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設計背景 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、高可靠性等優點廣泛應用于眾多軍用和民用電子系統，是構成智能武器裝備電子系統的關鍵器件之一。近年來，隨著微電子技術的飛速發展，集成運放無論在技術性能上還是在可靠性上都日趨完善，并在我國軍用系統中被大量使用，其質量的好壞，關系到具體工程乃至國家的安危。 隨著集成運算放大器參數測試儀（以下簡稱運放測試儀）在國防軍工和民用領域的廣泛應用，其質量問題顯得尤為重要。傳統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。因此，如何規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該解決的關鍵問題。 目前，國內外運放測試儀（或者模擬器件測試系統）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模擬法。各校準方案校準項目、優缺點和相關情況的比較如表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測試精度。而標準參數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，通過對標準參數模擬法加以改進，對運放測試儀進行校準，開發出集成運放參數測試儀校準裝置，在參數精度和校準范圍上，能滿足國內大多數運放測試儀；在通用性上，能夠校準使用“閉環測試原理”的儀器。 系統性能要求 本課題的主要任務是通過研究國內外運放測試儀的校準方法，改進實用性較強的標準參數模擬法，用指標更高的參數標準來校準運放測試儀，實現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測試儀校準裝置與市場上典型運放測試儀的技術指標比較情況。從表2可以看出，校準裝置技術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，其中包括輸入失調電壓、輸入失調電流、輸入偏置電流等10個參數。通過研究集成運放參數“閉環測試原理”可知：有的參數校準要用到“閉環測試回路”，有的直接接上相應的標準儀器進行測量即可實現對儀器的校準。對于用到“閉環測試回路”的幾個參數而言，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 校準電路設計 輸入失調電壓VIO的定義為使輸出電壓為零（或者規定值）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。通過調節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電壓為零的理想運算放大器。然后，調節模擬電源裝置，給定模擬標準運放輸入失調電壓參數值。通過數字多用表讀數與被校運放測試儀測試值比較，計算出誤差值，完成VIO參數校準。 圖2 輸入失調電壓參數VIO校準原理圖 2 單片機控制電路設計 單片機采用AT89S51，這是一個低功耗、高性能CMOS 8位單片機，片內含可反復擦寫1000次的4kB ISP(In-system programmable) Flash ROM。其采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。 本設計中，采用單片機控制信號繼電器來實現電路測試狀態轉換，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的轉換，只需單片機5V供電電源即可，便于完成參數的校準。此外，繼電器跳變由PNP三極管S8550來驅動完成。 3 液晶顯示電路設計 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采用工業級的CPU，機內配置有二級字庫，可通過串口或三態數據總線并口接收控制命令數據，并自行對接收的命令和數據進行處理，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采用并行通信設計，LCD自身具有一個三態數據總線并口（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 集成運放參數測試儀校準裝置軟件設計 軟件部分包括上位機軟件和下位機軟件設計。上位機軟件完成PC與單片機的通信以及校準數據處理等工作；下位機軟件即單片機源程序。本設計使用Keil C完成測試狀態的轉換、與上位機串行通信以及測試參數的實時顯示等。 1 上位機軟件設計 上位機軟件主要分為三部分：參數設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的校準；數據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。“參數設置”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電壓、輸入失調電流等10個參數的校準過程；“生成校準證書”、“生成原始記錄”、“預覽校準證書”、“預覽原始記錄”主要實現校準數據的自動化處理。 圖4 上位機軟件主對話框 2 下位機軟件設計 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的動態顯示以及測試狀態的轉換等。其包括兩個部分，一部分是ST7920液晶驅動程序，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為數據建立時間，TH為數據保持時間。這些參數的具體要求為：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 總線口通信子程序實現源代碼如下所示。 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、高穩定、低紋波系數電源供電，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小且準確度優于0.02%的標準電阻，然后再經加電老化進行篩選。 ● 校準接口電路單元的輔助電路和補償網絡的制作關鍵是不能引入會對被校儀器產生噪聲，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性能和穩定性好的進口、國產測量（器具）系統進行比對驗證。 ● 測試用輔助樣管，一定要滿足表的指標規定（選用表3中輸入失調電壓、輸入失調電流、輸入偏置電流等參數允許值的輔助樣片校準被檢運放測試儀），否則將造成測量結果的不準確。 主要技術要求如表3所示。 校準裝置不確定度來源分析 集成運放參數測試儀校準裝置的電壓、電流等參數的不確定度來源，主要包括數字多用表、數字示波器、數字納伏表的參數測量不準確，模擬校準裝置和補償校準裝置給出參數的不準確，以及這些參數測量的重復性。 |
