簡(jiǎn)易LED光電特性測試裝置設計

摘要：以基于Cortex-M3內核的32位STM32微處理器為控制核心，外接可控恒流源電路和顏色傳感器等部件，組成了簡(jiǎn)易的LED光電特性測試裝置，結構簡(jiǎn)潔，成本低廉，在LED特性的研究上有較高的實(shí)用價(jià)值。

1.引言

LED(Light-Emitting-Diode)，即發(fā)光二極管，以其高效、節能、環(huán)保、壽命長(cháng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)正在逐步取代傳統的白熾燈、熒光燈，成為新一代照明光源。各國政府均大力扶持白光LED的發(fā)展，美、日、歐盟等發(fā)達國家皆由政府成立專(zhuān)項積極推行。隨著(zhù)LED應用范圍的擴大，用戶(hù)對產(chǎn)品質(zhì)量也有了更高的要求，不僅要求其發(fā)光亮度和波長(cháng)等光特性具有一致性，對其正向工作電壓和電流等電特性也有嚴格的要求。因此，研究LED光電參數的測試儀器，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本具有著(zhù)重要的意義。

專(zhuān)用的LED光電特性測試設備結構復雜，特別是光學(xué)特性測試要用到光譜儀、光度計等，雖然儀器有著(zhù)精度高的特點(diǎn)，但仍然具有結構復雜、成本高、體積較大，攜帶和使用很不方便，系統穩定性受到限制等缺點(diǎn)，因此這種儀器只能停留在大型分析測試實(shí)驗，應用范圍難以擴展。

研制一種小體積、低價(jià)格，精度雖不很高，但能滿(mǎn)足一般性要求的LED光電測量?jì)x器成為目前儀器發(fā)展的一個(gè)趨勢。

雖然LED的光電特性參數很多，但對大多數用戶(hù)來(lái)說(shuō)，主要是關(guān)心LED伏安特性及LED發(fā)光亮度與電流的關(guān)系，因此本文所設計的系統主要是完成這兩項參數的測試，另外通過(guò)簡(jiǎn)單的軟硬件擴展，還可測試得到LED的相關(guān)色溫、主波長(cháng)、光強分布等參數，用于LED的特性研究及驅動(dòng)電路的設計等應用開(kāi)發(fā)。

2.系統原理與組成

整個(gè)系統主要由STM32微處理器，光學(xué)測量模塊，恒流驅動(dòng)模塊，LCD液晶顯示模塊，按鍵控制模塊等組成，如圖1所示。

由按鍵或LCD上的觸摸屏控制STM32微處理器，內部的D/A轉換器產(chǎn)生控制電壓，該電壓控制外部的恒流驅動(dòng)電路產(chǎn)生LED工作所需的恒定電流加到待測LED上，LED上產(chǎn)生的電壓降經(jīng)信號放大調整電路后被STM32內部的A/D轉換器采集，從而測得LED的伏安特性。另外，通過(guò)光學(xué)測量模塊測量LED發(fā)出的光線(xiàn)轉換成數字信號，由STM32采集處理，從而測得LED的發(fā)光亮度等光學(xué)特性。

2.1 STM32微處理器

微處理器是整個(gè)控制系統的核心，它控制恒流驅動(dòng)電路輸出設定的電流，采集LED的電壓，測量光學(xué)測量模塊的數據，進(jìn)行數據處理，控制算法運算，顯示控制等。為了保證系統的實(shí)用性和易擴展性，本控制系統采用意法半導體推出的“增強型”系列STM32F103RCT6,32位ARM Cortex-M3內核，工作頻率最高可達72MHz,內置高速存儲器(高達128K字節的閃存和20K字節的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線(xiàn)的外設，16路12位的ADC和2路12位的DAC,3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標準和先進(jìn)的通信接口：多達2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN,在存儲容量和運算速度方面滿(mǎn)足要求。在本設計中，采用STM32自身的ADC和DAC模塊，極大的降低了系統成本。

2.2 恒流驅動(dòng)電路

恒流驅動(dòng)電路的核心是V / I轉換電路，如圖2所示，Vin是STM32內部D/A輸出的電壓，RL是負載，即待測的LED,Rs為電流取樣電阻，用于控制輸出電流的大小，U1是大功率運算放大器。

由圖2可知，若電阻R1和R2比Rs和RL大得多，則在理想情況下可得到

由公式2 可見(jiàn)， 輸出電流與負載無(wú)關(guān)，在固定取樣電阻Rs的情況下，輸出電流與輸入控制電壓成正比。但在應用中要注意，兩個(gè)輸入電阻R3和R4及兩個(gè)反饋電阻R1和R2必須嚴格匹配，否則會(huì )帶來(lái)較大誤差。Rs也要采用精密功率電阻。另外也可以在系統調試時(shí)在軟件中做補償校準以確保輸出電流精度。

圖2中的運算放大器OPA548是一種高電壓、大電流型功率運算放大器，具有優(yōu)良小信號放大性能，用其驅動(dòng)多種負載非常理想。電源電壓(+VS~-VS)60V,可單電源或雙電源工作。輸入阻抗高，偏置電流小?？蛇B續輸出3A大電流(峰值電流高達5A)，而且內部具有過(guò)溫和電流過(guò)載保護，用戶(hù)可以根據需要進(jìn)行精密的限流設計2.3 光學(xué)測量模塊

本設計中采用新型的顏色傳感器TCS3200進(jìn)行LED光學(xué)特性的測量，能夠同時(shí)測量LED發(fā)光中所含的三基色亮度。TCS3200是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)在單一芯片上集成了紅綠藍(RGB)三種濾光器，是業(yè)界第一個(gè)有數字兼容接口的RGB彩色傳感器。

TCS3200的輸出信號是數字量，可以驅動(dòng)標準的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數字量，并且能夠實(shí)現每個(gè)彩色信道10位以上的轉換精度，因而不再需要A/D轉換電路，使電路變得更簡(jiǎn)單。圖3是TCS3200的引腳和功能框圖。