用于壓力測(cè)量和帶壓力壓力測(cè)量的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)介

自動(dòng)測(cè)試設(shè)備用于測(cè)試離散設(shè)備，集成電路和混合信號(hào)電路的直流參數(shù)，交流參數(shù)和功能。主要是通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)軟件來(lái)控制測(cè)試設(shè)備的各個(gè)單元自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，以確定被測(cè)設(shè)備是否滿(mǎn)足設(shè)備規(guī)格要求。

自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的組成

自動(dòng)測(cè)試設(shè)備主要由精密測(cè)量單元（PMU），設(shè)備電壓源（DPS），電壓和電流源（VIS），參考電壓源（VS），音頻電壓源（AS），音頻電壓表（AVM）組成），時(shí)間測(cè)量單元（TIMER），繼電器矩陣，系統(tǒng)總線(xiàn)控制板（BUS），計(jì)算機(jī)接口卡（IFC）和其他部件。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本文主要介紹電壓電流源部分的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)。

電壓和電流源的基本原理

電壓電流源是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)必不可少的部分，它可以向被測(cè)設(shè)備施加準(zhǔn)確的恒定電壓或恒定電流，并可以回測(cè)其相對(duì)電流值或電壓值。因此，電壓源和電流源主要具有以下兩種工作模式：

（1)FVMI模式。在FVMI模式下，驅(qū)動(dòng)電壓值通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）提供給輸出驅(qū)動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)電流由采樣電阻采樣并轉(zhuǎn)換為電壓通過(guò)差動(dòng)放大器，電流值由ADC讀取，舌簧值可根據(jù)負(fù)載進(jìn)行設(shè)定，鉗位電路起到限流保護(hù)的作用，當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)鉗位值時(shí)，VIS輸出變?yōu)楹懔髟矗敵鲭娏鳛殂Q位電流，測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)鉗位值自動(dòng)選擇測(cè)量流量范圍。

（2)增加電流和電壓測(cè)量（FIMV）模式。在FIMV模式下，驅(qū)動(dòng)電流值通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）提供給輸出驅(qū)動(dòng)器；電壓由ADC讀取?？筛鶕?jù)負(fù)載設(shè)定鉗位值當(dāng)負(fù)載電壓超過(guò)鉗位值時(shí)，VIS輸出成為恒壓源，輸出電壓為鉗位電壓，測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)鉗位自動(dòng)選擇壓力測(cè)量范圍值。

圖2是電壓和電流源的邏輯框圖。

3電壓和電流源的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

電壓和電流源的基本電路如圖3所示。左半部分是電壓和電流源的加壓電流電路，右半部分是測(cè)試電路。

該電路由一個(gè)主運(yùn)算放大器，一個(gè)電流擴(kuò)展電路，一個(gè)范圍電阻器，一個(gè)反饋環(huán)路和一個(gè)差分運(yùn)算放大器組成。該電路簡(jiǎn)單實(shí)用。繼電器K1用于在壓力和電流之間切換。 K1打開(kāi)時(shí)，用于施加電壓； K1閉合時(shí)，用于施加電流。 K8是用于電流測(cè)量和壓力測(cè)量的開(kāi)關(guān)。 K8打開(kāi)時(shí)，用于在施加電壓的同時(shí)測(cè)量電流。當(dāng)K8閉合時(shí)，用于在施加電流的同時(shí)測(cè)量電壓。運(yùn)算放大器U3作為用于控制鉗位電壓的減法電路連接。主運(yùn)算放大器U1之后是電流擴(kuò)展電路，該電路由推挽形式組成，以增加電路的輸出電流。范圍網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)不同級(jí)別的電阻組成，可以通過(guò)繼電器K2至K7切換測(cè)試范圍。反饋回路由一個(gè)由運(yùn)算放大器組成的跟隨器組成。測(cè)試電路采用差分電路的形式，以提高測(cè)試精度并降低電路的共模增益。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是壓力電流測(cè)量電路和壓力電流測(cè)量電路很好地集成在一起。只需切換一個(gè)繼電器即可實(shí)現(xiàn)壓力和電流之間的切換，從而節(jié)省了壓力電流的測(cè)量。每個(gè)人都需要一組電路來(lái)增加電流和壓力測(cè)量的麻煩，并且還節(jié)省了很多組件。

4工作原理

4.1測(cè)試原理

以下以FIMV（相加電流和壓力測(cè)量）為例來(lái)說(shuō)明電路原理。在FIMV模式下，電路如圖4所示簡(jiǎn)化。

因?yàn)樵撾娐芬肓素?fù)反饋，所以U1形成同相求和電路，而U2形成電壓跟隨器。令R1 = R2 = R3 = R4 = R。

由于UN1 = UP1，從公式[1)（3)中，我們可以得出：VIN = UO1-URO。即，施加到范圍電阻兩端的電壓值等于輸入電壓由于U2的P2端子是虛擬的，流經(jīng)RO的電流大部分流入RL，因此該電路可以提供穩(wěn)定的電流。只要測(cè)試URO端子上的電壓，負(fù)載在施加的電流下的電壓可以進(jìn)行測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)增加的電流和電壓測(cè)量。

壓力測(cè)量基本上類(lèi)似于壓力測(cè)量，因此在此不再贅述。

4.2夾緊的實(shí)現(xiàn)

該電路可以通過(guò)程序設(shè)置的鉗位電壓或電流值執(zhí)行電壓或電流限制保護(hù)。當(dāng)電路檢測(cè)到的電壓或電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，電路將進(jìn)行自我保護(hù)。自我保護(hù)過(guò)程如下：施加電流和測(cè)量電壓時(shí)，控制鉗位DAC的輸入值并更改量程電阻，設(shè)置輸出鉗位電壓，然后將增加電流模式切換到加壓模式，然后進(jìn)行實(shí)測(cè)。電壓值返回鉗位電壓值。當(dāng)施加壓力進(jìn)行電流測(cè)量時(shí)，量程電阻切換到最大量程，壓力模式切換到增大電流模式。通過(guò)控制鉗位DAC的輸入值并更改范圍電阻，可以輸出設(shè)置的鉗位電流，并且測(cè)得的電壓流將返回鉗位電流值。

4.3范圍計(jì)算

測(cè)試不同的電壓或電流值需要不同的范圍值，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，有必要在測(cè)試前選擇范圍。范圍的選擇可以通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)。

壓力流量測(cè)量時(shí)范圍選擇的計(jì)算公式為：

在公式中，MAX_V是主運(yùn)算放大器的最大輸出電壓，F(xiàn)V是施加的電壓值，Ri是設(shè)置的鉗位電流值，Rf是范圍電阻。 Rf的實(shí)際值是計(jì)算出的Rf的下一個(gè)級(jí)別（例如，如果計(jì)算出的Rf = 1.6k，則實(shí)際R應(yīng)該是1k（如果下一個(gè)級(jí)別是1k）。

添加電流和壓力測(cè)量值時(shí)范圍選擇的計(jì)算公式為：

在公式中自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，MAX_V是主運(yùn)算放大器的最大輸出電壓，Rv是設(shè)置的鉗位電壓值，F(xiàn)i施加的電流值，Rf是范圍電阻。 Rf的實(shí)際值是計(jì)算出的Rf的下一級(jí)。

5電路的改進(jìn)

在此電路中，輸出端子直接連接到負(fù)載。在測(cè)試小電阻時(shí)，由于線(xiàn)路損耗會(huì)導(dǎo)致測(cè)試錯(cuò)誤。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以使用開(kāi)爾文電橋連接方法將輸出端子連接到負(fù)載。終端采用四線(xiàn)連接（電路輸出的兩端分別通過(guò)一對(duì)“施加線(xiàn)”和“傳感線(xiàn)”連接到負(fù)載）。

6個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)際測(cè)試中，運(yùn)算放大器可以選擇具有低失調(diào)電壓和低溫度漂移的高精度運(yùn)算放大器，例如OP07。采樣電阻器使用具有2ppm和0.01％的低溫漂移的高精度電阻器。運(yùn)算放大器電源使用雙24V電源，而電流擴(kuò)展電路使用雙36V電源。電壓和電流源的范圍為0V至21V，電流范圍為0mA至200mA。電壓測(cè)量和電流測(cè)量的精度大于0.1％（DAC和ADC均為16位數(shù)據(jù)位）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電壓電流源的施加和測(cè)量速度快，精度高，適合于集成電路參數(shù)的快速檢測(cè)。