实用稳压管测试仪的设计与实现

0 引言

随着社会信息化程度的加强，测定范围不断扩大，测定精度高，数据必须进行及时处理等。这一切皆是为了发展社会的需要，国内从事电子方面的人才和工厂制造的设备在基础上改头换面，追求更完美的测量水准，国产测量电子设备，计算机为基本的功能正在增加。现代关于电子方面的仪器正以一种惊人的速度向前发展。在测量电子参数的设备上需求越来越大，企业通过调研社会发现，急需改进，进一步提高现有设备和产品的技术含金量，并设计出了适应社会发展需要的测试电子仪器的设备。电子设备的开发和创新，将推动电子设备行业的良好发展。

到目前为止，市面上小巧实用的稳压管测试仪并不多，大都体积庞大笨重且一般都为商用级产品，如杭州精源电子仪器有限公司生产的PDW-5型稳压管筛选台，深圳鹏丰联实业有限公司生产的HPS2543A元件参数测试仪等，它们价格昂贵且携带麻烦。如果只是为了平时学习和研究，根本就不可能购买这样的设备，因此如果能够自制一个简易实用的稳压管测试仪就可以很好地解决这个问题。

随着物质产品和生产技术的不断提高，特别是各种电子产品的出现和使用，人们的物质生活得到不断的丰富，在各种电子产品普遍使用的同时，伴随着一系列问题。如稳压二极管，在电子产品中有着广泛的应用，如用于彩电中的稳压电路和保护电路。然而近年来随着大量国外电子产品和元器件的引入，很多稳压二极管参数难于查找，这就给维修和使用带来了一定的不便。另外，在电子产品的自制和维修时，有时对稳压二极管的参数有严格的要求（如用于电视保护电路中的稳压二极管），这就需对新购或有怀疑的稳压二极管进行检测和挑选，因此自制一个简易的稳压管测试仪就很有必要。基于此种想法，本设计制作了一款实用的稳压管测试仪，这样就可以避免因稳压管选型不当而带来的问题。

1 测试仪的设计目标

1.1 研究内容

本设计目标是一个稳压管参数测试仪，对稳压管的电流、电压能快速准确地显示。本设计整体主要由电源模块，PWM波控制电路，稳压管电压电流检测电路，AD转换模块，数码显示，按键及报警等模块组成，其总体的流程图如图1所示。

图1 设计原理框图

1.2 各模块需实现的功能

电源电路模块：主要负责给各个电路和芯片进行供电；PWM波控制模块：主要负责对流过待测稳压管的电流进行控制；稳压管电压电流检测电路模块：主要负责检测稳压管流过电流和稳压管两端电压的准确性；AD转换模块：主要是在主控芯片的控制下对流过稳压管的电流和稳压管两端的电压进行采样，然后对采样到的信号进行模数转换；LCD液晶显示模块：主要负责显示出所测量出的数值；按键以及蜂鸣器等模块：按键主要负责控制电流，对电流实现可以人工控制，蜂鸣器会在功率超出可以控制范围时发出警报。

本设计所制作的稳压管参数测试仪可实现对不同种类稳压管的电压电流参数的测试，从而可对所选或被测稳压管的特性有更直观和具体的了解。

2 技术问题分析及处理

2.1 供电问题

本稳压管测试仪对待测稳压管的参数要求指标如下：

①能够测试稳压值在0~50V之间的稳压管；

②电流测试范围为0-50mV，使得功率不超过0.25W。

如图1所示，电源电路模块为本设计供电。由性能指标可得，待测稳压管所在控制电路的供电电路母线电压不能低于50V，而电路中所有控制芯片的供电电压要求为5V，如何在供电电源尽量少，电路设计尽量简单的情况下，解决这一问题，采用以下方案来解决。

本设计考虑使用220V市电，利用市电必须经变压器进行降压。首先利用220V~25V的变压器进行降压，所得25V交流电经整流变成25V直流电。再将所得的25V直流电分两路，一路送到LM7805三端稳压器，LM7805在输入电压不超过其容许值时可保证输出电压为稳定的5V，得到的5V电送给电路中的控制电路部分供电；另一路经倍压整流电路，使得整流后输出50V的直流电，将这50V直流电送给待测稳压管所在的主控电路。如此就解决了电路的供电问题。

2.2 电流线性调节问题

该测试仪的设计要求是能够实时检测并显示待测稳压管的电流和电压值。根据稳压管特性曲线可知，当稳压管反向击穿后电流变化范围很小。

而重点就在于如何实现电压线性可调，可以外加一个可调的电压源，但这里不采用这种办法，而通过如下的方案实现。

利用单片机软件编程可以实现输出占空比可调的PWM波，间接调节稳压管的电流。产生PWM方波再经过滤波后，电压有效值随着占空比的变化而变化，这样就实现了线性可调的电压源，再经运算放大电路后，输出的电压送往稳压管，就实现了利用单片机输出线性可调的电压，线性调节流过稳压管的电压和电流。

2.3 电流电压检测问题

电路要实现对稳压管电压电流进行检测，检测的结果通过数码显示出来，要显示电路中的模拟量就必须先进行模数转换，将转换得到的数字量进行显示。这其中就会存在一些问题：电路中采样的模拟量范围与AD转换器要求的模拟量输入范围不一致。AD转换器输入的模拟量为电压信号，因此不可能直接采样稳压管的电流信号。

要解决这个问题，可以先把要采样的电压信号用差分放大器进行分压处理后再采样，差分放大器的倍数为0.1倍，也就是缩小10倍，然后在程序中通过推算得到电路中电压的实际值。对于稳压管电流的检测，可以给稳压管串接一个确定值的电阻，检测电阻两端的电压，当然这个电压的范围也应在0～5V之内，在程序中将这个采样的电压值除以电阻的阻值就可得到稳压管的电流值。

2.4 管子保护问题

测试稳压管参数的前提是不损坏被测的管子，否则测试就没有意义了，因此如何保护被测的管子是必须要考虑的。要保护被测的管子，可以在程序中加入功率保护功能。在每次AD采样后，将程序中推算所得的管子实际电压电流相乘，得到管子实际功率，将实际功率与预设的功率保护值进行比较，一旦发现实际值达到预设值时就启动保护功能，锁定按键、蜂鸣报警，提醒人员复位保护。

3 设计方案

本设计采用闭环控制，数模转换，液晶显示等，实现了电流及电压显示，实现了对稳压管的测试，且其体积小，可操作性强。系统整体主要由电源模块，PWM波控制电路，稳压管电压电流检测电路，AD转换以及数据采集模块，LCD液晶显示，检测按键及蜂鸣器等模块组成，其总体的结构框图如图2所示。

图2 总体结构框图

首先220V交流电经过变压器降压到25V后，接双半波整流电路，倍压变换后输出的50V直流电给主电路供电，同时从双半波整流器中引出25V直流电经7805三端稳压器输出5V直流电给控制芯片供电。默认的稳压管的测试功率范围为0.25W，液晶显示为0.25W。根据稳压管的测试要求可由按键模块进行测量量程选择即功率范围的选择，而且本设计还有一特点就是，在控制器中通过软件编程实现对检测的电压电流进行转换，算出其此时的功率，并将其和所选择的功率量程进行比较。如要超过本量程时会有蜂鸣器产生报警。PWM波的占空比就变化一点，进而使得稳压管的电流跟着变化，由于CPU控制AD转换器，每当转换器接收到信息时会对流过稳压管的电压及电流进行采样，此时CPU控制AD转换器，转换器开始进行模数转换，转换后送转换结束信号，控制电路接收到这一信号，读入转换结果，控制器将最后数据结果送入显示模块进行显示。如果有外部控制如按键对控制器的控制，想要改变电流。

系统上电后，LCD、单片机初始化完成。如果需要改变功率设定值，在接收到相应按键输入后执行对应的程序代码，完成新值的设定。然后等待测试开始按键的输入。

测试按键按下后，单片机开始输出可变占空比PWM波的程序段，按键每次按下单片机输出的PWM波的占空比就变化一点，进而使得稳压管的电流跟着变化，每次变化后，AD转换芯片此时的采样作用就得到体现，会对流过稳压管的电流及其电压进行收集采样，并进行模数转换，根据AD转换后得到的数字量编程推算出电压电流的实际值，并计算功率值然后显示在LCD上。这样就可以直观地得到所测稳压管在电流由小变大的整个过程中，管子的稳压情况。当然管子的电流不会一直增大下去，在每次采样后程序都会将推算得到的管子的实际功率与设定值进行比较，当实际值没有达到设定值时继续进行检测，一旦达到设定值，管子就进入保护状态，发出蜂鸣报警，并将按键锁死。

4 系统仿真

将Keil软件生成的.hex文件双击加载到单片机内，并在Proteus软件里进行仿真，会在示波器和液晶屏上分别看到PWM波和显示的数据值，如图3所示，其中I是流过稳压管的电流值可以通过软件调节，V则是稳压管的稳压值，P是功率值，S是设定的功率值。打开示波器可以看到此时的PWM波。

图3 仿真结果

本设计三个按键，按键K1是调节电流大小，K2是设置功率范围超出范围就会报警，调节K1可以改变PWM输出，在示波器上可以看到波形占空比的改变。按键K3为复位按键，将所有数值设为初始化数值。

图4为系统电源部分仿真图。图5为控制电路仿真原理图。

图4 电源转换电路仿真图

图5 控制电路仿真图

5 结论

本课题详细介绍了一种稳压管测试仪的基本设计框架和原理，分析了测试仪的主要模块的功能需求。对现实中主要存在的问题进行分析并且解决。给出了测试仪完整设计方案，把设计的相应电路通过Proteus软件以及Kei1软件相结合起来，经过仿真实验证明，基本能实现对稳压管的参数检测，达到了原本设计需求。