王延, 李 陽(yáng), 馬德才, 林少鵬, 王 彪

(中法核工程與技術(shù)學(xué)院 中山大學(xué), 廣東 珠海 519082)

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快速高精度電子元件溫度特性測(cè)量?jī)x的研制

(中法核工程與技術(shù)學(xué)院 中山大學(xué), 廣東 珠海 519082)

大多數(shù)電子元器件的性能受到工作溫度的影響，其溫度特性對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性和精確度的影響不容忽視;以半導(dǎo)體致冷器(TEC)為核心，ATMega128A單片機(jī)為控制芯片，采用PT100、高精度恒流源和AD7731數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)組成溫度測(cè)量模塊，運(yùn)用改進(jìn)的PID控制算法，以脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的H橋精確控制加熱和制冷功率，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的變溫腔體，制作了快速、高精度電子元件溫度特性測(cè)量?jī)x；在-10～80 ℃之間快速、穩(wěn)定控制待測(cè)元件的溫度，控溫精度達(dá)到±0.2 ℃；通過(guò)計(jì)算機(jī)控制數(shù)字萬(wàn)用表等測(cè)量設(shè)備，測(cè)量了電阻、電容和電感的溫度特性曲線；該測(cè)量?jī)x還可以用于IC、三極管和LED等元器件的溫度特性曲線研究；在實(shí)驗(yàn)研究、工業(yè)生產(chǎn)和電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中均具備很高的實(shí)用價(jià)值。

半導(dǎo)體致冷器；單片機(jī)；溫度特性曲線

0 引言

溫度作為重要的環(huán)境參數(shù)，直接影響電子元器件的工作性能，55%的電子設(shè)備失效是由于溫度過(guò)高引起[1]，因此溫升的控制以及電子元器件的溫度漂移研究對(duì)于系統(tǒng)的可靠性十分關(guān)鍵[2]。對(duì)于半導(dǎo)體元件，溫升將使晶體管的最大允許功耗下降，結(jié)溫升高，會(huì)使P-N結(jié)擊穿損壞[3]。溫度的改變能夠?qū)е码姼械碾姼辛亢推焚|(zhì)因子變化；導(dǎo)致電容的容量和介質(zhì)損耗角等參數(shù)變化；也能夠?qū)е码娮枳柚灯x標(biāo)稱值[4]。這些改變經(jīng)常導(dǎo)致電路及設(shè)備的整體參數(shù)和性能發(fā)生重大改變，必須在設(shè)計(jì)階段給予充分的考慮。在使用元件之前，也需要快速準(zhǔn)確地了解元件的溫度特性，才能有效提高設(shè)備的可靠性。因此，一套能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)量如電感、電容和電阻等元件的溫度特性的設(shè)備，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究都顯得非常重要。同時(shí)，如果能夠解決設(shè)備的便攜性，在課堂教學(xué)中也將大大提升學(xué)生對(duì)于元件溫度特性的理解和學(xué)習(xí)效果。

通常電子元器件的工作溫度在-10～80 ℃之間。在室溫以下，制冷方式主要采用壓縮式制冷、液氮制冷和半導(dǎo)體制冷等。壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器及連接管道組成一個(gè)密封系統(tǒng)[5]。它可以達(dá)到較高的卡諾效率，然而也存在換熱系數(shù)不穩(wěn)定、冷媒損耗以及占用體積大等問(wèn)題，不可避免地制約了其在小型化及高穩(wěn)定性條件下的應(yīng)用[6]。

半導(dǎo)體致冷器的基本單元是PN結(jié)，當(dāng)通以直流電時(shí)，電子在兩種能量等級(jí)不同的材料中的遷移帶來(lái)接觸面上的吸熱和放熱現(xiàn)象[7]。半導(dǎo)體致冷器具備體積小、可靠性高、速度快、不需要制冷劑、散熱方便快速、兼?zhèn)渲评浜图訜峁δ艿葍?yōu)點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)采用半導(dǎo)體致冷器為核心元件，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的H橋?qū)崿F(xiàn)冷、熱雙向控制和無(wú)縫過(guò)渡，通過(guò)改進(jìn)的PID算法和PWM方式控制精確控制加熱功率，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器測(cè)量并獲取元件的參數(shù)，從而快速、準(zhǔn)確地獲得電子元件的溫度特性曲線。

1 系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)ATMega128A為核心，可以完成溫度信號(hào)的設(shè)定、控制、采集和顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由單片機(jī)控制模塊、溫度采集模塊、半導(dǎo)體致冷器TEC驅(qū)動(dòng)模塊，鍵盤和液晶顯示模塊組成。

圖1 系統(tǒng)控制原理框圖

1.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊選擇熱敏電阻PT100作為溫度傳感器，采用AD780基準(zhǔn)源、斬波運(yùn)放TLC2652和高精度電阻組成高精度恒流源為PT100提供偏置電流，采用四線法，將PT100兩端電壓信號(hào)輸入到高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7731，通過(guò)差分方法轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)I2C接口傳輸給單片機(jī)并顯示在LCD顯示屏上。

1.3 用戶接口模塊

用戶可以通過(guò)4X4鍵盤設(shè)定目標(biāo)溫度和相關(guān)控制參數(shù)，并顯示在LCD顯示屏上。也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)端的Labview程序向控制系統(tǒng)發(fā)送目標(biāo)溫度和控制參數(shù)。

1.4 功率控制模塊

功率控制模塊采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的H橋電路，兩路獨(dú)立的PWM頻率根據(jù)所需控制精度(12位～16位)可以設(shè)定在500 Hz到169 Hz之間，同時(shí)確保充分的安全延遲，實(shí)現(xiàn)加熱和制冷的安全、快速切換?？刂扑惴ㄉ弦哺鶕?jù)制冷片的物理特性限制了加熱和制冷的速率和功率，以確保制冷片的安全和壽命。

1.5 變溫腔體的設(shè)計(jì)

變溫腔體的設(shè)計(jì)如圖2所示，采用最為便捷的風(fēng)冷方式為制冷片散熱，具備體積小、便攜等優(yōu)點(diǎn)，必要時(shí)還可以方便地改為水冷方式。如圖2中“絕緣保溫層”所示，因?yàn)榍惑w的隔熱性能直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度，故采用了很小熱導(dǎo)率、絕緣、韌性和可塑性好、性能穩(wěn)定且工作溫度范圍比較寬的多孔塑料作為隔熱材料來(lái)密封腔體。

圖2 變溫腔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

用導(dǎo)熱性能很好的紫銅薄皮和導(dǎo)熱硅膠貼在制冷片的上表面，使得上表面的溫度分布更為均勻。為了防止待測(cè)元件與測(cè)試端短路，采用導(dǎo)熱絕緣薄層將銅片與待測(cè)元件隔開，同時(shí)將PT100植入到薄層中，使所測(cè)量溫度盡可能接近待測(cè)元件的溫度。為了實(shí)現(xiàn)保溫效果，在制冷片的邊緣加上一定面積的絕緣保溫層，同時(shí)，在里邊植入待測(cè)元件的接線柱，使待測(cè)元件可以方便快速地放置在腔體中并與測(cè)試儀器妥善連接。測(cè)試儀器與腔體之間通過(guò)“測(cè)試接口”的BNC連接。

1.6 測(cè)量方法

目標(biāo)元器件的溫度特性測(cè)量方法如圖3所示。用戶可以通過(guò)運(yùn)行于計(jì)算機(jī)端的Labview程序界面向溫度控制系統(tǒng)發(fā)送目標(biāo)溫度，當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)后，程序通過(guò)串口或usb口控制測(cè)量?jī)x器測(cè)量并讀取該溫度下的元件參數(shù)，保存并顯示在圖表文件中。通過(guò)合理設(shè)計(jì)可以方便實(shí)現(xiàn)多個(gè)溫度點(diǎn)連續(xù)控制和測(cè)量，從而快速獲取元件的溫度特性曲線。

圖3 元件溫度特性測(cè)量示意圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

主控程序采用模塊化設(shè)計(jì)，包括初始化模塊、鍵盤掃描模塊、溫度采集模塊、PID控制模塊、PWM調(diào)節(jié)模塊、串口通信模塊、和中斷服務(wù)程序等。

2.2 位置式PID控制程序設(shè)計(jì)

PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好及編程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，由于本系統(tǒng)的溫度控制穩(wěn)定性要求高，采用位置式PID算法可以有效地防止超調(diào)并且保證控溫的穩(wěn)定性和快速性。基于單片機(jī)控制的采樣原理，采用離散式PID算法控制規(guī)律：

這里u(n)為第n個(gè)采樣時(shí)刻控制器的輸出量，e(n)為第n個(gè)采樣值與目標(biāo)值的差值，Kp、KI、KD分別是PID控制器的比例、積分和微分因子。

為了避免積分飽和，我們采用遇限削弱積分算法。算法流程圖如圖4所示，當(dāng)控制器進(jìn)入飽和區(qū)以后，便不再進(jìn)行積分項(xiàng)的累加，而只執(zhí)行削弱積分的運(yùn)算。因此，在計(jì)算u(k)時(shí)，先判斷u(k-1)是否已經(jīng)超出限制值，若u(k-1)≥umax，則只累加負(fù)偏差；若u(k-1)≤umin，則只累加正偏差。

圖4 遇限削弱積分算法程序圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

測(cè)試環(huán)境溫度為28 ℃,首先將溫度設(shè)定至-10 ℃，再?gòu)?10 ℃升至80 ℃，同時(shí)測(cè)量電阻、電容和電感的溫度特性，實(shí)現(xiàn)溫度控制精度為±0.2 ℃。采用北京普源精電科技有限公司生產(chǎn)的RIGOL-DM3068測(cè)量電阻在不同溫度下的電阻值。采用上海雙旭電子有限公司推出的LCR數(shù)字電橋YB2811來(lái)測(cè)量瓷片電容、滌綸電容和色環(huán)電感器。由于YB2811沒(méi)有數(shù)字通信接口，該部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由人工記錄。

本實(shí)驗(yàn)分別選用了具有正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient，PTC)和負(fù)溫度系數(shù)(negative temperature coefficient，NTC)的電阻，一個(gè)是市面常見的標(biāo)稱值為1 kΩ，精度為±1%的金屬膜電阻(R1)，另一個(gè)是標(biāo)稱值為6.25 kΩ，精度為±0.01%，溫漂為10 ppm的高精度電阻(R2)。在實(shí)驗(yàn)室的元器件箱中隨機(jī)取樣標(biāo)稱值分別為10 pF的瓷片電容(C1)、8.2 nF的滌綸電容(C2)和10 μH的色環(huán)電感器(L1)。

圖5是電阻在溫度變化在-10～80 ℃之間的電阻溫度特性曲線，測(cè)量結(jié)果顯示：R1阻值從1 012.60 Ω降低至991.89 Ω，呈現(xiàn)NTC特性；R2阻值從6 245.47 Ω升高至6 246.92 Ω，呈現(xiàn)PTC特性。圖6是兩種電阻在相同變溫范圍內(nèi)的溫度漂移，熱電阻阻值計(jì)算公式如下[8]：

式中，為電阻溫度系數(shù)，單位為ppm/℃；R25為25 ℃時(shí)的電阻阻值；為電阻溫度與25的差值。測(cè)量結(jié)果顯示，R2在25下的阻值為6 246.09 Ω，溫度系數(shù)在1.77～5.91 ppm/℃(圖6)，優(yōu)于標(biāo)稱值，印證了該電阻的溫度穩(wěn)定性。R1在25 ℃下的阻值為1 004.61 Ω，電阻溫度系數(shù)在-232.01～204.62 ppm/℃之間(圖6)，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中對(duì)電路穩(wěn)定性的影響不容忽視。

圖5 電阻溫度特性曲線

圖6 電阻溫度漂移曲線

電容器的電容溫度特性反映的是電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε隨溫度變化的特性，電容的溫度系數(shù)計(jì)算公式如下[9]：

式中,αC為電容溫度系數(shù)，單位為ppm/℃；CT=25為25 ℃時(shí)的電容值，單位為F；ΔT為電阻溫度與25 ℃的差值。

圖7是C1和C2的電容值在溫度范圍-10～80 ℃內(nèi)的變化曲線，圖8對(duì)比了兩種電容在相同變溫范圍內(nèi)的溫度系數(shù)。C1采用NPO電介質(zhì)，溫度特性很好，不隨正負(fù)溫度變化而出現(xiàn)大的容值漂移，ΔC/CT=25最大誤差為5.25%，這里電容參考值為CT=25=10.57 pF。8.2 nF滌綸電容采用極性介質(zhì)，當(dāng)溫度較低時(shí)，由于較強(qiáng)的分子間相互作用力，偶極子無(wú)法隨外電場(chǎng)取向，僅有瞬間的電子位移極化，隨著溫度的升高，分子熱運(yùn)動(dòng)增加，分子間結(jié)合力減弱，偶極子沿電場(chǎng)取向，介電常數(shù)ε也隨之增大；高溫時(shí)，分子間結(jié)合力降低從而偶極子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能大大增加，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)又會(huì)對(duì)偶極子的取向起到抑制作用而使介電常數(shù)ε下降[10]。如圖7所示，其電容值隨著溫度的升高而升高，整體呈現(xiàn)正溫度特性。

圖7 電容溫度特性曲線

圖8 電容溫度漂移曲線

由于繞線金屬隨溫度的熱脹冷縮會(huì)造成線圈體積的變化，因而電感值也會(huì)隨著溫度改變。由圖9所示，對(duì)于L1，溫度在-10～80 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，以25 ℃時(shí)的測(cè)量電感值9.94 μH作為參考值，ΔL/LT=25的變化在0.01%～1.93%之間，品質(zhì)因數(shù)Q的變化在0.04～0.06之間，可見該電感溫度特性優(yōu)良。

圖9 電感溫度特性曲線

4 結(jié)論

采用半導(dǎo)體致冷器為核心元件，以ATMega128A單片機(jī)為控制核心，采用模塊化設(shè)計(jì)方法和改進(jìn)的PID控制算法，成功研制了快速、高精度的電子元器件溫度特性測(cè)量?jī)x，控溫

范圍為-10 ℃到80 ℃，精度達(dá)到±0.2 ℃。通過(guò)聯(lián)合計(jì)算機(jī)、數(shù)字萬(wàn)用表和LCR表等設(shè)備，測(cè)試了電阻、電容和電感的溫度特性。該測(cè)量?jī)x可以快速測(cè)量常用電子元件的標(biāo)稱值及其參數(shù)的溫度漂移特性，包括電阻、電容、電感、三極管、IC和LED等元件，在企業(yè)、高校電子實(shí)驗(yàn)室及電子實(shí)驗(yàn)課程中均有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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Development of a Fast and High-precision Measuring Instrument of Temperature Characteristics for Electronic Components

Wang Yanjun, Li Yang, Ma Decai, Lin Shaopeng, Wang Biao

(Sino French Institute of Nuclear Engineering and Technology, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, China)

As the performances of most electronic components are affected by their working temperatures, the temperature characteristics of electronic components are unnegligible. Based on the Thermoelectric Cooler (TEC) and ATMega128A microcontroller, a fast and high-precision measuring instrument of temperature characteristics for electronic components is designed and produced. The temperature sensor module is made up of PT100, high-accuracy constant current source and AD7731 analog to digital converter (ADC). The working power is precisely controlled by an optimized H bridge which is driven by width modulated pulses generated by Proportion Integration Differentiation (PID) algorithm. A chamber is also well-designed for temperature control and electrical measurements. The components under test can thus suffer temperatures from -10 ℃ to 80 ℃ fast with a precision of ±0.2 ℃。By cooperating with computer and measuring instruments such as Digital Multimeter (DDM) and Inductance, Capacitance and Resistance (LCR) meter, the temperature characteristics of LCR, IC, transistor and LED, etc, can be quickly obtained. This instrument has high potential of application in scientific research, industry and experiment teaching in electronics.

thermoelectric cooler; microcontroller; temperature characteristics

2015-09-09；

2015-11-04。

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(11302268)。

王延珺(1992-)，女，研究生，主要從事核工程和核材料方向的研究。

王 彪(1963-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光電晶體材料生長(zhǎng)和應(yīng)用方向的研究。

1671-4598(2016)03-0285-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.078

TP23

A