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电子器件测试仪
电子器件测试仪
谢强
【摘要】
随着电子工业的发展，对电子元器件的品质要求越来越高，为保证电子系统的正常运转，在应用中我们常常要测定电子元器件的质量。
因此，设计可靠、安全，便捷的电子器件测试仪具有极大的现实必要性。
本课题是以MCS-51单片机为核心能检测二极管、三极管、电容、555芯片和运放741的电子器件测试仪，可以通过不同按键来设置所要检测的器件，将检测的结果显示在液晶屏上。
所有的测试都基于一个原理，就是当被测器件插入相应插座后，它与周围的器件构成一个功能电路，该功能电路的输入信号由单片机提供，单片机通过检测功能电路的输出看与正常情况下相符与否来考察器件的质量。
测试结果说明：
本课题设计的电子器件测试仪能检测555芯片、运放741、二、三极管的好坏。
【关键词】MCS-51单片机电子器件测试仪
一、前言
在电子系统设计中，电子器件及它们的有机连接构成了各种功能电子系统的硬件。
如何顺利地完成从电路图到一个成型并运转正常的电子系统，需要极大的勇气和技术。
无论是电路图设计有任何纰漏或焊装时有任何差错，都有可能导致电子系统无法正常工作。
有时绞尽脑汁设计了一个完美无瑕的系统电路，并且费尽力气正确地焊装了所有元器件，一上电时系统还是会出现不工作或者与设计不同的运行效果。
如果排除设计和焊装的失误，出现不正常的原因恐怕就是某个或多个电子元器件本身存在质量问题，致使系统中某个或多个模块状态异常。
到时除了后悔当时没有仔细检查器件质量就盲目焊装，恐怕也没什么可埋怨的。
各种各样的器件如电阻、电容、集成电路等都是由工厂生产的，虽然工厂努力把器件的出厂合格率做到100%，但是瑕疵还是不可避免的，这有可能是出厂检测的疏漏，也有可能是在运输、储存器件时因内、外部环境改变而使器件的质量发生变化。
总之，我们从任何地方采购的器件谁也不能保证它们是100%合格的。
所以，在焊装元器件之前有必要对它们进行一次全面的“体检”，这对最终系统的正确性、稳定性、可靠性都非常有意义。
除了使用如万用表对电阻、电容、二极管等器件进行检测外，还经常用到集成电路测试仪，也称IC测试仪。
根据IC测试仪的型号不同，可以测量的芯片也不同，包括定时器、运算放大器、比较器、稳压器、二极管、光耦、驱动器和通信IC等。
有了这样一台IC测试仪，就像有了一个“听诊器”，可以在焊装芯片等器件之前对其进行“体检”，把故障排除在萌芽阶段。
在国外，为适应高可靠电子元器件发展对质量控制标准的要求，美国通过对GJB548“微电子器件试验方法和程序”顶层结构的剖析和典型具体细微内容的研究，来提高军用电子元器件质量检测能力。
GJB548“微电子器件试验方法和程序”是参照美国MIL-STD-883“微电路试验方法”制定的。
MIL-STD-883虽然是为美国军方采购微电路产品控制质量而编写的，但其应用范围远不止于此，声表器件、部分固体光电子器件、固体继电器、晶体器件等都大量采纳其条款作为质量控制要求。
它是当今世界范围内元器件质量控制标准中应用最广，最具权威性的产品基础规范。
目前全球针对电子仪器测量的仪器种类繁多，功能也相当齐全。
其中包括最先进的静电测试仪，数字式接地电阻测试仪，直流电阻测试仪。
就拿Tencor公司仪器部生产的Sonogagept_2型无接触测试仪为例，它为硅片检测提供了简易准确、无接触的测试手段。
该测试仪与众不同,它能在同一点位置上同时测试出整片硅片的厚度、晶片电阻、电阻率及掺杂型号,而不接触硅片的抛光表面。
具有速度快、精度高、无沾污及较高的稳定性等特点。
虽然电子测试仪种类繁多，功能也越来越齐全，但目前还没出现一种测试仪能检测日常所用到的所有电子元件。
所以在这一方面，还有待人类的进一步研究。
本文设计的电子器件测试仪主要是为学生群体服务的。
在学生平时的电子系统设计中也需要检测各种常用元器件的功能好坏，但市面上的检测仪不仅功能单一，且价格昂贵，让许多电子设计爱好者望文却步。
同时，本文设计的电子器件测试仪还可以在日常教学实验中使用，其设计原理简单，操作也十分快捷。
因学生对单片机的熟悉程度和运用能力相对较高，所以本文设计是以单片机为核心的电子器件测试仪。
在设计中，各个模块的设计也是以原理简单、元器件性价比高为原则。
尽管本设计全方位考虑其功能实现和产品的完美，但肯定还有不足，这需要以后进行更深一步的探讨和研究。
二、系统方案论证与设计
根据题目要求，此电子器件测试仪由以下模块组成：
主控电路模块、报警电路模块、液晶显示模块、555测试模块、741测试模块、电容测试模块、二、三极管测试模块，具体论证与设计方案如下。
（一）主控模块设计方案与论证
方案一：
以51单片机为控制核心，电路测试的信号经单片机处理后再将处理结果在液晶屏上显示出来。
其优点价格便宜，软件处理简单方便，在性价比和时间上占很大优势，特别是STC89LE58RD+等单片机相对功耗较低，有利于减小系统功耗。
缺点是51系列单片程序处理时间相对较长，供电电压相对较高。
方案二：
以ARM7嵌入式电路板作为控制核心；内嵌uC/OS-Ⅱ操作系统，电路测试的信号经过单片机处理后将处理结果在液晶屏上显示出来。
其优点是数据处理时间短，同时其单片机适合节点给定电压，不需要升压，减少了一定的外围电路，但是其价格较贵，在软件处理上较复杂，在性价比和时间上有一定的差距。
方案三：
以MSP430等新型单片机为控制核心。
MSP430系列单片机可以设置其工作在低功耗模式下，功耗低于C8051系列的一个数量级以上，拥有业界最低功耗，很适合电池组低压供电的，有严格功率限制的场合。
其缺点是开发环境不熟悉，需要较长的开发周期。
通过比较，从多方面因素考虑，我选择了方案一，采用51单片机。
此外，显示部分是采用LCD1602液晶显示，它具有丰富多样性、灵活性、电路简单、易于控制而且功耗小等优点，对于信息量多的系统，是比较合适的。
电源部分则采用直流稳压电源为系统主电源，使用范围广，使用安全可靠，符合实际操作使用。
（二）555测试模块与741测试模块设计方案与论证
方案一：
555芯片与741运放综合测试模块。
用两个小8脚双列直插IC座，如图2.1连接。
555接成无稳态多谐振荡器的振荡频率为f=1.44／（R1+2R2）C1，图示参数的振荡频率约为1HZ，若555为好的，则发光二极管lED1将周期地闪亮；否则，为坏的。
741的接法由开关K2控制。
转换开关K2用于控制555振荡信号加至741的同相端或反相端，前者使LED2的闪光与LED1同步，后者作为反相器时，LED2与LED1交替闪烁。
方案二：
555芯片与741运放独立测试模块。
555测试模块是用555时基电路构成无稳态多谐振荡器，单片机通过检测其输出电压的高低来判断555输出波形是否为方波，若为方波则芯片是好的，反之芯片就是坏的。
741测试模块是利用插入的运放741与外围的电阻构成一个比较器，单片机通过检测比较器的输出就可以判断运放的质量。
图2.1555与741检测电路
综上所述，虽然方案一与方案二的设计思路相差不大，但方案二更能充分利用芯片资源，且显示更加直观，所以我选择方案二。
（三）电容测试模块设计方案与论证
方案一：
采用由LM741等构成的电容测量电路。
如图2.2所示，该电路的测量原理是被测电容Cx充放电而形成三角波，测量三角波的振荡周期就可知电容的大小。
有A1可构成密勒积分电路，经A2构成的施密特电路形成正反馈而产生振荡。
但此电路复杂，很难实现。
方案二：
采用电容与555芯片构成一个无稳态多谐振荡器，单片机通过检测这个振荡器的输出来判断电容的好坏。
此方法简单快捷，且应用范围广，可操作性强，成本低。
通过上述比较，我选择方案二。
图2.2由LM741构成的电容测试电路
（四）二极管和三极管测试模块设计方案与论证
方案一：
二极管的测试采用正弦半波法。
其电路如图2.3所示，触发晶闸管T，调整电流源G，使通过二级管D的正向峰值电压Ifm为给出的规定值。
脉冲持续时间Tp、正相电流变化率—dif/dt和C1两端的电压V1应与规定条件一致，即可判断二极管的好坏。
三极管的测试则采用IC17414的施密特6非门集成电路。
电路如2.4图所示，测试时通过变色发光二极管LED1和LED2的组合发光颜色不同来实现判别。
该集成电路内的非门均具有电压回滞特性，利用这个特性及外围电路构成振荡器可对三极管进行测试。
但这种方法比较复杂，且不能充分利用芯片资源。
方案二：
采用51单片机端口检测。
二极管的正极与51单片机的P1.0端口连接，三极管的基极和51单片机的P1.0端口连接，根据电压的高低就可检测出三极管的好坏。
此方法操作简单快捷，符合本设计的要求。
鉴于以上分析，我选择方案二。
图2.3正弦半波法测试二极管电路图
图2.4由IC17414构成的三极管测试电路
三、测量仪总体方案设计与实现
本设计中，考虑到单片机具有物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等特点，拟采用MCS-51系列的单片机为核心来实现555芯片、电容、二极管、三极管、741运放测试模块的控制。
显示模块拟采用LCD1602来显示检测结果。
图3.1为测试仪总体设计框图。
图3.1测试仪总体设计框图
四、硬件电路设计
（一）主控模块设计
在本课题中，考虑到单片机构成的应用系统有较大的可靠性，容易构成各种规模的应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。
还具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现。
另外，本设计还需要利用单片机的定时计数器、中断系统等，所以，选择以单片机为核心作为主控模板进行设计具有极大的必要性。
在硬件设计中，选用MS-51系列单片机，其各个I/O口分别接有按键、液晶显示器、蜂鸣器、555芯片、电容、二极管、三极管等，通过软件进行控制。
MCS-51单片机包含的中央处理器、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、中断系统，以及数据总线、地址总线和控制总线都在本设计中有所作用，现在仅将上述芯片管脚分别加以说明。
1．MCS-51芯片引脚功能
主控模块原理图（含MCS-51芯片）如图4.1所示。
以下只说明本次设计所用到的引脚。
（1）VCC：
MCS-51电源正端输入，接+5V，在电源两端加入一个10uf的电解电容和一个103的瓷片电容构成电容滤波。
（2）VSS：
电源地端。
（3）XTAL1：
单芯片系统时钟的反相放大器输入端。
（4）XTAL2：
系统时钟的反相放大器输出端，在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外在两引脚与地之间加入两个22PF的小电容C12和C13，它们和晶振一起构成谐振滤波网络。
（5）RESET：
MCS-51的重置引脚，高电平动作，当要对芯片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，MCS-51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。
在图中9号管脚与下载线2号接口和复位模块相连接，就能实现测试仪的复位功能。
（6）EA/Vpp:
"EA"为英文"ExternalAccess"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。
本课题使用8751内部程序空间，此引脚要接成高电平。
（7）PORT0（P0.0～P0.7）：
端口0是一个8位宽的开路漏极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。
其中P0.0-P0.7为液晶显示接口。
（8）PORT2（P2.0～P2.7）：
端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。
P2.0-P2.4是接测试模块按键选择开关。
（9）PORT1（P1.0～P1.7）：
端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据，P1.0接报警模块的蜂鸣器，P1.1接二、三极管的D/T口，P1.2接具有重新选择测试模块的开关S7，P1.5-P1.4接下载线插槽（JP8）接口。
图4.1主控模块原理图（含MCS-51芯片）
（10）PORT3（P3.0～P3.7）：
端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还具有外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。
P3.2与P3.4接电容测试模块，P3.2与P3.5接555测试模块，P3.6与
P3.7接741测试模块。
2.复位电路与上拉电阻设计
复位电路的作用是在复位或上电过程中，控制CPU的复位状态：
这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作。
本课题的复位电路有手动按钮复位和上电复位两种功能。
手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平（如图4.2所示）。
一般采用的办法是在RST端和正电源VCC之间接一个按钮。
当人为按下按钮时，则VCC的+5V电平就会直接加到REST端。
图4.2手动复位与上电复位原理图
上电复位需要在RST复位输入引脚上接一电容至VCC端，下接一个电阻到地即可，如图4.2所示。
上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电 容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
上拉电阻是用两个10K*8的排阻接到电源上，如图4.3所示，当单片机的引脚没有输出信号的时候，电阻就相当于导线，这时引脚为高电平，当单片机的引脚有低电平输入的时候，电压通过电阻不会改变引脚的电压，但是却能够分得一部分电流，进而提高驱动能力。
图4.3上拉电阻电路原理图
3.电源电路与报警电路设计
本课题的电源电路为外接电源供电电路，如图4.4所示，是直接采用PC的USB接口5V直流电源给电路板供电。
为了显示外接电源给电路板提供了电源，在系统中增加了电源指示灯电路D2.其中瓷片电容C16与电解电容C17起到滤波作用，电阻R21具有限流功能。
图4.4电源电路原理图
报警电路是用三极管Q2（9031），Buzzer端口相当于一个开关，当MCS-51芯片P1.0输出一个高电平时，三极管导通，蜂鸣器鸣响。
当输出一个低电平时，三极管截止，蜂鸣器不响。
其原理图如图4.5所示。
图4.5报警电路原理图
（二）液晶显示模块设计
液晶显示模块是用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，本设计中采用1602字符型液晶显示器，其实物如图4.6：
图4.61602字符型液晶显示器实物图
1602LCD的基控制器大部分为HD44780，芯片工作电压为4.5—5.5V，模块最佳工作电压为5.0V，显示容量为16×2个字符，工作电
流为2.0mA，字符尺寸为2.95×4.35（W×H）mm。
本课题中1602LCD
采用标准的16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表4.1所示。
图4.71602LCD模块原理图
其中4-14号引脚分别与单片机的P2.5-P2.7和P0.0-P0.7口连接，从而由单片机对其进行控制，原理图见图4.7。
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
表4.11602LCD引脚接口说明表
（三）555芯片测试模块设计
555测试模块是用555时基电路构成无稳态多谐振荡电路，单片机通过检测其输出电压的高低来判断555芯片的好坏。
无稳态多谐振荡器是将555与三个阻、容元器件如图4.8连接，便构成振荡模式。
此外，放电晶体被驱动而导通，使得第七脚的输出将电容C1经电阻Rb放电，电容器的电压就开始下降，直到降到触发位准1/3VCC，正
图4.8无稳态多谐振荡器
反器再次被触发，使第三脚输出回到高态，且放电晶体管截流，于是电容器C1再次经由电阻Ra及Rb充电，重复这些动作就会产生振荡，振荡器的波形为三角波和方波，如图4.9。
图4.9无稳态多谐振荡器波形图
在检测555芯片好坏时，是将芯片引脚4（555T2）与引脚3（555T1）分别接单片机的P3.3和P3.5口，如图4.10所示。
若555芯片是好的，则说明当引脚4输入高电平，引脚3输出方波，单片机判断出电压
图4.10555测试模块原理图
的跳变并在显示屏上显示出Good。
若555芯片是坏的，则说明当引脚4输入高电平，引脚3没有方波输出，单片机没有判断出电压的跳变并在显示屏上显示出Bad。
（四）741运放测试模块设计
UA741是通用高增益运算放大器,应用非常广泛，双列直插8脚或圆筒8脚封装。
工作电压±22V,差分电压±30V,输入电压±18V,允许功耗500mW.图4.11是741引脚图，图4.12是其内部功能图。
其中1脚和5脚为偏置（调零端），2脚为反向输入端，3脚为正向输入端，4脚接地，6脚为输出，7脚接电源，8脚空脚。
741测试模块是利用插入的运放741与外围的电阻R23、R24构
图4.11UA741引脚图
成一个比较器，741T1口与741T2口分别和单片机的P3.6与P3.7连接，正向输入端3脚接地作为参考电压，如图4.13所示。
当741T1口为高电平，若2脚反相输入端电压大于3脚正相输入端电压，则741T2口电压为0,单片机通过检测比较器的输出就能判断出741是好的。
当741T1口为高电平，若2脚反相输入端电压等于3脚正相输入端电压，则741T2口电压还是高电平，单片机通过检测比较器的输出就能判断出741是坏的。
图4.12UA741内部功能图
图4.13741测试模块原理图
（五）电容测试模块设计
电容检测是采用电容与555芯片构成一个无稳态多谐振荡器（详见4.3节），单片机通过检测这个振荡器的输出来判断电容的好坏。
其中JP14为电容测试插槽，待测试的电容与555芯片构成无稳态多谐振荡器，如图4.14所示。
C2口为波形输出端，它与单片机的P3.2连接。
当单片机输入高电平，C2输出方波，则单片机会检测到振荡器电压的跳变，此时显示屏显示Good，说明被测电容是好的。
当单片机输入高电平，C2口不能输出方波，则单片机不会检测到振荡器电压的跳变，此时显示屏显示Bad，说明被测电容是坏的。
图4.14电容测试原理图
（六）二极管和三极管测试模块设计
二极管检测是利用二极管的正极与单片机的P1.0端口连接，负极接地，如图4.15所示。
当单片机检测出低电平时，说明二极管导通，显示屏将显示出Good，此时二极管是好的。
当单片机检测出高电平，说明二极管没有导通，显示屏将显示Bad，此时二极管是坏的。
三极管检测是利用三极管的基极与单片机的P1.0端口连接，发射机与集电极接地，如图4.10所示。
当基极与单片机的P1.0端口连接时，
图4.15二极管和三极管测试原理图
若单片机检测出低电平，则说明基极与发射机导通，若单片机检测出高电平，则说明基极与发射机不导通。
当基极与单片机的P1.0端口连接，集电极接地时，若单片机检测出低电平，则说明集电极与发基极导通，若单检测出高电平，则说明集电极与基极不导通。
当基极与发射机、集电极与基极都导通时，则说明被测三极管是好的，显示屏将显示Good,反之显示屏将显示Bad。
五、软件设计
（一）主程序设计
电子测试仪的主程序流程图如5.1所示。
系统对单片机上电之
图5.1主程序流程图
后，有一个短暂的延时以保证MCU正常工作，然后对1602液晶显示屏初始化，一直等待被测器件的按键按下，对按键进行消抖之后，如果确定有按键按下则跳到被测器件测试程序，否则一直等待按键。
在主程序中设置一个标志位GD_Flag，用来指示被测器件的好坏。
系统开始检测器件后，若GD_Flag=1，说明被测器件是好的；否则GD_Flag=0，说明被测器件是坏的。
（二）555芯片测试程序设计
555芯片测试流程说明，如图5.2所示：
对单片机上电之后，有一个短暂的延时以保证MCU正常工作，然后对1602液晶显示屏初始化，一直等待555的按键按下，对按键进行消抖之后，如果确定有按键按下则跳到此555测试测试程序，否则一直等待按键。
图5.2555芯片测试流程图
555芯片测试是利用555时基电路构成无稳态多谐振荡电路。
其接口是P3.2端口，用于检测外部中断0的跳变，如果P3.2检测到跳变，则外部中断0的中断标志位置位，若返回GD_Flag=1，说明555芯片是好的；否则GD_Flag=0，说明555芯片是坏的。
（三）741运放测试程序设计
741测试流程说明，如图5.3所示：
对单片机上电之后，有一个短暂的延时以保证MCU正常工作，然后对1602液晶显示屏初始化，一直等待741的按键按下，对按键进行消抖之后，如果确定有按键按下则跳到此741测试程序，否则一直等待按键。
图5.3741测试流程图
741的测试接口是P3.6端口，是利用插入的运放741与外围的电阻R23、R24构成一个比较器，如果P3.6检测到跳变，则741T2置位，若返回GD_Flag=1，说明741是好的；否则GD_Flag=0，说明741是坏的。
（四）电容测试程序设计
电容测试流程说明，如图5.4所示：
对单片机上电之后，有一个短暂的延时以保证MCU正常工作，然后对1602液晶显示屏初始化，一直等待电容的按键按下，对按键进行消抖之后，如果确定有按键按下则跳到此电容测试程序，否则一直等待按键。
图5.4电容测试流程图
电容的测试接口是P3.3端口，利用555芯片和周边电阻组合成一个无稳态多谐振荡电路，如果P3.3检测到跳变，则外部中断1的中断标志位置位，若返回GD_Flag=1；说明电容是好的，否则GD_Flag=0；说明电容是坏的。
（五）二极管和三极管测试程序设计
二、三极管测试流程说明，如图5.5所示：
对单片机上电之后，有一个短暂的延时以保证MCU正常工作，然后对1602液晶显示屏初始化，一直等待二、三极管的按键按下，对按键进行消抖之后，如果确定有按键按下则跳到此二、三极管测试程序，否则一直等待按键。
图5.5二极管和三极管测试流程图
二、三极管的测试接口是P1.1端口，利用二极管、三极管内部导通原理进行测量。
如果P1.1检测到跳变，则T-DT置位，若返回GD_Flag=1；说明二、三极管是好的，否则GD_Flag=0；说明二、三极管是坏的。
六、系统测试
在测试过程中，通过按键的选择来测试不同的模块，待测试的模块只需要插入测试插槽即可。
但在测试电容过程中，想为同一个电容做二次测量，则电容就必须先将两个管脚碰到一起放电，然后才能进行测量。
而三极管的测量，则需要测量两次，即基极与发射极、集电极与基极的导通测试。
在此我非常遗憾741芯片测试未能成功，因其比较器电压较高，单片
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