電子小幫手電路中的設計原理

01電子小幫手

很

多電子愛好者，初學者在碰到一個半導體器件的時候，需要確認它的型號、功能以及管腳定義，才能夠正確使用它。但當你從一塊印刷電路板上拆下一個器件，或者從元器件盒中拿出一個器件，除非能夠正確辨認出上面的型號，找到對應數據手冊文檔，否則就需要手工確認它就是是那種類型的三極管、場效應管、晶閘管、二極管、電容、電感等。

當然可以借助手邊的萬用表進行初步判斷，但這費事、費力，而且不容易測量準確。

近期從網絡上 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體器件的型號和部分參數。

本以為實現這個功能，模塊上需要集成很多復雜電路來完成。但觀察這個模塊，除了必要的接口、LCD之外，核心的就是一片ATMEGA328單片機。因此驚訝于它的功能實現上的簡潔明了。

在網絡上通過GM328A關鍵詞搜索，可以看到這是一個開源的電子項目。在 AVR-Transistortester 中給出了有von Markus Frejek這款設計最初雛形(2009)。后經很多電子愛好者進行更新。Karl-Heinz在2015年通過 TransistorTester with AVR microcontroller and a little more 對總結了他的軟件開發工作。特別是對這款基于ATMEGA單片機如何實現三極管等電子器件測量的原理進行的詳細的討論。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行介紹，詳細方案和資料可以參見網絡原文。

02模塊原理圖

1.原理總圖

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在此基礎和有所增加和修改。

電路下面關于電源控制部分比較經典。通過晶體管T1，T2，T3完成電路的自動關機，關機后的靜態功耗只有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的連接關系。每一個端口實際上與三個ATMEGA單片機管腳相連。

2.測試端口

對于ATMEGA單片機IO口，實際上對于現在大部分的單片機都類似，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單片機典型IO口的等效電路形式。

使用端口控制寄存器中的PUD、PORT、DD等控制位，可以設置端口是否為輸出，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轉換（只有C端口）不受端口控制位的影響。

由于內部是通過MOS管完成對GND，VCC的連接，所以圖中的19歐姆、22歐姆對應MOS管的導通內阻，是一個約數。

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

通過這個電路可以完成對測量端口狀態（懸空、接GND、接VCC）的轉換，同時接入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的電壓測量。

如果是測量普通的三極管，可以通過配置三個測試端口不同的狀態，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、基極導通電壓等參數。

03元器件測量

1.測量三極管

下面給出了分別測量NPN型三級管、PNP型三極管、N-JFET場效應管的等效電路圖。通過測量晶體管三個電極的不同點位，再根據連入的電阻(680,470k)可以分別測量出三極管的基極、集電極、發射極的電流。由此，可以獲得三極管電流放大倍數參數，JFET導通電壓等參數。

在原文中還給出了如何將三極管與晶閘管(Thyristor)、雙向導通晶閘管(TRIAC)如何進行區分的判斷標準。

由于三極管種類型號眾多，通過ATMEGA單片機軟件，按照一定流程分別對三個測試點的模式進行切換，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。

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導通的兩端器件。這可以通過判斷該器件與680Ω和470k歐姆串聯后，正反方向電流的變化來確認。

電路可以測量出二極管的正向導通電壓，反向漏電流以及反向結電容的大小。

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行串聯，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進行串聯分壓。

下面給出了測量的端口配置電路圖。

4.測量電容和電感

測量電容是通過對電容進行充放電來實現的。對于大容量電容，則采用固定充電時間，檢測充電電壓來計算。對于小容量電容，則通過測量電容充放電時間來完成測量。

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電阻，進而可以計算出電容的品質因數等參數。

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

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端口特性所設計的測量電路具有很大的靈活性。這個開源的項目，經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，利用單片機多余的端口，還開發出測量電壓信號，測量頻率值，產生PWM脈沖，產生單個脈沖，模塊進行自檢等輔助功能。

通過閱Karl-Heinz總結的文獻，不僅讓我們看到他們精巧的設計思路，同時也有他們進行測試的數據分析，領略了這種硬件和軟件相結合后所產生的無窮的魅力。

■ 相關文獻鏈接:

購買了一款GM328A V1.2

AVR-Transistortester

TransistorTester with AVR microcontroller and a little more

● 相關圖表鏈接:

不同種類的半導體元器件

GM328A 模塊的正面和反面

電路原理圖

ATMEGA單片機IO口等效電路

測試端口等效電路

測量NPN型三極管電流放大倍數電路

測量PNP型三極管電路

測量N-JFET三極管電路

測量判斷流程

測量電阻形式1

測量電容進行充放電

對電容進行充放電的波形

通過比較器來測量低容量電容

對于22uF電容進行充電和放電

利用比較器來測量電感

單片機 硬件開發

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