ADAPTIVNA METODA MERJENJA STATIČNIH KARAKTERISTIK ELEKTRONSKIH KOMPONENT IN NJENA REALIZACIJA Z VIRTUALNIM INSTRUMENTOM Jože Mohorko, Ladislav Mikola Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko. Inštitut za avtomatiko, Maribor, Slovenija Ključne besede: deli sestavni elektronski, karakteristike statične, U-l karakteristike napetost-tok, tranzistorji, diode, upori električni, tiristorji, merienje karakteristik, izvedbe praktične, VI instrumenti virtualni, metode merilne adaptivne, metode merilne tangentne, DAQ zajemanje podatkov Povzetek; V članku opisujemo računalniško podprt postopek določanja statičnih I - U karakteristik elektronskih elementov. Osnovna kriterija izbire števila merilnih točk na karakteristiki sta hitrost meritve in zveznost izmerjene karakteristike, ki pa sta protislovna. Postopek temelji na adaptivni metodi izbiranja omejenega števila maksimalne merilnih točk tako, da so enakomerno razporejene po karakteristiki, brez vnaprejšnjega poznavanja lastnosti merjenca, ob omejitvah dovoljene moči, toka in napetosti. Realiziran je v obliki virtualnega instrumenta v programskem okolju LabVievi^ ® firme National Instruments. Rezultati meritev statičnih karakteristik različnih tipov merjencev, kot so; upor, dioda, tranzistor, zener dioda in tiristor, potrjujejo uspešnost predstavljene metode tudi v primerih izbire dokaj malega števila merilnih točk (10-15). Adaptive Method for the Mesurement of Statical Characteristics of Electronics Parts and its Realisation as Virtual Instrument Keywords; electronic components, static characteristics, U-l characteristics, voltage-current characteristics, transistors, diodes, electrical resistors, thyristors, measurement of characteristics, practical realizations, VI, Virtual Instruments, adaptive measuring methods, tangent measuring methods, DAQ, Data AcQuisiton Abstract; An approach to the computer-aided measurement of static characteristics is described. There are two basic criteria for choosing the number of measurement points; the speed of measurement performance and the continuity of the measured characteristic, which are contradictory. The approach is based on the adaptive method for choosing a limited set of measuring points with a uniform distribution along the characteristic, without the need for apriori knowledge about measured parts, limited by maximum permitted power, current and voltage. The approach is implemented as Virtual Instrument (VI) using LabView ® from National Instruments. The results of experimental measurements of statical characteristics of different types of electronic elements, such as resistor, zener diode, transistor and tyristor, confirm the efficiency of the presented method even in the case of choosing a relatively small number of measurement points (10-15). 1. Uvod Kontrola statičnih lorakteristil^ elektronskih komponent je zelo pomembna dejavnost merilne tehnike. Naštejmo samo nekatera področja uporabe v proizvodnih dejavnostih in pedagoškem procesu. Proizvajalec izvaja meritve v fazi razvoja komponente /1, 7, 8, 9, 10, 13 15, 16, 17/, ko želi preveriti ali izdelek ustreza lastnostim, ki so bile zastavljene, kot tudi v serijski proizvodnji za zagotavljanje konstantne kakovosti izdelkov. Po drugi strani pa proizvajalci elektronskih naprav izvajajo vhodne kontrolne meritve elektronskih komponent pred vgradnjo v naprave. Zgodnje odkrivanje in preprečevanje napak v izdelku, ko še ni velike dodane vrednosti, namreč zmanjša stroške proizvodnje. Zelo pomembno področje izvajanja takih meritev je tudi v pedagoškem procesu na fakultetah in srednjih šolah, kjer je potrebno študentom poleg teoretične podlage na čim bolj nazoren način prikazati lastnosti delovanja elektronskih gradnikov/11,12,14/. Sodobni trendi merilne tehnike gredo v smer računalniške avtomatizacije zajemanja merilnih podatkov s pomočjo DAQ merilnih vmesnikov (Data Acquisition) in računalniško krmiljenih merilnih instrumentov z instrumentacijskimi podatkovnimi vodili GPIB (General Purpose Interface Bus) oziroma IEEE-488.2. Program, ki upravlja računalniško podprto meritev, imenujemo navidezni instrument VI (Virtual Instrument) /3,5/. Značilen navidezni instrument, ki se uporablja za izvajanje meritev, vsebuje zajemanje merilnih vrednosti, analizo podatkov in prikaz merilnih vrednosti. Na tržišču obstaja precej programskih orodij za razvoj VI /4/. Najbolj je znan LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) firme National Instruments (NI), ki je zasnovan na objektnem grafičnem programskem jeziku "G". Ce hočemo v polni meri izkoristiti vse prednosti, ki jih sodobna tehnologija merilne opreme ponuja, je potrebno uporabljati merilne postopke, ki to omogočajo /6/. V tem članku je predstavljena nova metoda avtomatizirane meritve I -U statičnih karakteristik z adaptivno optimalno optimizirano izbiro merilnih točk. Ta metoda omogoča zasnovo univerzalnega VI, ki je primeren za meritev statičnih karakteristik poljubnih linearnih in nelinearnih elektronskih elementov kot so upori, varistorji, PTC/NTC upori, diode, zener diode, FET, transistorji. VI omogoča tudi meritev družine karakteristik merjenca, pri katerem spreminjamo parametre, kot so: temperatura, bazni tok, krmilna napetost,... Element je med meritvijo zaščiten pred uničenjem zaradi prekoračitev mejnih vrednosti toka, napetosti ali moči. 2. Adaptivna metoda izbire merilnih točk Načrtovanje metode za meritev statičnih karakteristik temelji na merilnem vezju na sliki 1. Statično karakteristiko bomo dobili s pomočjo meritve kolektorske napetosti U^. in izračunane vrednosti kolektorskega toka pri konstantnem baznem toku Za meritev smo uporabili instrumente, ki Merilno vezje HP3't78A HP6632A Ic ub+i^—I Rb l£>l hUcc V ) (VIR) U,, avtomatsko HP3478A HP6632A Ic. Izračun /,., {/, _ Ucc - ^c Uß ročno HP6632A HP3478AHP6632A Ic. .......[W Ub+X (vir) HEH Rc ■+Ucc Vl^ Uß avtomatsko HP3478AHP6632A L = _ ^ I) v M Rc Us r •ocno Slika 1: Avtomaska/polavtomaska meritev družine statičnih karakteristik podpirajo GPIB komunikacijo. Za merjenje napetosti je multimeter HP 3478A, izvor napetosti U^.^ je napajalnik HP 6632A, izvor f/^ pa je lahko še en napajalnik HP 6632A za avtomatsko nastavitev baznih tokov ali pa nekrmiljen izvor napetosti, če merimo na polavtomatski način z ročno nastavitvijo krmilnih tokov. Povezava instrumentov s krmilnim računalnikom je razvidna na sliki 2. Slika 2: Računalniško krmiljeni merilni instrumenti Pri elektronskih elementih z linearnimi karakteristikami je najprimernejše izbrati merilne točke enakomerno, na primer z enakomernim povečevanjem napetosti. Pri elementih z nelinearnimi karakteristikami pa se lahko zgodi, da enakomerna porazdelitev merilnih točk vzdolž ene osi ne določa dovolj točno poteka karakteristike. V takem primeru je primerneje uporabiti način, ki omogoča enakomerno porazdelitev merilnih točk vzdolž same karakteristike, oziroma krivulje takega elementa. V linearnih delih karakteristik je potek razviden že iz manjšega števila merilnih točk. Izvedbo meritve vtem smislu zagotovimo na naslednji način: v osnovo za graf karakteristik vnesemo tri omejitve; v primeru za transistor: omejitev Icm, omejitev Ucm in omejitev Pm- izberemo določeno število vseh merilnih točk N, nastavimo prvo merilno točko tako, da leži v začetnem delu karakteristike, pri čemer izhajamo iz podatkov o merjencu, po prvi meritvi izberemo naslednjo in vse ostale merilne točke s pomočjo (tangentne) metode, ki omogoča enakomerno porazdelitev merilnih točk vzdolž krivulje in s tem dober opis nelinearnega dela karakteristike. /crtJ 01 : UcßJTTÜjfJ u Slika 3: l-U karakteristika elementa Postopek bomo opisali skladno s sliko 3, kjer smo vrisali predvideno nelinearno karakteristiko merjenca. Vzemimo na primer, da smo opravili meritev v k-t\ merilni točki. Strmino tangente, oziroma karakteristike vtem delu, določimo iz točk 7;. in ki morata ležati dovolj blizu ena drugi. Izračunajmo Ur{Tp)\ _ A/, ^ /e(rj-/,(r,_,) (1) Iz tega podatka lahko dobimo diferenčno upornost Rt v tem delu karakteristike. kjer dobimo dve rešitvi. Uporabimo realno rešitev s pozitivnim predznakom. V tretjem primeru, ko seka tangenta premico omejitve napetosti (7,„ velja: 5 A/, (2) Dobljena tangenta seka linije omejitev Icm, Ucm in Pm v točkah T,, Ty in Tp. Izračunajmo napetosti U^-iTi), U^iT^j) in UciTp) v teh točkah. V prvem primeru določimo napetost U^-iT,}. Upornost Rt lahko izrazimo tudi z naslednjim razmerjem: (3) m Uc(T,) = {Ic,„-IciT,))Rr+U,{T,) (4) Za sečišče Tp tangente in krivulje omejitve moči lahko zapišemo: Af/c Uc(Tp)-UciT,) A/, Izraz preoblikujemo in ga pomnožimo z U^(Tp): (5) ■UATp) (6) (10) Iz dobljenih oziroma izračunanih vrednosti napetosti U(.{T,), in (7^) izberemo za nadaljnjo obravna- vo tisto, ki je najmanjša, torej: U^ (T) = min {Uc {T,), U^ (T^ ),Uc (T,.)} d D Z njo nato določimo napetost za naslednjo merilno točko . Interval natangenti med točkama in izbranim sečiščem na liniji omejitve T razdelimo na A'-ä:-! delov. Potrebni prirastek napetosti AU^. na merjencu je: (12) Prirastek napajalne napetosti Ucc (slika 1) pa mora biti večji zaradi upornosti Rc elementa za ugotavljanje toka: R,- + R^ «r (13) Za naslednjo merilno točko T^^^ je potrebno na napajalniku nastaviti napetost: (14) Dobimo: (7) Upoštevajmo, daje U^-iTp) ■ I^{Tp) = in enačbo uredimo: 3. Virtualni instrument Virtualnl instrument za avtomatsko merjenje statičnih karakteristik je sestavljen iz modulov, ki so prikazani na hierarhičnem diagramu na sliki 4: meritev napetosti (DVM HP3478A), krmiljenje napajalnikov (SetU HP6632A, SetI HP6632A), postavitev parametrov komunikacije (HP-IB setup), kontrola prekoračitev (IUP overt.), tiskanje, simulacija meritve (Model vezja) ter obdelava napak (Error). PFl P / \ \ \ g GG32C etup Select IUP ovetf. Slika 4: Hierarhični diagram VI Kontrolni panel navideznega instrumenta je predstavljen na slikah 5 in 6. □ziinka elumentn Omejitve uc n».-)* (v) ic i»(») : |.n , upon Rb (oUn) t Kc (,)lmi) lo» 11, (|,A) •I ■:f Avto. posuviiov krniK;tC0d luka. j L ™JH_l!!™."' I ( ■ ''I» Uc (V) ; appl Slika 5: Osnovni panel VI Predstavimo podrobne opise kontrol, s katerimi vplivamo na delovanje indikatorjev, ki prikazujejo delovanje sistema in merilne rezultate. Kontrolne komponente panela so, za boljšo prepoznavnost, označene z okvirjem. Njihov pomen pa je naslednji: Oznaka elementa V to rubriko zapišemo oznako ali naziv elementa, ki ga merimo. mMl^Mlliag Oznaka elementa Omejitve Upori Tok Ib (iiA) u 00 , i Jno I š Wi n IMI '1 Uc max (V) 115.00 ) Ic max (A) J P max (W) _j Rb (ohm) ^noo j Rc (ohm) 1 m j Točk Meritev ' O F"1 Način delovanja HP6832.4 HP3478A HP6632A .....Ifej^ +Ucc ijub^rfRiJ 10 ^ ' W ^........^^ i j Avto. postavitev krmilnega toka'. Ic (A ■ OjlO' 0,09 0,08 0,07 0,06;-0,05-0,04-0,03-0,02-0,01 0,0c SPART HPIBset EXIT Slika 6: Detajl osnovnega panela VI Omejitve To so omejitve, ki so za vsak element na nek način predpisane. Omejene pa so tudi z zmogljivostjo napajalnika. Te omejitve so maksimalni tok, ki lahko teče skozi merjenec, maksimalna napetost, ki je lahko na njem in tudi maksimalno moč, ki se lahko porabi na elementu. Te vrednosti dobimo na primer iz tabel podatkov o tranzistorjih in jih vpišemo v naslednja okenca: Ucmax(\/) lcmax(A) - maksimalna napetost tranzistorja - maksimalni tok tranzistorja Pmax{W) - maksimalna moč tranzistorja Upori V tej rubriki vnesemo vrednosti uporov v W takšne, kakršne smo nastavili na uporovnih dekadah. Upornost R^ je nastavljena glede na maksimalni tok pri maksimalni napetosti U^ medtem ko je upornost odvisna od tokov za katere želimo meriti karakteristike, pri čemer vemo, da smo omejeni v izbiranju U,^. Rb(ohm) - bazni upor Rc (ohm) - kolektorski upor Bazni tokovi Pred vsako meritvijo je potrebno vpisati vrednosti krmilnili parametrov (na primer bazniii tokov pri kateriln želimo meriti karakteristike tranzistorja). Tokove vpisujemo v |aA. Maksimalno število krmilnih parametrov je 5. Vzrok za to omejitev je, da so grafi še dovolj pregledni. V primeru, da želimo meriti manj kot 5 karakteristik, na zadnja mesta vpišemo vrednost 0.00 |iA, oziroma jih pustimo taka kot so, če predhodno nismo vanje vpisovali vrednosti. Točk V tej rubriki imamo možnost izbiranja števila izmerjenih točk na posamezni karaktehstiki. Smiselna izbirajo med 15-40, odvisno od tega, kako podrobno želimo posneti karakteristiko. Meritev Je indikatortrenutne meritve za posamezno karakteristiko. Način delovanja Tu lahko izbiramo med simulacijo meritve in meritvijo z dejanskim instrumentarijem. V prvem primeru je simulirana meritev statične karakteristike tranzistorja, v drugem pa se izvede meritev karakteristike merjenca v vezju. Simulacija je namenjena za pomoč uporabniku in za vadbo operaterjev saj ni potrebno dejansko realizirati merilne sheme. Izbira merilne sheme Izbiramo lahko med merilnimi vezji prikazanimi na sliki 2. HPIBSet Ob pritisku na ta gumb se odpre okno iz slike 7, na katerem postavimo parametre komunikacije z merilnimi instrumenti in zmogljivostjo napajalnika. HP- IB Setup NASLOVI HPIB Napajalnik UCL P HPIB Napajalnik Ub HPIB Mukimeter HP6632A HP6632A HP3478A ZM0GLJI05T NAPAJALNIKA HP6632A Umax usrn(V) Jll^D 0D_ !maxu5rn(A) ,|;|l,Ou | Karakteristike^ Verzija 2,0 I (C) FERI Maribor, 1995, 2001 .—...„J rnag. Jože Mohorto Slika 7: Nastavitev komunikacijskih parametrov in omejitev napajalnikov Help Virtualni instrument za merjenje statičnih karakteristik je opremeljen z močno podporo za pomoč uporabniku. Če potrdimo to opcijo, se nam prikaže okno (slika 8) za pomoč pri rokovanju s programom. Vsebina okna za pomoč ustreza objektu, ki je trenutno pod kazalcem miške. JOJxJ Način delovanja Simulacija Simulacija delovanja na osnovi matematičnega modela transistorja Meritev Dejansl;^ meritev preto GPIB vodila in računalniško krmiljenih instrumentov, r Siika 8: OI