集成運放參數(shù)測試儀校準裝置的開發(fā)

設(shè)計背景

集成運算放大器（以下簡稱集成運放）以小尺寸、輕重量、低功耗、高可靠性等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于眾多軍用和民用電子系統(tǒng)，是構(gòu)成智能武器裝備電子系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。近年來，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成運放無論在技術(shù)性能上還是在可靠性上都日趨完善，并在我國軍用系統(tǒng)中被大量使用，其質(zhì)量的好壞，關(guān)系到具體工程乃至國家的安危。

隨著集成運算放大器參數(shù)測試儀（以下簡稱運放測試儀）在國防軍工和民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其質(zhì)量問題顯得尤為重要。傳統(tǒng)的運放測試儀校準方案已不能滿足國防軍工的要求，運放測試儀的校準問題面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，如何規(guī)范和提高運放測試儀的測試精度，保證軍用運放器件的準確性是目前應(yīng)該解決的關(guān)鍵問題。

目前，國內(nèi)外運放測試儀（或者模擬器件測試系統(tǒng)）主要存在以下幾種校準方案：校準板法、標準樣片法和標準參數(shù)模擬法。各校準方案校準項目、優(yōu)缺點和相關(guān)情況的比較如表1所示。

比較以上三種方案可知，前兩種方法只是校準儀器內(nèi)部使用的PMU單元、電流源、電壓源等，并不涉及到儀器本身閉環(huán)測試電路部分，局限性很大，很難保證運放測試儀的集成運放器件參數(shù)測試精度。而標準參數(shù)模擬法直接面向測試夾具，其校準方法具有一定可行性，只是在校準精度、通用性、測試自動化程度等方面需要進一步的研究。因此，通過對標準參數(shù)模擬法加以改進，對運放測試儀進行校準，開發(fā)出集成運放參數(shù)測試儀校準裝置，在參數(shù)精度和校準范圍上，能滿足國內(nèi)大多數(shù)運放測試儀；在通用性上，能夠校準使用“閉環(huán)測試原理”的儀器。

系統(tǒng)性能要求

本課題的主要任務(wù)是通過研究國內(nèi)外運放測試儀的校準方法，改進實用性較強的標準參數(shù)模擬法，用指標更高的參數(shù)標準來校準運放測試儀，實現(xiàn)運放測試儀的自動化校準以及校準原始記錄、校準證書的自動生成等。

表2為本課題中研制的集成運放參數(shù)測試儀校準裝置與市場上典型運放測試儀的技術(shù)指標比較情況。從表2可以看出，校準裝置技術(shù)指標可以校準市場上的典型運放測試儀。

校準裝置的硬件設(shè)計方案

校準方案覆蓋了市場上運放測試儀給出的大部分參數(shù)，其中包括輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流等10個參數(shù)。通過研究集成運放參數(shù)“閉環(huán)測試原理”可知：有的參數(shù)校準要用到“閉環(huán)測試回路”，有的直接接上相應(yīng)的標準儀器進行測量即可實現(xiàn)對儀器的校準。對于用到“閉環(huán)測試回路”的幾個參數(shù)而言，主要通過補償電源裝置和模擬電源裝置來校準。運放測試儀總體校準方案如圖1所示。

圖1 運放測試儀總體校準框圖

1 校準電路設(shè)計

輸入失調(diào)電壓VIO的定義為使輸出電壓為零（或者規(guī)定值）時，兩輸入端所加的直流補償電壓。集成運放可模擬等效為輸入端有一電壓存在的理想集成運算放大器，校準原理如圖2所示。通過調(diào)節(jié)補償電源裝置給輸入一個與VIO電壓等量相反的電壓V補，輸入就可等效為V=VIO+V補=0，則被測集成運放與接口電路等效為一輸入失調(diào)電壓為零的理想運算放大器。然后，調(diào)節(jié)模擬電源裝置，給定模擬標準運放輸入失調(diào)電壓參數(shù)值。通過數(shù)字多用表讀數(shù)與被校運放測試儀測試值比較，計算出誤差值，完成VIO參數(shù)校準。

圖2 輸入失調(diào)電壓參數(shù)VIO校準原理圖

2 單片機控制電路設(shè)計

單片機采用AT89S51，這是一個低功耗、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含可反復(fù)擦寫1000次的4kB ISP(In-system programmable) Flash ROM。其采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。

本設(shè)計中，采用單片機控制信號繼電器來實現(xiàn)電路測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換，信號繼電器選用的是HKE公司的HRS2H-S-DC5V，能夠快速完成測試狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，只需單片機5V供電電源即可，便于完成參數(shù)的校準。此外，繼電器跳變由PNP三極管S8550來驅(qū)動完成。

3 液晶顯示電路設(shè)計

智能彩色液晶顯示器VK56B是上海廣電集團北京分公司的產(chǎn)品，具有體積小、功耗低、無輔射、壽命長、超薄、防振及防爆等特點。該LCD采用工業(yè)級的CPU，機內(nèi)配置有二級字庫，可通過串口或三態(tài)數(shù)據(jù)總線并口接收控制命令數(shù)據(jù)，并自行對接收的命令和數(shù)據(jù)進行處理，以實時顯示用戶所要顯示的各種曲線、圖形和中西文字體。AT89S51與智能化液晶VK56B的接口電路如圖3所示。單片機與LCD采用并行通信設(shè)計，LCD自身具有一個三態(tài)數(shù)據(jù)總線并口（并口為CMOS電平），可以同主機進行通信。它外部有12條線同單片機相連，即D0～D7、WRCS、BUSY、INT和GND。其中，WRCS為片選信號和寫信號的邏輯或非，上升沿有效；BUSY信號為高（CMOS電平）表示忙；INT為中斷申請信號，低電平有效。

圖3 單片機與智能化液晶接口電路圖

集成運放參數(shù)測試儀校準裝置軟件設(shè)計

軟件部分包括上位機軟件和下位機軟件設(shè)計。上位機軟件完成PC與單片機的通信以及校準數(shù)據(jù)處理等工作；下位機軟件即單片機源程序。本設(shè)計使用Keil C完成測試狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、與上位機串行通信以及測試參數(shù)的實時顯示等。

1 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件主要分為三部分：參數(shù)設(shè)置部分主要完成被校運放測試儀信息錄入；校準部分完成各參數(shù)的校準；數(shù)據(jù)處理部分完成校準證書及原始記錄的自動化報表。上位機軟件主對話框如圖4所示?！皡?shù)設(shè)置”部分主要完成被校運放測試儀的資料錄入；“校準”部分主要通過下位機配合完成輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流等10個參數(shù)的校準過程；“生成校準證書”、“生成原始記錄”、“預(yù)覽校準證書”、“預(yù)覽原始記錄”主要實現(xiàn)校準數(shù)據(jù)的自動化處理。

圖4 上位機軟件主對話框

2 下位機軟件設(shè)計

下位機軟件主要通過Keil C進行編寫，通過下位機軟件完成校準參數(shù)的動態(tài)顯示以及測試狀態(tài)的轉(zhuǎn)換等。其包括兩個部分，一部分是ST7920液晶驅(qū)動程序，另外一部分是單片機串口通信程序。這里簡要介紹一下VK56B液晶驅(qū)動程序的編寫。圖5是LCD的時序圖。其中，TW為WRCS信號的脈沖寬度，TSU為數(shù)據(jù)建立時間，TH為數(shù)據(jù)保持時間。這些參數(shù)的具體要求為：TW不小于16ns，TSU不小于12ns，Ｔ大于0ns，TH不小于5ns，TI不小于2μs。

圖5 LCD時序圖

總線口通信子程序?qū)崿F(xiàn)源代碼如下所示。

PSEND:
　　　JB PBUSY，PSEND；檢測總線口忙信號
　　 PUSH DPH
　　 PUSH DPL
　　 MOV DPTR，#8000H；假設(shè)用戶給顯示器分配的地址為8000H
　 MOVX @DPTR，A
　 CLR P1.0；P1.0的低電平脈沖寬度不小于2μs
　 NOP
　 NOP
　 NOP
　 NOP
　　 NOP
　　 SETB P1.0
　　 POP DPL
　 POP DPH
　 RET

校準裝置開發(fā)過程中需要注意的一些問題

● 接口電路的器件由高分辨率、高穩(wěn)定、低紋波系數(shù)電源供電，接口電路的器件偏置電源采用電池供電。
● 校準接口電路單元中的標準電阻采用溫度系數(shù)小且準確度優(yōu)于0.02%的標準電阻，然后再經(jīng)加電老化進行篩選。
● 校準接口電路單元的輔助電路和補償網(wǎng)絡(luò)的制作關(guān)鍵是不能引入會對被校儀器產(chǎn)生噪聲，自激振蕩等的影響量。在電路板制作中，注意布線、元件排序、良好接地以及箱體的電磁屏蔽。
● 為保證標準參數(shù)標準不確定度，將購置國外不同型號符合要求的器件進行嚴格篩選作為驗證用標準樣片，并利用標準樣片與國內(nèi)性能和穩(wěn)定性好的進口、國產(chǎn)測量（器具）系統(tǒng)進行比對驗證。
● 測試用輔助樣管，一定要滿足表的指標規(guī)定（選用表3中輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流等參數(shù)允許值的輔助樣片校準被檢運放測試儀），否則將造成測量結(jié)果的不準確。
主要技術(shù)要求如表3所示。

校準裝置不確定度來源分析
集成運放參數(shù)測試儀校準裝置的電壓、電流等參數(shù)的不確定度來源，主要包括數(shù)字多用表、數(shù)字示波器、數(shù)字納伏表的參數(shù)測量不準確，模擬校準裝置和補償校準裝置給出參數(shù)的不準確，以及這些參數(shù)測量的重復(fù)性。