集成運(yùn)算放大器參數(shù)測試儀校準(zhǔn)技術(shù)研究
設(shè)計(jì)背景
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/193262.htm集成運(yùn)算放大器(以下簡稱集成運(yùn)放)以小尺寸、輕重量、低功耗、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)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)關(guān)鍵器件之一。近年來,隨著微電子技術(shù)飛速發(fā)展,集成運(yùn)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)量好壞,關(guān)系到具體工程乃至國家安危。
隨著集成運(yùn)算放大器參數(shù)測試儀(以下簡稱運(yùn)放測試儀)在國防軍工和民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,其質(zhì)量問題顯得尤為重要。傳統(tǒng)運(yùn)放測試儀校準(zhǔn)方案已不能滿足國防軍工要求,運(yùn)放測試儀校準(zhǔn)問題面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此,如何規(guī)范和提高運(yùn)放測試儀測試精度,保證軍用運(yùn)放器件準(zhǔn)確性是目前應(yīng)該解決關(guān)鍵問題。
目前,國內(nèi)外運(yùn)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(zhǔn)方案:校準(zhǔn)板法、標(biāo)準(zhǔn)樣片法和標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)模擬法。各校準(zhǔn)方案校準(zhǔn)項(xiàng)目、優(yōu)缺點(diǎn)和相關(guān)情況比較如表1所示。
比較以上三種方案可知,前兩種方法只是校準(zhǔn)儀器內(nèi)部使用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(yùn)放測試儀集成運(yùn)放器件參數(shù)測試精度。而標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)模擬法直接面向測試夾具,其校準(zhǔn)方法具有一定可行性,只是在校準(zhǔn)精度、通用性、測試自動化程度等方面需要進(jìn)一步研究。因此,通過對標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)模擬法加以改進(jìn),對運(yùn)放測試儀進(jìn)行校準(zhǔn),開發(fā)出集成運(yùn)放參數(shù)測試儀校準(zhǔn)裝置,在參數(shù)精度和校準(zhǔn)范圍上,能滿足國內(nèi)大多數(shù)運(yùn)放測試儀;在通用性上,能夠校準(zhǔn)使用“閉環(huán)測試原理”儀器。
系統(tǒng)性能要求
本課題主要任務(wù)是通過研究國內(nèi)外運(yùn)放測試儀校準(zhǔn)方法,改進(jìn)實(shí)用性較強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)模擬法,用指標(biāo)更高參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)運(yùn)放測試儀,實(shí)現(xiàn)運(yùn)放測試儀自動化校準(zhǔn)以及校準(zhǔn)原始記錄、校準(zhǔn)證書自動生成等。
表2為本課題中研制集成運(yùn)放參數(shù)測試儀校準(zhǔn)裝置與市場上典型運(yùn)放測試儀技術(shù)指標(biāo)比較情況。從表2可以看出,校準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)可以校準(zhǔn)市場上典型運(yùn)放測試儀。
校準(zhǔn)裝置硬件設(shè)計(jì)方案
校準(zhǔn)方案覆蓋了市場上運(yùn)放測試儀給出大部分參數(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(gè)參數(shù)。通過研究集成運(yùn)放參數(shù)“閉環(huán)測試原理”可知:有參數(shù)校準(zhǔn)要用到“閉環(huán)測試回路”,有直接接上相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行測量即可實(shí)現(xiàn)對儀器校準(zhǔn)。對于用到“閉環(huán)測試回路”幾個(gè)參數(shù)而言,主要通過補(bǔ)償電源裝置和模擬電源裝置來校準(zhǔn)。運(yùn)放測試儀總體校準(zhǔn)方案如圖1所示。
圖1 運(yùn)放測試儀總體校準(zhǔn)框圖
1 校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)
輸入失調(diào)電壓VIO定義為使輸出電壓為零(或者規(guī)定值)時(shí),兩輸入端所加直流補(bǔ)償電壓。集成運(yùn)放可模擬等效為輸入端有一電壓存在理想集成運(yùn)算放大器,校準(zhǔn)原理如圖2所示。通過調(diào)節(jié)補(bǔ)償電源裝置給輸入一個(gè)與VIO電壓等量相反電壓V補(bǔ),輸入就可等效為V=VIO V補(bǔ)=0,則被測集成運(yùn)放與接口電路等效為一輸入失調(diào)電壓為零理想運(yùn)算放大器。然后,調(diào)節(jié)模擬電源裝置,給定模擬標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)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(yùn)放測試儀測試值比較,計(jì)算出誤差值,完成VIO參數(shù)校準(zhǔn)。
圖2 輸入失調(diào)電壓參數(shù)VIO校準(zhǔn)原理圖
2 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)采用AT89S51,這是一個(gè)低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī),片內(nèi)含可反復(fù)擦寫1000次4kB ISP(In-system programmable) Flash ROM。其采用ATMEL公司高密度、非易失性存儲技術(shù)制造,兼容標(biāo)準(zhǔn)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(jì)中,采用單片機(jī)控制信號繼電器來實(shí)現(xiàn)電路測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換,信號繼電器選用是HKE公司HRS2H-S-DC5V,能夠快速完成測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換,只需單片機(jī)5V供電電源即可,便于完成參數(shù)校準(zhǔn)。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(jì)
智能彩色液晶顯示器VK56B是上海廣電集團(tuán)北京分公司產(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(diǎn)。該 LCD采用工業(yè)級CPU,機(jī)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),并自行對接收命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以實(shí)時(shí)顯示用戶所要顯示各種曲線、圖形和中西文字體。AT89S51與智能化液晶VK56B接口電路如圖3所示。單片機(jī)與LCD采用并行通信設(shè)計(jì),LCD自身具有一個(gè)三態(tài)數(shù)據(jù)總線并口(并口為CMOS電平),可以同主機(jī)進(jìn)行通信。它外部有12條線同單片機(jī)相連,即D0~D7、WRCS、BUSY、INT和GND。其中,WRCS 為片選信號和寫信號邏輯或非,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(jī)與智能化液晶接口電路圖
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集成運(yùn)放參數(shù)測試儀校準(zhǔn)裝置軟件設(shè)計(jì)
軟件部分包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件完成PC與單片機(jī)通信以及校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理等工作;下位機(jī)軟件即單片機(jī)源程序。本設(shè)計(jì)使用Keil C完成測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換、與上位機(jī)串行通信以及測試參數(shù)實(shí)時(shí)顯示等。
1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件主要分為三部分:參數(shù)設(shè)置部分主要完成被校運(yùn)放測試儀信息錄入;校準(zhǔn)部分完成各參數(shù)校準(zhǔn);數(shù)據(jù)處理部分完成校準(zhǔn)證書及原始記錄自動化報(bào)表。上位機(jī)軟件主對話框如圖4所示。“參數(shù)設(shè)置”部分主要完成被校運(yùn)放測試儀資料錄入;“校準(zhǔn)”部分主要通過下位機(jī)配合完成輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流等10個(gè)參數(shù)校準(zhǔn)過程;“生成校準(zhǔn)證書”、“生成原始記錄”、“預(yù)覽校準(zhǔn)證書”、“預(yù)覽原始記錄”主要實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)自動化處理。
圖4 上位機(jī)軟件主對話框
2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
下位機(jī)軟件主要通過Keil C進(jìn)行編寫,通過下位機(jī)軟件完成校準(zhǔn)參數(shù)動態(tài)顯示以及測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換等。其包括兩個(gè)部分,一部分是ST7920液晶驅(qū)動程序,另外一部分是單片機(jī)串口通信程序。這里簡要介紹一下VK56B液晶驅(qū)動程序編寫。圖5是LCD時(shí)序圖。其中,TW為WRCS信號脈沖寬度,TSU為數(shù)據(jù)建立時(shí)間,TH為數(shù)據(jù)保持時(shí)間。這些參數(shù)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(shí)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)用戶給顯示器分配地址為8000H
MOVX @DPTR,A
CLR P1.0;P1.0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(zhǔn)裝置開發(fā)過程中需要注意一些問題
● 接口電路器件由高分辨率、高穩(wěn)定、低紋波系數(shù)電源供電,接口電路器件偏置電源采用電池供電。
● 校準(zhǔn)接口電路單元中標(biāo)準(zhǔn)電阻采用溫度系數(shù)小且準(zhǔn)確度優(yōu)于0.02%標(biāo)準(zhǔn)電阻,然后再經(jīng)加電老化進(jìn)行篩選。
● 校準(zhǔn)接口電路單元輔助電路和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)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、良好接地以及箱體電磁屏蔽。
● 為保證標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度,將購置國外不同型號符合要求器件進(jìn)行嚴(yán)格篩選作為驗(yàn)證用標(biāo)準(zhǔn)樣片,并利用標(biāo)準(zhǔn)樣片與國內(nèi)性能和穩(wěn)定性好進(jìn)口、國產(chǎn)測量(器具)系統(tǒng)進(jìn)行比對驗(yàn)證。
● 測試用輔助樣管,一定要滿足表指標(biāo)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)允許值輔助樣片校準(zhǔn)被檢運(yùn)放測試儀),否則將造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確。
主要技術(shù)要求如表3所示。
校準(zhǔn)裝置不確定度來源分析
集成運(yùn)放參數(shù)測試儀校準(zhǔn)裝置電壓、電流等參數(shù)不確定度來源,主要包括數(shù)字多用表、數(shù)字示波器、數(shù)字納伏表參數(shù)測量不準(zhǔn)確,模擬校準(zhǔn)裝置和補(bǔ)償校準(zhǔn)裝置給出參數(shù)不準(zhǔn)確,以及這些參數(shù)測量重復(fù)性。
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