Источник сеточного напряжения:

Прибор питается от стандартного трансформатора ТАН-27, одна обмотка на 28В отдана под источник сеточного напряжения.  Переменное напряжение трансформатора поступает на удвоитель напряжения на диодах D12, D13 и конденсаторах C12, C13, удвоенное напряжение, сглаженное конденсатором C14, подается на регулирующий транзистор Q8. Фактически, схема представляет собой обычный компенсационный стабилизатор напряжения с операционным усилителем. Импульсы с десятиразрядного ШИМ микроконтроллера поступают на активный фильтр на операционном усилителе U9 (сигнал PWM_Bias на резистор R38), после фильтрации, на выходе U9 получается постоянное напряжение, в зависимости от скважности ШИМ, 0…5В. U7, при указанных параметрах R26 и R27, ОУ поддерживает напряжение в 10раз большее, чем эталонное,  в результате, на выходе схемы получаем напряжение в диапазоне 0…50В с шагом регулировки ~0.05В (ШИМ 10-разрядный, а это 1024 градации на 5В, т.е. фактический шаг 50/1024=0.048828125В).

Схема измерительной и высоковольтной части

Схема питается от 12В (две слаботочные обмотки трансформатора по 6,3В), напряжение выпрямляется диодным мостом D5 и сглаживается конденсатором C5, после чего через ключ (о его назначении позже), на p-канальном Q3 и биполярном Q2 транзисторах, напряжение питания подаётся на повышающую часть ШИМ — L1,Q6,D11. Импульсы с выхода ШИМ микроконтроллера (сигнал HV_PWM) через транзисторы Q4,Q5 управляют ключом Q6. Импульсы ЭДС дросселя L1 через диод D11 заряжают «измерительный» конденсатор C9, до нужного напряжения. Для измерения напряжения на конденсаторе, включён делитель напряжения R11, R12, с которого уменьшенное напряжение поступает на АЦП микроконтроллера (сигнал HV_ADC). Напряжение конденсатора подаётся на проверяемую лампу при помощи ключа на Q14,Q15 и полевике Q16. При разряде конденсатора через открытый транзистор Q16, на резисторе R13 появляется падение напряжения, которое инвертируется ОУ U4, усиливается U8 и подается на другой канал АЦП микроконтроллера и измеряется. Зная сопротивление R13 и величину падения напряжения на нём, микроконтроллер рассчитывает анодный ток. Коэффициентом усиления U8 можно управлять, замыкая на землю резисторы в цепи обратной связи. Для замыкания на землю резистора, соответствующий вывод микроконтроллера (сигналы GAIN1, GAIN2, GAIN3) устанавливается, как выход с низким уровнем. Если резистор нужно исключить из цепи, то соответствующий вывод микроконтроллера устанавливается, как вход с бесконечным входным сопротивлением (Hi-Z).   Измерение продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе или ток анода упадут до нуля. Ключ на p-канальном полевике Q3 нужен для того, чтобы в момент измерения не подавалось питающее напряжение на конденсатор, иначе ток анода или напряжение конденсатора может не упасть до нуля, что вызывает обрыв на графиках в районе нулевых значений. Ключ на Q11,Q12 и полевике Q13 нужен для понижения напряжения на «измерительном» конденсаторе.

Схема цифровой части

Микроконтроллер ATMega328P. U1 (TL431) — источник опорного напряжения для АЦП, потенциометром RV2 можно точно подстроить требуемое напряжение. В идеале оно должно быть 4.096В, округляется до 4.1В. От точности установки этого напряжения зависит точность всех измерений. Возможно, имеет смысл применить заводской прецизионный источник опорного напряжения, но они достаточно дороги и дефицитны. Стабилитроны D14, D15 на 5.1В защищают входы АЦП микроконтроллера от перенапряжения.  U10 — конвертер уровней TTL-RS232, для согласования последовательного интерфейса микроконтроллера (USART) с COM-портом компьютера. Светодиоды D16, D17 — индикация обмена данных между компьютером и микроконтроллером. Разъем P10 — стандартный ISP интерфейс программатора,  позволяет прошивать микроконтроллер, не вынимая его из схемы.

Процесс снятия измерений

Для связи с устройством требуется компьютер с COM-портом, но можно использовать и USB-COM конвертер (я успешно использую конвертер на чипе PL-2303).  Так же требуется терминальная программа, например, хорошо известная PuTTY. Происходит подключение к устройству, устанавливается напряжение на управляющей сетке -2В (b 2), устанавливается напряжение на конденсаторе 160В (s 160), запускается измерение с заданием интервалов измерения и коэффициента увеличения (команда g 3 1.3). По окончании измерения в терминал высыпаются результаты измерения (3 столбца — номер измерения, напряжение, ток). Результаты копируются в любую программу — рисуется график.

Сам работаю в среде Linux, поэтому для автоматизации процесса использую скрипт, который производит подключение, вводит команды и выводит готовый график.

В продолжении опишу более подробно процесс работы с PuTTY, позже появится доработанная версия печатной платы (после устранения обнаруженных недочётов) и прошивка микроконтроллера.

Дополнительные материалы и ссылки

1. Форум сайта «Паяльник» cxem.net, раздел Ламповая техника, ветка Характериограф от lnx
2. Официальный сайт проекта uTracer  https://www.dos4ever.com/uTracer3/uTracer3.htm

В чем разница между классическим индикатором кривой и SMU с программным обеспечением Curve-Tracer?

Эта статья появилась в Evaluation Engineering и была опубликована здесь с разрешения.

Кривые – это электронные тестовые устройства, во многом похожие на осциллографы. По сути, эти приборы работают, изменяя параметр, а затем измеряя отдельный параметр, чтобы получить данные для анализа, относящиеся к характеристикам полупроводников, таких как диоды, транзисторы и тиристоры. Они особенно полезны для анализа отказов полупроводников и параметрической характеристики.

К 1955 году, когда Tektronix представила первый в отрасли анализатор кривых, компания производила осциллографы уже почти 10 лет. Кривые были логическим продолжением бизнеса осциллографов, приближаясь к источнику питания и осциллографу, упакованным в одну коробку. Они работают, подавая качающееся напряжение на две клеммы тестируемого устройства и измеряя величину тока, который устройство пропускает при каждом уровне напряжения. Полученный график I-V затем отображается на дисплее осциллографа.

Первый анализатор кривых, 570, был представлен для отображения характеристических кривых для электронных ламп, за которым последовали модели для тестирования транзисторов, диодов и других твердотельных устройств. Кривые Tektronix, такие как 576 и 370A/370B, получили широкое признание в отрасли, пока в середине 80-х их производство не было остановлено.

Продолжая классику

С течением времени кривые становились все более изощренными, сложными и дорогими для таких приложений, как всестороннее определение характеристик на уровне полупроводниковых устройств. Между тем, классические трассировщики кривых никогда не переставали быть полезными и продолжают оставаться востребованными по сей день, в первую очередь для анализа отказов и образовательных приложений. Их популярность отчасти объясняется простой моделью взаимодействия, которую не удалось воспроизвести современным трассировщикам кривых. Поскольку они больше не производятся, устойчивый спрос привел к устойчивому рынку бывших в употреблении традиционных криволинейных трасс: восстановленные 370B, например, продаются на онлайн-аукционах за 20 000 долларов и более.

Для лабораторий, которые предпочитают продолжать использовать традиционные кривые, зависимость от старинных инструментов представляет собой определенную долю препятствий. Учитывая стоимость старых приборов, пригодных к использованию, лаборатории, как правило, используют один прибор для всех своих инженеров по анализу отказов. Поддержание работоспособности существующих приборов требует поиска и складирования старых сменных компонентов, а довольно большая занимаемая площадь требует ограниченного пространства лаборатории. А поскольку запоминающее устройство представляет собой дискету (помните такие?), сбор и совместное использование данных может представлять собой проблему.

A Версия программного обеспечения

Признавая постоянный интерес к традиционным измерителям кривых, подразделение Tektronix Keithley представило программное обеспечение I-V Tracer, позволяющее реализовать многие функции классических измерителей кривых в современном приборе, а именно в единицах исходного измерения Keithley SourceMeter. (СМУ). Поскольку SMU может подавать напряжение или ток при измерении напряжения и тока, его аппаратные характеристики аналогичны характеристикам кривой.

В новом программном обеспечении используется сенсорный интерфейс графических SMU серии 2400 (рис. 1) , чтобы воссоздать знакомый пользовательский интерфейс трассировщика для маломощных двухтерминальных устройств. I-V Tracer использует все возможности поддерживаемых SMU, включая, например, двойные высокоскоростные дигитайзеры 2461, для выполнения трассировки с полярностью переменного тока и импульсным постоянным током в дополнение к стандартной полярности постоянного тока. Это соответствует, например, 576, который имеет полярность +DC, −DC и AC, что означает, что на выходе либо +voltage, –voltage, либо оба + и – напряжения.