集成運(yùn)算放大器參數(shù)測(cè)試儀校準(zhǔn)技術(shù)研究

設(shè)計(jì)背景

集成運(yùn)算放大器(以下簡(jiǎn)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(guó)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(guó)家安危。

隨著集成運(yùn)算放大器參數(shù)測(cè)試儀(以下簡(jiǎn)稱運(yùn)放測(cè)試儀)在國(guó)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(cè)試儀校準(zhǔn)方案已不能滿足國(guó)防軍工要求，運(yùn)放測(cè)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(cè)試儀測(cè)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(guó)內(nèi)外運(yùn)放測(cè)試儀(或者模擬器件測(cè)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(cè)試電路部分，局限性很大，很難保證運(yùn)放測(cè)試儀集成運(yùn)放器件參數(shù)測(cè)試精度。而標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)模擬法直接面向測(cè)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(cè)試自動(dòng)化程度等方面需要進(jìn)一步研究。因此，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)模擬法加以改進(jìn)，對(duì)運(yùn)放測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)，開發(fā)出集成運(yùn)放參數(shù)測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置，在參數(shù)精度和校準(zhǔn)范圍上，能滿足國(guó)內(nèi)大多數(shù)運(yùn)放測(cè)試儀;在通用性上，能夠校準(zhǔn)使用“閉環(huán)測(cè)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(guó)內(nèi)外運(yùn)放測(cè)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(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)運(yùn)放測(cè)試儀自動(dòng)化校準(zhǔn)以及校準(zhǔn)原始記錄、校準(zhǔn)證書自動(dòng)生成等。

表2為本課題中研制集成運(yùn)放參數(shù)測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置與市場(chǎng)上典型運(yùn)放測(cè)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(chǎng)上典型運(yùn)放測(cè)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(chǎng)上運(yùn)放測(cè)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(cè)試原理”可知：有參數(shù)校準(zhǔn)要用到“閉環(huán)測(cè)試回路”，有直接接上相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器校準(zhǔn)。對(duì)于用到“閉環(huán)測(cè)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(cè)試儀總體校準(zhǔn)方案如圖1所示。

圖1 運(yùn)放測(cè)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(cè)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(cè)試儀測(cè)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(chǔ)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(chǔ)單元。

本設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)控制信號(hào)繼電器來實(shí)現(xiàn)電路測(cè)試狀態(tài)轉(zhuǎn)換，信號(hào)繼電器選用是HKE公司HRS2H-S-DC5V，能夠快速完成測(cè)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(dòng)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(zhǎng)、超薄、防振及防爆等特點(diǎn)。該 LCD采用工業(yè)級(jí)CPU，機(jī)內(nèi)配置有二級(jí)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(duì)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(hào)和寫信號(hào)邏輯或非，上升沿有效;BUSY信號(hào)為高(CMOS電平)表示忙;INT為中斷申請(qǐng)信號(hào)，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(cè)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(cè)試狀態(tài)轉(zhuǎn)換、與上位機(jī)串行通信以及測(cè)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(cè)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(dòng)化報(bào)表。上位機(jī)軟件主對(duì)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(cè)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(dòng)化處理。

圖4 上位機(jī)軟件主對(duì)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(dòng)態(tài)顯示以及測(cè)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(dòng)程序，另外一部分是單片機(jī)串口通信程序。這里簡(jiǎn)要介紹一下VK56B液晶驅(qū)動(dòng)程序編寫。圖5是LCD時(shí)序圖。其中，TW為WRCS信號(hào)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(cè)總線口忙信號(hào)

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(huì)對(duì)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(guó)外不同型號(hào)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(guó)內(nèi)性能和穩(wěn)定性好進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)測(cè)量(器具)系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。

● 測(cè)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(cè)試儀)，否則將造成測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量重復(fù)性。