集成运放参数测试仪校准装置的开发

设计背景

集成运算放大器（以下简称集成运放）以小尺寸、轻重量、低功耗、高可靠性等优点广泛应用于众多军用和民用电子系统，是构成智能武器装备电子系统的关键器件之一。近年来，随着微电子技术的飞速发展，集成运放无论在技术性能上还是在可靠性上都日趋完善，并在我国军用系统中被大量使用，其质量的好坏，关系到具体工程乃至国家的安危。

随着集成运算放大器参数测试仪（以下简称运放测试仪）在国防军工和民用领域的广泛应用，其质量问题显得尤为重要。传统的运放测试仪校准方案已不能满足国防军工的要求，运放测试仪的校准问题面临严峻的挑战。因此，如何规范和提高运放测试仪的测试精度，保证军用运放器件的准确性是目前应该解决的关键问题。

目前，国内外运放测试仪（或者模拟器件测试系统）主要存在以下几种校准方案：校准板法、标准样片法和标准参数模拟法。各校准方案校准项目、优缺点和相关情况的比较如表1所示。

比较以上三种方案可知，前两种方法只是校准仪器内部使用的PMU单元、电流源、电压源等，并不涉及到仪器本身闭环测试电路部分，局限性很大，很难保证运放测试仪的集成运放器件参数测试精度。而标准参数模拟法直接面向测试夹具，其校准方法具有一定可行性，只是在校准精度、通用性、测试自动化程度等方面需要进一步的研究。因此，通过对标准参数模拟法加以改进，对运放测试仪进行校准，开发出集成运放参数测试仪校准装置，在参数精度和校准范围上，能满足国内大多数运放测试仪；在通用性上，能够校准使用“闭环测试原理”的仪器。

系统性能要求

本课题的主要任务是通过研究国内外运放测试仪的校准方法，改进实用性较强的标准参数模拟法，用指标更高的参数标准来校准运放测试仪，实现运放测试仪的自动化校准以及校准原始记录、校准证书的自动生成等。

表2为本课题中研制的集成运放参数测试仪校准装置与市场上典型运放测试仪的技术指标比较情况。从表2可以看出，校准装置技术指标可以校准市场上的典型运放测试仪。

校准装置的硬件设计方案

校准方案覆盖了市场上运放测试仪给出的大部分参数，其中包括输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流等10个参数。通过研究集成运放参数“闭环测试原理”可知：有的参数校准要用到“闭环测试回路”，有的直接接上相应的标准仪器进行测量即可实现对仪器的校准。对于用到“闭环测试回路”的几个参数而言，主要通过补偿电源装置和模拟电源装置来校准。运放测试仪总体校准方案如图1所示。

图1 运放测试仪总体校准框图

1 校准电路设计

输入失调电压VIO的定义为使输出电压为零（或者规定值）时，两输入端所加的直流补偿电压。集成运放可模拟等效为输入端有一电压存在的理想集成运算放大器，校准原理如图2所示。通过调节补偿电源装置给输入一个与VIO电压等量相反的电压V补，输入就可等效为V=VIO+V补=0，则被测集成运放与接口电路等效为一输入失调电压为零的理想运算放大器。然后，调节模拟电源装置，给定模拟标准运放输入失调电压参数值。通过数字多用表读数与被校运放测试仪测试值比较，计算出误差值，完成VIO参数校准。

图2 输入失调电压参数VIO校准原理图

2 单片机控制电路设计

单片机采用AT89S51，这是一个低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含可反复擦写1000次的4kB ISP(In-system programmable) Flash ROM。其采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。

本设计中，采用单片机控制信号继电器来实现电路测试状态转换，信号继电器选用的是HKE公司的HRS2H-S-DC5V，能够快速完成测试状态的转换，只需单片机5V供电电源即可，便于完成参数的校准。此外，继电器跳变由PNP三极管S8550来驱动完成。

3 液晶显示电路设计

智能彩色液晶显示器VK56B是上海广电集团北京分公司的产品，具有体积小、功耗低、无辅射、寿命长、超薄、防振及防爆等特点。该LCD采用工业级的CPU，机内配置有二级字库，可通过串口或三态数据总线并口接收控制命令数据，并自行对接收的命令和数据进行处理，以实时显示用户所要显示的各种曲线、图形和中西文字体。AT89S51与智能化液晶VK56B的接口电路如图3所示。单片机与LCD采用并行通信设计，LCD自身具有一个三态数据总线并口（并口为CMOS电平），可以同主机进行通信。它外部有12条线同单片机相连，即D0～D7、WRCS、BUSY、INT和GND。其中，WRCS为片选信号和写信号的逻辑或非，上升沿有效；BUSY信号为高（CMOS电平）表示忙；INT为中断申请信号，低电平有效。

图3 单片机与智能化液晶接口电路图

集成运放参数测试仪校准装置软件设计

软件部分包括上位机软件和下位机软件设计。上位机软件完成PC与单片机的通信以及校准数据处理等工作；下位机软件即单片机源程序。本设计使用Keil C完成测试状态的转换、与上位机串行通信以及测试参数的实时显示等。

1 上位机软件设计

上位机软件主要分为三部分：参数设置部分主要完成被校运放测试仪信息录入；校准部分完成各参数的校准；数据处理部分完成校准证书及原始记录的自动化报表。上位机软件主对话框如图4所示。“参数设置”部分主要完成被校运放测试仪的资料录入；“校准”部分主要通过下位机配合完成输入失调电压、输入失调电流等10个参数的校准过程；“生成校准证书”、“生成原始记录”、“预览校准证书”、“预览原始记录”主要实现校准数据的自动化处理。

图4 上位机软件主对话框

2 下位机软件设计

下位机软件主要通过Keil C进行编写，通过下位机软件完成校准参数的动态显示以及测试状态的转换等。其包括两个部分，一部分是ST7920液晶驱动程序，另外一部分是单片机串口通信程序。这里简要介绍一下VK56B液晶驱动程序的编写。图5是LCD的时序图。其中，TW为WRCS信号的脉冲宽度，TSU为数据建立时间，TH为数据保持时间。这些参数的具体要求为：TW不小于16ns，TSU不小于12ns，Ｔ大于0ns，TH不小于5ns，TI不小于2μs。

图5 LCD时序图

总线口通信子程序实现源代码如下所示。

PSEND:
　　　JB  PBUSY，PSEND；检测总线口忙信号
　　  PUSH  DPH
　　  PUSH  DPL
　　  MOV   DPTR，#8000H；假设用户给显示器分配的地址为8000H
　    MOVX  @DPTR，A
　    CLR   P1.0；P1.0的低电平脉冲宽度不小于2μs
　    NOP
　    NOP
　    NOP
　    NOP
　　  NOP
　　  SETB   P1.0
　　  POP    DPL
　    POP    DPH
　    RET

校准装置开发过程中需要注意的一些问题

● 接口电路的器件由高分辨率、高稳定、低纹波系数电源供电，接口电路的器件偏置电源采用电池供电。
● 校准接口电路单元中的标准电阻采用温度系数小且准确度优于0.02%的标准电阻，然后再经加电老化进行筛选。
● 校准接口电路单元的辅助电路和补偿网络的制作关键是不能引入会对被校仪器产生噪声，自激振荡等的影响量。在电路板制作中，注意布线、元件排序、良好接地以及箱体的电磁屏蔽。
● 为保证标准参数标准不确定度，将购置国外不同型号符合要求的器件进行严格筛选作为验证用标准样片，并利用标准样片与国内性能和稳定性好的进口、国产测量（器具）系统进行比对验证。
● 测试用辅助样管，一定要满足表的指标规定（选用表3中输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流等参数允许值的辅助样片校准被检运放测试仪），否则将造成测量结果的不准确。
主要技术要求如表3所示。

校准装置不确定度来源分析
集成运放参数测试仪校准装置的电压、电流等参数的不确定度来源，主要包括数字多用表、数字示波器、数字纳伏表的参数测量不准确，模拟校准装置和补偿校准装置给出参数的不准确，以及这些参数测量的重复性。