測試穩壓管參數的前提是不損壞被測的管子，否則測試就沒有意義了，因此如何保護被測的管子是必須要考慮的。要保護被測的管子，可以在程序中加入功率保護功能。在每次AD采樣后，將程序中推算所得的管子實際電壓電流相乘，得到管子實際功率，將實際功率與預設的功率保護值進行比較，一旦發現實際值達到預設值時就啟動保護功能，鎖定按鍵、蜂鳴報警，提醒人員復位保護。

3 設計方案

本設計采用閉環控制，數模轉換，液晶顯示等，實現了電流及電壓顯示，實現了對穩壓管的測試，且其體積小，可操作性強。系統整體主要由電源模塊，PWM波控制電路，穩壓管電壓電流檢測電路，AD轉換以及數據采集模塊，LCD液晶顯示，檢測按鍵及蜂鳴器等模塊組成，其總體的結構框圖如圖2所示。

圖2 總體結構框圖

首先220V交流電經過變壓器降壓到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，同時從雙半波整流器中引出25V直流電經7805三端穩壓器輸出5V直流電給控制芯片供電。默認的穩壓管的測試功率范圍為0.25W，液晶顯示為0.25W。根據穩壓管的測試要求可由按鍵模塊進行測量量程選擇即功率范圍的選擇，而且本設計還有一特點就是，在控制器中通過軟件編程實現對檢測的電壓電流進行轉換，算出其此時的功率，并將其和所選擇的功率量程進行比較。如要超過本量程時會有蜂鳴器產生報警。PWM波的占空比就變化一點，進而使得穩壓管的電流跟著變化，由于CPU控制AD轉換器，每當轉換器接收到信息時會對流過穩壓管的電壓及電流進行采樣，此時CPU控制AD轉換器，轉換器開始進行模數轉換，轉換后送轉換結束信號，控制電路接收到這一信號，讀入轉換結果，控制器將最后數據結果送入顯示模塊進行顯示。如果有外部控制如按鍵對控制器的控制，想要改變電流。

系統上電后，LCD、單片機初始化完成。如果需要改變功率設定值，在接收到相應按鍵輸入后執行對應的程序代碼，完成新值的設定。然后等待測試開始按鍵的輸入。

測試按鍵按下后，單片機開始輸出可變占空比PWM波的程序段，按鍵每次按下單片機輸出的PWM波的占空比就變化一點，進而使得穩壓管的電流跟著變化，每次變化后，AD轉換芯片此時的采樣作用就得到體現，會對流過穩壓管的電流及其電壓進行收集采樣，并進行模數轉換，根據AD轉換后得到的數字量編程推算出電壓電流的實際值，并計算功率值然后顯示在LCD上。這樣就可以直觀地得到所測穩壓管在電流由小變大的整個過程中，管子的穩壓情況。當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際功率與設定值進行比較，當實際值沒有達到設定值時繼續進行檢測，一旦達到設定值，管子就進入保護狀態，發出蜂鳴報警，并將按鍵鎖死。

4 系統仿真

將Keil軟件生成的.hex文件雙擊加載到單片機內，并在Proteus軟件里進行仿真，會在示波器和液晶屏上分別看到PWM波和顯示的數據值，如圖3所示，其中I是流過穩壓管的電流值可以通過軟件調節，V則是穩壓管的穩壓值，P是功率值，S是設定的功率值。打開示波器可以看到此時的PWM波。

圖3 仿真結果

本設計三個按鍵，按鍵K1是調節電流大小，K2是設置功率范圍超出范圍就會報警，調節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為復位按鍵，將所有數值設為初始化數值。

圖4為系統電源部分仿真圖。圖5為控制電路仿真原理圖。

圖4 電源轉換電路仿真圖

圖5 控制電路仿真圖

5 結論

本課題詳細介紹了一種穩壓管測試儀的基本設計框架和原理，分析了測試儀的主要模塊的功能需求。對現實中主要存在的問題進行分析并且解決。給出了測試儀完整設計方案，把設計的相應電路通過Proteus軟件以及Kei1軟件相結合起來，經過仿真實驗證明，基本能實現對穩壓管的參數檢測，達到了原本設計需求。