摘要：

随着LED使用范围的扩大，LED的可靠性越来越重要。在LED封装过程进行可靠性检测，及时发现不合格器件，对于降低生产成本，提高系统效率有重要意义。本文建立了基于单片机的LED封装可靠性检测系统，重点设计了高增益放大电路，实现对激励源作用下LE的微弱的电压信号可靠放大。选取了高精度的采样芯片AD1674，利用单片机控制芯片采样。为了可以实现多路通道的采样，采取单片机控制模拟开关。当某路信号转换完成后，自动切换到下一通道。利用LED灯指示某个器件是否正常,当某个器件不正常，相应的LED灯亮。在仿真软件Multisim和Proteus中验证了设计电路的正确性。

关键词：高增益放大电路;AD采样;89C52;

 

 

High power LED package reliability detection system

Youxi Wei

（College of Mechanical and Electrical Engineering, Advisor:Chen Jun）

 

Abstract: 

With the expansion of the use of LED, the reliability of LED is becoming more and more important. Reliability testing in LED packaging process has great significance to reduce production cost and improve system efficiency. In this paper, the reliability testing system of LED packaging based on MCU is established. To realize the reliable amplification of weak voltage signal on both sides of LED under excitation source, high gain amplifier circuit is designed. The sampling chip AD1674 with high precision is selected, and the sample is controlled by a single chip microcomputer. 

In order to realize the multi channel sampling, the single chip microcomputer is used to control the analog switch. When a signal conversion is completed, automatically switch to the next channel. The LED light indicates a device is normal or not , when a device is unqualified, the response LED is light. The correctness of the design circuit is verified by the simulation software Multisim and Proteus.

Keywords: High gain amplifier circuit; AD sampling; 89C52;

第一章 绪论

1.1 LED及LED照明的发展现状

LED是发光二极管的简称，由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成；在不同的额定工作电流下工作的有普通LED和大功率LED，普通LED功率一般为0.05W、工作电流为20mA，而大功率LED可以达到1W、2W、甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安^[1]。

国外的LED照明技术已经过多年的发展，日亚、欧司朗、飞利浦、科锐等LED芯片生产商已经得到了拥有了较为成熟的技术^[2]。而我国的LED正处于起步发展阶段，有巨大的发展前景，有很多的外资企业已经慢慢将LED产业重点转移到了中国。2010财年，科锐的亚洲市场营业额收入占总额约2/3，它在中国内地以及包括香港地区的营收增长高达100%。我国的LED照明企业已经有三四千家，种类包含了家居 、商照、电工等很多领域。不过比较多的集中在中下游产业链，拥有LED芯片生产能力的企业只有62家，即使把大规模封装能力的企业一起算进来，总体产业链中、上游的也不会超过百来家。中国LED企业在技术上与欧美日顶尖企业尚有较大的差距，其中很多一部分企业都是依靠政府资金的帮助来完成利润的增长。

与传统的照明灯源相比LED灯具有很大的发展前。目前我国政府正大力推动LED产业的发展，研究LED的核心技术对于我国企业至关重要。

1.2设计内容

LED的可靠性和稳定性是影响LED发展的重要因素。在生产过程中LED的封装的好坏直接影响器件的使用寿命，LED封装过程中产生的缺陷，在使用的前期虽然这些缺陷不会给光电性能产生较大影响，却会在不就的将来使用中慢慢暴露出来甚至是器件的损坏失效。在某些高新科技应用领域，比如高精密航天器材，它的潜在性危害要比立即出现致命性失效的缺陷危害更大的多。所以，怎么样在封装过程中实现对LED芯片的检测、发现并阻断存在的这些缺陷，防止芯片进入后序封装工序，来降低生产成本、提高产品的质量、避免使用存在缺陷的LED造成重的巨大损失，顺其自然的成为了LED封装行业急需解决的难题。

本文设计LED封装可靠性检测系统，利用多路对称高增益放大电路，对光生电流进行放大；用单片机控制进行数模转换，来实现外接高精度AD芯片在模拟信号进行的数模转换。整个检测系统以51单片机为核心，通过LED指示电路显示被检测器件的好坏。过程中LED发光的方式代表被测件是不合格的，反之，则是合格的；采用独立按键电路，用于控制系统工作模式与启动检测。

第二章 系统组成

2.1 方案选择

数据采集系统是一种从外部采集到的数据输入到系统并进行处理的一种接口，在各个领域被广泛的使用；系统的组成单元主要有信号调理电路、多路切换电路、采样保持电路、A/D转换电路和单片机等。

同步数据采集系统，是在采集数据是对电压信号和电流信号进行同步的采样，以确保可以保留多路接收到的信号信息的相位数据，方便在接下来的工作中各路信号之间的时延关系的解算。该系统较多的适用于现代的通信系统中，在通信系统的运行稳定性、可靠性和电源的检测、控制来说是一个重要的环节。

高速数据采集系统有两个基本的性能要求，高速性和大容量。目前的高速数据采集通常要求的速度在几十到几百MSPS之前，而高速的数据采集必然带来大量是数据处理，需要一个海量的缓存来处理数据的储存问题，它是一种高科技领域的一个系统。

多路数据采集系统，一种有多通道输入信号采集数据系统，运用该系统可以获得大量的动态信息，在目前工、农业的发展中得到了越来越多的应用，该系统可以在不同的环节中测量参数，还能够在某一检测点的任意参数进行随机的查询，对得到的数据进行提取出来，方便比较，来做出决策提高生产的良率和经济效益。

2.2 系统方案

本设计选择多路数据采集系统，是基于AD1674单片机检测系统只能对一路信号进行检测，为了实现检测系统同时对多个LED进行检测，需要在此基础上设计多路检测系统^[3]，多路检测系统的框图如图1所示，与单片机采样电路相比，多路采集系统主要增加了模拟开关，通过单片机控制扫描通道，从而实现了同时检测多个LED的目的。同时检测结果通过LED显示，检测出不合格的LED产品。

图1  系统整体框图

第三章 高增益放大电路设计

3.1 选择放大器件

放大电路是LED封装可靠性检测系统的重要组成部分，只有可靠地将激励源作用下的LED 两侧的微弱电压或电流进行放大，使得到的数据能满足AD芯片的检测要求，才能够判断出LED的封装成品是否正常。在LED检测系统中使用的高增益、低噪声放大电路，可以使用三极管等分立元件组成，也可以使用运算放大器进行设计。

三级管放大电路的基本原理是三极管（BJT）的集电极电流受输入电流的控制，有一点就是三极管在放大电路有这样的特性，输入电阻小、输出电阻大、温度稳定性差和带载能力弱 ^[4]；不仅如此，高倍数的放大在三级管放大电路中是很难实现的，满足不了系统的要求。

运算放大器是在三极管放大电路的基础上发展而来的一种广泛应用的电子器件^[4]。运算放大器最早应用于1940年，在1960年后，随着集成电子技术的发展，运算放大器的成本逐渐下降，成为电子产品中普遍使用的器件。运算放大器简称运放，是利用集成电路工艺将一个差分输入、多级、直接耦合、高增益的放大电路集成到一个单芯片电路中^[5]。在运放的输入和输出之间接入不同的反馈网络，很容易实现不同用途的电路，如实现信号的放大、信号运算（加、减、乘、除等）、信号处理（滤波、调制）。以下罗列了几点运算放大器的优点：

（1）由于电路的设计简单，安装和调试很方便，要实现各种输入输出的放大关系，一般只要恰当的连接其他元件即可。

（2）构成的放大电路工作状态下的深度负反馈的闭环状态，是因为运放的开环增益都是很高的，表现出性能的稳定、非线性失真小。

（3）很适合于各种微弱的信号仿真，主要在于运放过程输入的阻抗高、漂移和失调量小的原因。还有，对于温度的变换、电源的波动变换和外界的干扰性都有着强大的抑制能力，体现在很高的共模抑制比值。

基于以上分析本文利用运算放大器设计高增益的放大电路。经过多年的发展，目前运放已经经历了四代产品，也有多个种类可供选择。按照供电的方式可将运放分为双电源供电和单电源供电，双电源供电又分为正负对称型和不对称型供电。按照集成度可分为单运放、双运放和四运放。按照制作工艺可分为双极型、CMOS型和BiMOS型。本文考虑了系统的需求，选取了运放LM358，该运放是常见的双运算放大器，可以采用双电源供电，同时也可使用单电源供电，有着广阔的市场前景。

本文利用仿真软件Multisim对设计的电路进行仿真分析。Multisim是由美国国家仪器（NI）推出的基于工业标准的SPICE仿真软件^[6]，包含大量的模拟电子器件和数字电子器件，大多数器件根据实际器件设计，仿真具有很强的可靠性，是目前仿真电子电路、模拟电路、数字电路和模拟/数字混合电路最有效地工具^[7]。通过Multisim仿真能检验设计的放大电路是否能满足LED检测电路的各项要求。

3.2 比例放大电路

比例放大电路包括同相比例放大电路和反相比例放大电路两种，其基本原理是运放的特性“虚短虚断”，虚短是因为运放开环电压放大倍数很大，两输入端的电位几乎相等。虚断是指运放的差模输入电阻很大，可把运放的两端等效为开路。但在实际系统中，电阻取值为千欧级别，比例放大电路不能实现高倍数放大，为了实现10000倍的放大，需要使用多级放大。本系统采用两级放大电路，前级放大电路和后级放大电路分别放大100倍，两级相乘后可实现10000倍的放大。如图2所示。为了实现放大倍数可以调节，电阻R2采用电位计，当电位计位于中间位置即100kΩ时，放大倍数为10000倍，当大于100kΩ时，放大倍数也将增加。

 

图2  两级比例放大电路图

当输入信号为0.1mV的正弦波时，仿真波形如图3所示。两级比例放大电路的输出电压为1V的正弦波，可以实现10000倍的放大。且输入电压为0时，输出电压小于100mV。虽然比例放大电路简单实用，在仿真中也满足系统需求，但一般不适用与放大微小的信号^[5]。在LED检测系统中，LED在受激励源作用时两侧的电压信号很小，使用比例放大电路进行放大时，很容易受共模信号等干扰的影响，放大电路的输出存在很大的干扰量，系统的检测精度受到影响。

 

图3  两级比例运放电路仿真波形图

3.3测量放大电路

测量放大电路又称仪表放大器，常用于热电偶、生物电、应变桥等传感器的检测中，与普通的放大电路不同，仪表放大器具有高增益、差分输入、单端输出、高输入阻抗和共模抑制比的特定，特别适合用于缓变微弱的信号检测。测量放大器所采用的基础元件是普通的运算放大器。运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定。而测量放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比。它们通常不需要外部反馈网络。

同相并联式高阻抗测量放大器电路，具有输入阻抗高、漂移互相补偿、双端变单端以及输出不包括共模信号的优点。线路前级为同相差动放大结构，要求两个运放的结构完全相同。线路除了具有差模、共模输入电阻大的特点外，两运放的共模增益、失调以及漂移产生的误差也相互抵消，因此不需要精密的匹配电阻，更适合应用于实际的系统中。后级运放用来抑制共模信号，并将双端输出转变为单端放大输出，适合接地负载的需要。

 

图4  测量放大电路图

为了能够检测在激励源作用下被测LED产生的电压差值，本文设计了测量放大电路如图4所示。该测量放大器由运放U1A和U2A按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放U3A组成第二级差分放大电路，第一级放大电路中由R5、R6、R7组成负反馈网络。设输入的端点电压分别为V1和V2。第一级放大电路的输出电压为U12，则第一级放大电路输出电压

由第二级差分放大电路中的反相比例放大电路可得

综合上述推到可得

各个电阻取值如图所示，可知当R5取值为10k时放大倍数为10000倍。当滑动电位计，R5的取值减小时，则放大倍数将大于10000倍，可以满足LED封装检测系统的需要。利用Multisim仿真的波形如图5所示，输入正弦波电压的幅值为0.1mv，放大后输出的电压幅值为1V，满足系统要求。

 

图5  测量放大电路的仿真波形

第四章 检测与控制系统设计

4.1 AD芯片的选取

利用上一章的测量放大电路将激励源作用下LED 两侧微弱的电压信号进行放大后，需要进行AD采样，将模拟信号转变成计算机能够处理的数字信号。由于51系列单片机没有自带AD采样的功能，因此需要外接AD采样芯片实现数模转换。目前AD采样种类很多，主要包括并联比较型和反馈比较型两种。其中反馈比较型比较常用的有双积分型和逐次比较型两种。双积分A/D转换器，优点是精度高，抗干扰性好，价格便宜，但速度慢；逐次逼近法A/D转换器，精度，速度，价格适中；并行A/D转换器，速度快，价格也昂贵。因此使用较多的是逐次比较型AD。

为了选取合适的采样芯片主要考虑AD采样芯片的分片率。分辨率说明了AD芯片对输入信号分辨的能力，通常以输出二进制的位数表示。从理论上讲，n位输出的AD芯片能区分个不同等级的输入模拟电压，也就是说能区分输入电压的最小值为最大输入电压的。在最大输入电压一定时，输出位数越多，量化单位越小，分辨率越高。此外转换误差、转换精度和转换时间也要根据需要进行考虑。

ADC0808和ADC0809是常用的逐次比较型AD转换芯片，其主要特点是芯片内部有多路模拟开关，可以实现8路信号的逐次采样。对于需要多路采样的系统中，因此采用ADC0809可以减少模拟开关的使用。但是本系统需要实现精确的电压采样，ADC0809的采样精度只能达到8位。因此不能满足本系统的需求。为了实现对放大电路的精确采样，本文选取12位的并行接口的逐次逼近型 AD转换芯片AD1674，该芯片从12位AD芯片AD574A/674A改进而来^[6]，与其他AD芯片相比，该芯片的转换速度有很大提高，还增加了采样保持器，内置10伏基准电压源，内置时钟无需外部时钟。

4.2 AD转换控制程序流程图

AD1674采用可控三态数据锁存器，可以直接与单片机接口相连，由于51单片机的数据总线是8位的，而AD1674的A/D转换结果是12位的，因此单片机经两次读操，分别读取高8位和低8位得到采样结果。单片机与AD芯片通信时需要查询AD的工作状态，当AD转换完成后将AD的结果读出并启动下一次转换。AD1674中的STS引脚能指示芯片的工作状态，当芯片处于工作状态时STS引脚为高电平。当转换完成时，STS引脚为低电平。因此可以在单片机中采用查询或中断的方式判断转换是否完成。由于AD1674的转换速度很快，从启动到完成不超过10us，因此本系统采用查询的方式判断AD芯片是否转换完成，如果转换完成，则读取采样结果。设从AD芯片读取的数值为N，则对应的输入信号的电压值为。单片机控制AD采样过程的程序流程图如图6所示。

图6  单片机控制采样的流程图

4.3 单通道采样仿真

4.3.1 Proteus软件简介

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司开发的电子电路设计分析软件。包括ISIS和ARES两个组成部分^[8]，ISIS是高效的电子电路仿真软件，不仅具有其他仿真软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。ARES是一款高级的布线编辑软件，集成了混合弄湿SPICE电路仿真、PCB设计以及自动布线。通过Proteus能完成一个完整的电子设计。

PROTEUS ISIS的仿真功能引起了电子设计者的广泛关注，使用该仿真软件用户可以对模拟电路、数字电路、数模混合电路和微控制器组成的系统进行仿真，与其他的仿真软件相比，这种系统级的仿真更加接近于实际系统。Proteus软件的模拟仿真器件直接兼容厂商的SPICE模型，能够进行频率特性分析、参数的扫描、噪声的分析、傅里叶分析等。Proteus软件支持多种微控制器，如PIC、AVR、HC11以及89C51；为了能够对微控制器的编程分析，Proteus支持对IAR、Keil等开发工具的源程序进行调试，实现对Keil的联合仿真。使用Proteus仿真能检查系统中的错误，避免直接进行硬件调试时出现的问题。本文利用Proteus仿真单片机控制AD采样。

4.3.2 AD转换电路及仿真

在仿真软件Proteus中建立单片机的仿真系统，如图6所示单片机控制AD1674采样，将采样结果通过4位数码管显示。因为系统中测量放大电路的输出电压在5V以内，因此AD信号的输入端口选择10V范围内模拟量的输入端10VIN，利用电位计模拟放大电路的输出。在Keil μVision3中编写程序，将生成的hex文件导入到单片机的仿真系统中。系统仿真图如图7所示。

 

图7  Proteus仿真单片机采样电路

依次改变电位计的电阻值，即改变AD1674的输入电压，观察采样采样结果，结果如表1所示。由表1的结果可见，显示的结果与输入电压一致，采样精度能满足系统的要求

表1  单通道采样结果

电位计的位置	采样输入电压（V）	数码管显示结果（V）
5%	0.5	0.50
8%	0.8	0.80
17%	1.7	1.70
25%	2.5	2.50
32%	3.2	3.20
45%	4.5	4.50

将第二章设计的高增益测量放大电路添加到单片机采样系统中，如图8所示。使用电位计RV8分压电源模拟LED的两侧的电压信号，测量放大电路将电压信号放大10000倍后输入到采样芯片AD1674中，单片机读取采样结果后利用四位数码管显示。

 

图8  Proteus仿真采样电路和测量放大电路

随机改变电位计的电压值，显示结果如表2所示，采样显示的值正好是输入电压的10000倍，利用Proteus仿真电路验证了测量放大电路、AD检测电路和单片机控制的正确性，满足系统的需求。

表2  测量放大电路和采样显示电路检测结果

电位计的位置	采样输入电压（V）	数码管显示结果（V）
12%	0.00006	0.60
25%	0.000125	1.26
53%	0.000265	2.65
67%	0.000335	3.36
85%	0.000425	4.26

4.4 多路采集

4.4.1检测总程序流程图

由于多路检测时，为了能够使用一个A/D转换芯片实现对多个通道的检测，需要使用多路模拟开环，且各路需要依次进行转换，系统的流程图如图9所示，当启动检测后，首先检测第一通道的LED，检测完成后与设置电压值比较，当超过正常值时则相应的指示灯亮，提示操作人员。每个通道检测完成后自动启动下一通道的检测。当检测完10通道后，程序停止检测，操作人员更换检测的LED芯片。

图9  检测系统流程图

4.4.2 模拟开关简介

为了实现一个AD芯片对多路信号的采样，本系统采用多路模拟开关，多路转换开关在模拟输入通道中的作用是实现多选一操作^[9]，即利用多路转换开关将多路输入中的一路接至后续电路。通过单片机控制进行采样的管脚。常用的模拟开关大都采用CMOS工艺，如8选1开关CD4051、双4选1开关CD4052、三3选1开关CD4053等。本设计是实现10路以上的数据采样，因此需要选取10位以上的模拟开关，在模拟多路开关中，不可避免导通电阻R_on的存在。R_on对信号电压造成分压，模拟开关的输出电压比实际电压低。在实际设计中需要考虑模拟开关的导通电阻对系统电压造成的影响^[10]。本文选取十六路模拟开关CD4067，该模拟开关的导通电阻为5Ω，对采样电压造成的影响不大，可以忽略不计。CD4067是单16通道模拟开关，引脚图如图10所示，引脚C是选通使能引脚，只有该引脚为低电平时，选通输入有效，具体选择哪一路由四位地址码ABCD决定，当某位引脚被选通时，该引脚与输出引脚接通，输入到精密放大电路中。当引脚C为高电平时，无论ABCD取何值，选通都无效。

 

图10  CD4067引脚图

4.4.3 多路AD采集电路与仿真

在LED封装可靠性检测系统中需要同时检测10路信号，而AD采样芯片只有一个，因此需要使用单片机控制模拟开关选择采样通道。如图11所示，图中使用电位计RV0代替测量放大电路的输出。

通过程序设置一个报警电压值，改变电位计的阻值，当电位计的分压电压值超过报警电压值时，响应的报警电路指示灯亮。

 

图11  系统整体电路图

 

当选定2.5V位报警电压值，改变电位计的阻值，观察报警电路的LED的变化，结果如表3所示。由表可见，多路选择开关能够实现通道的选通功能，将响应的电路输入到AD采样电路中，在单片机中设置响应的报警值，即可实现检测LED的好坏并报警。

表3  多路采集结果

电位计的位置	输出电压值	LED报警电路
12%	0.6	不亮
25%	1.26	不亮
53%	2.65	亮
67%	3.36	亮

第五章 结论

在LED封装过程中检测出存在缺陷的LED产品，避免缺陷产品进入后续的工序，对于降低生产成本，提高系统效率有重要意义。本文使用51系列单片机AT89C52做控制器建立了LED封装可靠性检测系统，设计里高增益的测量放大电路，对激励源作用下LED两侧的电压进行10000倍的放大。选取12位高精度采样芯片AD1674，对放大后的电压进行数模转换。为实现10路采样，通过单片机控制16选1的模拟开关CD4067，通过模拟开关切换采样通道。通过仿真软件Multisim和Proteus对测量放大电路和单片机采样电路进行了仿真验证。本文设计的LED检测系统能同时检测多个LED芯片是否存在缺陷，对实现封装过程中检测出缺陷LED有较大的参考价值。

致谢： 

六月的阳光是灿烂的，即将毕业的我们心情却是复杂的。首先，我要感谢我的导师，从开题指导、论文框架一直到细节的修改，都给予细致的批注指导，让我在选材的时候少走了许多的弯路。印象中，陈军老师是一个学识渊博、处事细致严谨、工作兢兢业业，更是一个说一不二的一个人，让我由衷的尊敬和喜欢他。在此，我衷心地感谢他一路的鼓励和悉心的教导。

在这里，我也要感谢我的学校，给了我们这样一个优越的学习环境，让我们更好的完成了学业，收获了青春的果实。当然，实习的过程中也认识了许许多多的良师益友，他们的帮助也是我完成论文的一部份，在此，感谢一路上陪伴过的人，谢谢！

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