增大電流和壓力測量的壓力測量自動測試設(shè)備的設(shè)計-全文

0 前言

自動測試設(shè)備用于測試分立器件、集成電路和混合信號電路的直流參數(shù)、交流參數(shù)和功能。主要通過測試系統(tǒng)軟件來控制測試設(shè)備的各個單元對被測器件進行測試，以確定被測器件是否符合器件規(guī)格。

1 自動測試設(shè)備組成

自動測試設(shè)備主要由精密測量單元（PMU）、器件電壓源（DPS）、電壓電流源（VIS）、參考電壓源（VS）、音頻電壓源（AS）、音頻電壓表（AVM）、時間測量單元（TIMER）、繼電器矩陣、系統(tǒng)總線控制板（BUS）、計算機接口卡（IFC）等部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本文主要介紹電壓源和電流源部分的設(shè)計原理和實現(xiàn)。

2 電壓源和電流源的基本原理

電壓電流源是自動測試系統(tǒng)中不可缺少的部分?？蓪Ρ粶y器件施加精確的恒壓或恒流，并可回測其相對電流值或電壓值。因此，電壓源和電流源主要有以下兩種工作模式：

（1)壓力電流測量（FVMI）模式。在FVMI模式下，驅(qū)動電壓值通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）提供給輸出驅(qū)動器；驅(qū)動電流由采樣電阻采樣，通過差分放大器轉(zhuǎn)換成電壓值，再由ADC讀回電流值，簧片值可以根據(jù)負載設(shè)定，鉗位電路在這里起到限流保護的作用，當負載電流超過規(guī)定值時鉗位值，VIS輸出成為恒流源，輸出電流為鉗位電流：測試系統(tǒng)根據(jù)鉗位值自動選擇測量流量范圍。

(2)新增電流電壓測量(FIMV)模式。在FIMV模式下，驅(qū)動電流值通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)提供給輸出驅(qū)動器；電壓由ADC讀回.鉗位值可以根據(jù)負載設(shè)置，鉗位電路在這里起到限壓保護的作用，當負載電壓超過鉗位值時，VIS輸出成為恒壓源，輸出電壓為鉗位電壓. 測試系統(tǒng)根據(jù)鉗位值自動選擇壓力測量范圍。

圖2是電壓源和電流源的邏輯框圖。

3 電壓源和電流源的設(shè)計細節(jié)

電壓電流源的基本電路如圖3所示，左半部分為電壓電流源的加壓電流電路，右半部分為測試電路。

該電路由主運算放大器、電流擴展電路、量程電阻、反饋回路和差分運算放大器組成。該電路簡單實用。繼電器 K1 用于在壓力和電流之間切換。K1開路時用于施加電壓，K1閉合時用于施加電流。K8是電流和壓力測量的開關(guān)。K8 開路時，用于測量施加電壓時的電流。當 K8 閉合時自動測量設(shè)備，用于在施加電流的同時測量電壓。運算放大器U3作為減法電路連接以控制鉗位電壓。主運放U1后接電流擴展電路，由推挽形式組成，增加電路的輸出電流。量程網(wǎng)絡由多個不同等級的電阻組成，測試量程可通過繼電器K2～K7切換。反饋回路由運算放大器組成的跟隨器組成。測試電路采用差分電路形式自動測量設(shè)備，提高測試精度，降低電路共模增益。

該電路的優(yōu)點是壓力電流測量電路和電流增加壓力測量電路很好地集成在一起。只需一個繼電器即可在壓力和電流增加之間切換，節(jié)省了壓力電流測量和增加電流。每次壓力測量都需要一套電路，繁瑣，但也節(jié)省了大量元件。

4 工作原理

4.1 測試原理

下面以FIMV（加電流和壓力測量）為例來說明電路的原理。在 FIMV 模式下，電路被簡化，如圖 4 所示。

由于電路引入了負反饋，U1形成同相求和電路，U2形成電壓跟隨器。設(shè) R1=R2=R3=R4=R。

由于UN1=UP1，由公式(1)(3)我們可以得到：VIN=UO1-URO。即量程電阻兩端的電壓值等于輸入由于U2的P2端虛擬中斷，所以大部分流過RO的電流流入RL，所以電路可以提供穩(wěn)定的電流，只要測試URO端的電壓，就可以得到可測試施加電流下的負載，從而實現(xiàn)加電流的電壓測量。

測壓和測壓基本類似，這里不再贅述。

4.2 鉗位的實現(xiàn)

該電路可以通過程序設(shè)置的鉗位電壓或電流值進行限壓或限流保護。當電路檢測到的電壓或電流超過設(shè)定值時，電路會自我保護。自保護過程如下：當施加電流并測量電壓時，控制鉗位DAC的輸入值并改變量程電阻，設(shè)置輸出鉗位電壓，然后電流增加模式為切換到壓力模式，測得的電壓值回到鉗位電壓值。當施加壓力進行電流測量時，量程電阻切換到最大量程，壓力模式切換到增加電流模式。通過控制鉗位DAC的輸入值和改變量程電阻，

4.3 范圍計算

測試不同的電壓或電流值需要不同的量程值，以保證測試結(jié)果的準確性。因此，需要在測試前選擇量程，量程的選擇可以通過程序來實現(xiàn)。

壓力流量測量時量程選擇計算公式為：

式中MAX_V為主運放的最大輸出電壓，F(xiàn)V為外加電壓值，Ri為設(shè)定鉗位電流值，RF為量程電阻。實際Rf值是計算出的Rf的下一級（比如計算出的Rf=1.6k，那么實際的R應該是1k（如果下一級是1k）。

添加電流和壓力測量時量程選擇的計算公式為：

式中MAX_V為主運放的最大輸出電壓，Rv為設(shè)定的鉗位電壓值，F(xiàn)i施加的電流值，Rf為量程電阻。Rf 的實際值是計算出的 Rf 的下一級。

5 電路的改進

在該電路中，輸出端直接連接到負載。測試小電阻時，會因線損而產(chǎn)生測試誤差。因此，在實際設(shè)計中，可以采用開爾文橋接法將輸出端連接到負載。接線（電路輸出的兩端用一對“施加線”和“感測線”連接到負載）。

6 實驗結(jié)果

在實際測試中，運放可以選擇低失調(diào)電壓、低溫漂的高精度運放，如OP07。采樣電阻采用2ppm低溫漂移、0.01%高精度電阻。運放電源采用雙24V電源，電流擴展電路采用雙36V電源。電壓和電流源的范圍可以從 0V 到 21V，電流范圍可以從 0mA 到 200mA。電壓測量和電流測量精度大于0.1%（DAC和ADC均為16位數(shù)據(jù)位）。實驗結(jié)果表明，該電壓源和電流源應用速度快，測量速度快，精度高，適用于集成電路參數(shù)的快速檢測。