0 引言

　　自動(dòng)測(cè)試設(shè)備是用于測(cè)試分立器件、集成電路、混合信號(hào)電路直流參數(shù)、交流參數(shù)和功能的測(cè)試設(shè)備。主要通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)軟件控制測(cè)試設(shè)備各單元對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行測(cè)試，以判定被測(cè)器件是否符合器件的規(guī)范要求。

　　1 自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的組成

　　自動(dòng)測(cè)試設(shè)備主要由精密測(cè)量單元(PMU)、器件電壓源(DPS)、電壓電流源(VIS)、參考電壓源(VS)、音頻電壓源(AS)、音頻電壓表(AVM)、時(shí)間測(cè)量單元(TIMER)、繼電器矩陣、系統(tǒng)總線控制板(BUS)、計(jì)算機(jī)接口卡(IFC)等幾部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

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　　本文主要介紹其中的電壓電流源部分的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)。

　　2 電壓電流源的基本原理

　　電壓電流源是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)必不可少的一部分，其可為被測(cè)試器件施加精確的恒定電壓或恒定電流，并能回測(cè)其相對(duì)的電流值或電壓值。因此，電壓電流源主要有以下兩種工作方式：

　　(1)加壓測(cè)流(FVMI)方式。在FVMI方式中，驅(qū)動(dòng)電壓值通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)提供給輸出驅(qū)動(dòng)器;驅(qū)動(dòng)電流由采樣電阻采樣，通過(guò)差分放大器轉(zhuǎn)換成電壓值，再由ADC讀回電流值。筘位值可根據(jù)負(fù)載設(shè)值，箝位電路在這里起到限流保護(hù)作用，當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)箝位值時(shí)，VIS輸出變?yōu)楹懔髟矗敵鲭娏鳛轶槲浑娏鳌y(cè)試系統(tǒng)根據(jù)箝位值自動(dòng)選擇測(cè)流量程。

　　(2)加流測(cè)壓(FIMV)方式。在FIMV方式中，驅(qū)動(dòng)電流值通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)提供給輸出驅(qū)動(dòng)器;電壓由ADC讀回。箝位值可根據(jù)負(fù)載設(shè)值，箝位電路在這里起到限壓保護(hù)作用，當(dāng)負(fù)載電壓超過(guò)箝位值時(shí)，VIS輸出變?yōu)楹銐涸矗敵鲭妷簽轶槲浑妷骸y(cè)試系統(tǒng)根據(jù)箝位值自動(dòng)選擇測(cè)壓量程。

　　圖2是電壓電流源的邏輯框圖。

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　　3 電壓電流源的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

　　電壓電流源的基本電路如圖3所示，左半部分是電壓電流源的加壓加流電路，右半部分是測(cè)試電路。

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　　該電路由主運(yùn)放、電流擴(kuò)展電路、量程電阻、反饋回路和差分運(yùn)算放大器組成。電路簡(jiǎn)單實(shí)用，用一只繼電器K1完成加壓和加流的切換，當(dāng)K1打開(kāi)時(shí)，用于施加電壓，當(dāng)K1閉合時(shí)，用于施加電流。K8是測(cè)流和測(cè)壓的切換開(kāi)關(guān)，當(dāng)K8打開(kāi)時(shí)，用于施加電壓的同時(shí)測(cè)量電流，當(dāng)K8閉合時(shí)，用于施加電流時(shí)測(cè)量電壓。運(yùn)放U3接成減法電路，用于對(duì)箝位電壓進(jìn)行控制。主運(yùn)放U1后接的是電流擴(kuò)展電路，采用推挽形式組成，以加大電路的可輸出電流。量程網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)不同級(jí)數(shù)的電阻構(gòu)成，通過(guò)K2至K7的繼電器，可切換測(cè)試量程。反饋回路由運(yùn)放組成的跟隨器構(gòu)成。測(cè)試電路采用差分電路形式以提高測(cè)試精度，減少電路的共模增益。

　　該電路的優(yōu)點(diǎn)是將加壓測(cè)流電路和加流測(cè)壓電路很好地融合在一起，只需要切換一個(gè)繼電器，便可實(shí)現(xiàn)加壓和加流的切換，節(jié)省了加壓測(cè)流和加流測(cè)壓各需一套電路的煩瑣，同時(shí)也節(jié)省了大省的元件。

　　4 工作原理

　　4.1 測(cè)試原理

　　以下以FIMV(加流測(cè)壓)為例說(shuō)明電路的原理，在FIMV模式下電路簡(jiǎn)化如圖4。

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　　由于電路引入了負(fù)反饋，U1構(gòu)成同相求和運(yùn)算電路，U2構(gòu)成電壓跟隨器。令R1=R2=R3=R4=R。

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　　由于UN1=UP1，由式(1)(3)可得：VIN=UO1-URO。即加在量程電阻兩端上的電壓值等于輸入的電壓值。由于U2的P2端虛斷，故流過(guò)RO的電流絕大部分流入RL中，故電路可提供一穩(wěn)定的電流，只要測(cè)試URO端的電壓，即可測(cè)試在所加電流下負(fù)載的電壓，從而實(shí)現(xiàn)加流測(cè)壓。

　　加壓測(cè)流與加流測(cè)壓基本類(lèi)似，在此不再贅述。

　　4.2 箝位的實(shí)現(xiàn)

　　本電路可通過(guò)程序設(shè)定的箝位電壓或電流值進(jìn)行限壓或限流保護(hù)，當(dāng)電路檢測(cè)到的電壓或電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，即進(jìn)行電路的自保護(hù)。自保護(hù)過(guò)程如下：加流測(cè)壓時(shí)，控制箝位DAC的輸入值和改變量程電阻，設(shè)定輸出箝位電壓，然后把加流模式切換到加壓模式，所測(cè)電壓值返回箝位電壓值。加壓測(cè)流時(shí)，將量程電阻切換到最大量程，把加壓模式切換到加流模式，通過(guò)控制箝位DAC的輸入值和改變量程電阻，輸出所設(shè)定的箝位電流，所測(cè)電壓流返回箝位電流值。

　　4.3 量程計(jì)算

　　測(cè)試不同的電壓或電流值需要不同的量程值，才能保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。故需要在測(cè)試前進(jìn)行量程選擇，量程的選擇可通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)。

　　加壓測(cè)流時(shí)量程選擇的計(jì)算公式為：

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　　式中，MAX_V主運(yùn)放的最大輸出電壓，F(xiàn)V為所施加的電壓值，Ri為設(shè)定的箝位電流值，RF為量程電阻。實(shí)際取的Rf值取計(jì)算出的Rf的向下一個(gè)級(jí)數(shù)(如：如果計(jì)算出的Rf=1.6k，則實(shí)取的R應(yīng)為1k(如果下一級(jí)數(shù)為1k)。

　　加流測(cè)壓時(shí)量程選擇的計(jì)算公式為：

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　　式中，MAX_V為主運(yùn)放的最大輸出電壓，Rv為設(shè)定的箝位電壓值，F(xiàn)i所施加的電流值，Rf為量程電阻。實(shí)際取的Rf值取計(jì)算出的Rf的向下一個(gè)級(jí)數(shù)。

　　5 電路的改進(jìn)

　　本電路中，輸出端與負(fù)載直接相連，在測(cè)試小電阻時(shí)，會(huì)由于線損而產(chǎn)生測(cè)試誤差，故在實(shí)際設(shè)計(jì)中，輸出端與負(fù)載的相連可采用開(kāi)爾文電橋接法，負(fù)載兩端采用四線連接(電路輸出的兩端各以一對(duì)“施加線”和“傳感線”連接負(fù)載)。

　　6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)際測(cè)試中，運(yùn)放可以選擇低失調(diào)電壓和低溫漂的高精度運(yùn)放，例如OP07。采樣電阻使用低溫漂2ppm、0.01%的高精度電阻。運(yùn)放電源采用雙24V電源，電流擴(kuò)展電路用雙36V電源，則本電壓電流源的加壓范圍可從0V到21V，加流范圍從0mA到200mA。電壓測(cè)量和電流測(cè)量的精度大于0.1%(DAC和ADC均為16位數(shù)據(jù)位)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電壓電流源施加和測(cè)量速度快，精度高，適用于集成電路參數(shù)的快速檢測(cè)。