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电压电流电路自动测试设备加流测压及加压测流的设计

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自动测试设备是用于测试分立器件、集成电路、混合信号电路直流参数、交流参数和功能的测试设备。主要通过测试系统软件控制测试设备各单元对被测器件进行测试,以判定被测器件是否符合器件的规范要求。

1 自动测试设备的组成
自动测试设备主要由精密测量单元(PMU)、器件电压源(DPS)、电压电流源(VIS)、参考电压源(VS)、音频电压源(AS)、音频电压表(AVM)、时间测量单元(TIMER)、继电器矩阵、系统总线控制板(BUS)、计算机接口卡(IFC)等几部分组成。系统框图如图1所示。

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本文主要介绍其中的电压电流源部分的设计原理及实现。

2 电压电流源的基本原理
电压电流源是自动测试系统必不可少的一部分,其可为被测试器件施加精确的恒定电压或恒定电流,并能回测其相对的电流值或电压值。因此,电压电流源主要有以下两种工作方式:
(1)加压测流(FVMI)方式。在FVMI方式中,驱动电压值通过数模转换器(ADC)提供给输出驱动器;驱动电流由采样电阻采样,通过差分放大器转换成电压值,再由ADC读回电流值。筘位值可根据负载设值,箝位电路在这里起到限流保护作用,当负载电流超过箝位值时,VIS输出变为恒流源,输出电流为箝位电流。测试系统根据箝位值自动选择测流量程。
(2)加流测压(FIMV)方式。在FIMV方式中,驱动电流值通过数模转换器(DAC)提供给输出驱动器;电压由ADC读回。箝位值可根据负载设值,箝位电路在这里起到限压保护作用,当负载电压超过箝位值时,VIS输出变为恒压源,输出电压为箝位电压。测试系统根据箝位值自动选择测压量程。

图2是电压电流源的逻辑框图。

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3 电压电流源的设计细节
电压电流源的基本电路如图3所示,左半部分是电压电流源的加压加流电路,右半部分是测试电路。

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该电路由主运放、电流扩展电路、量程电阻、反馈回路和差分运算放大器组成。电路简单实用,用一只继电器K1完成加压和加流的切换,当K1打开时,用于施加电压,当K1闭合时,用于施加电流。K8是测流和测压的切换开关,当K8打开时,用于施加电压的同时测量电流,当K8闭合时,用于施加电流时测量电压。运放U3接成减法电路,用于对箝位电压进行控制。主运放U1后接的是电流扩展电路,采用推挽形式组成,以加大电路的可输出电流。量程网络由多个不同级数的电阻构成,通过K2至K7的继电器,可切换测试量程。反馈回路由运放组成的跟随器构成。测试电路采用差分电路形式以提高测试精度,减少电路的共模增益。
该电路的优点是将加压测流电路和加流测压电路很好地融合在一起,只需要切换一个继电器,便可实现加压和加流的切换,节省了加压测流和加流测压各需一套电路的烦琐,同时也节省了大省的元件。

4 工作原理
4.1 测试原理
以下以FIMV(加流测压)为例说明电路的原理,在FIMV模式下电路简化如图4。

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由于电路引入了负反馈,U1构成同相求和运算电路,U2构成电压跟随器。令R1=R2=R3=R4=R。

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由于UN1=UP1,由式(1)(3)可得:VIN=UO1-URO。即加在量程电阻两端上的电压值等于输入的电压值。由于U2的P2端虚断,故流过RO的电流绝大部分流入RL中,故电路可提供一稳定的电流,只要测试URO端的电压,即可测试在所加电流下负载的电压,从而实现加流测压。
加压测流与加流测压基本类似,在此不再赘述。
4.2 箝位的实现
本电路可通过程序设定的箝位电压或电流值进行限压或限流保护,当电路检测到的电压或电流超过设定值时,即进行电路的自保护。自保护过程如下:加流测压时,控制箝位DAC的输入值和改变量程电阻,设定输出箝位电压,然后把加流模式切换到加压模式,所测电压值返回箝位电压值。加压测流时,将量程电阻切换到最大量程,把加压模式切换到加流模式,通过控制箝位DAC的输入值和改变量程电阻,输出所设定的箝位电流,所测电压流返回箝位电流值。
4.3 量程计算
测试不同的电压或电流值需要不同的量程值,才能保证测试结果的准确性。故需要在测试前进行量程选择,量程的选择可通过程序实现。
加压测流时量程选择的计算公式为:

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式中,MAX_V主运放的最大输出电压,FV为所施加的电压值,Ri为设定的箝位电流值,Rf为量程电阻。实际取的Rf值取计算出的Rf的向下一个级数(如:如果计算出的Rf=1.6k,则实取的R应为1k(如果下一级数为1k)。
加流测压时量程选择的计算公式为:

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式中,MAX_V为主运放的最大输出电压,Rv为设定的箝位电压值,Fi所施加的电流值,Rf为量程电阻。实际取的Rf值取计算出的Rf的向下一个级数。

5 电路的改进
本电路中,输出端与负载直接相连,在测试小电阻时,会由于线损而产生测试误差,故在实际设计中,输出端与负载的相连可采用开尔文电桥接法,负载两端采用四线连接(电路输出的两端各以一对“施加线”和“传感线”连接负载)。

6 实验结果
实际测试中,运放可以选择低失调电压和低温漂的高精度运放,例如OP07。采样电阻使用低温漂2ppm、0.01%的高精度电阻。运放电源采用双24V电源,电流扩展电路用双36V电源,则本电压电流源的加压范围可从0V到21V,加流范围从0mA到200mA。电压测量和电流测量的精度大于0.1%(DAC和ADC均为16位数据位)。实验结果表明,电压电流源施加和测量速度快,精度高,适用于集成电路参数的快速检测。

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