军用电子元器件测试系统研究

2018-10-30马跃赵昶宇

科技与创新 2018年20期

关键词：下位元器件触点

马跃，赵昶宇

军用电子元器件测试系统研究

马跃1，赵昶宇2

（1.海军驻天津八三五七所军事代表室，天津 300308；2.天津津航计算技术研究所，天津 300308）

军用电子元器件是军用电子设备正常工作必不可少的组成部分。随着电子设备自动化程度的不断提高，对军用电子元器件的测试精度和可靠性提出了更高的要求，给出了常见军用元器件的测试参数和测试要求，并介绍了军用元器件测试系统中的软件结构和技术。

电子元器件；测试系统；软件结构；电子产品

在电子技术产业飞速发展的今天，电子元器件作为各种电子产品的最基本元素，其性能与质量成为影响整机性能的重要因素。因此，无论是元器件的生产厂商，还是电子产品的生产厂商，都需要测量仪器来检测并保证其产品的质量。为了保证军用电子元器件的质量水平，在国军标中涉及到了元器件的测试方法和原理，在一些军标详细规范中提高了对元器件参数指标的要求，对质量一致性检验的条件和终点测试也提出了更高的要求，这样就相应地提高了对元器件测试系统的要求。一方面，要求测试系统的测试方法、原理符合军标的要求；另一方面，测试系统的测试范围、精度和稳定性也应满足军标详细规范中对元器件的测试和质量一致性检验的要求。

1 军用电子元器件的测试参数

常见的军用电子元器件有CMOS数字集成元器件、模拟器件、半导体分立器件、电阻电容、滤波器、熔断器和电磁继电器等。不同的元器件其测试参数和测试方法也不相同。

1.1 CMOS数字集成元器件测试参数

CMOS数字电路的输入电流和电源电流是测试的2个重要参数。CMOS数字电路的输入电流（Input Current），也称为最大输入电流（Maximum Input Current），是指器件输入端施加规定的高电平电压VIH（或低电平电压VIL）时流入（或流出）器件的电流，常用参数符号为II、IIH、IIL等。

电源电流（Supply Current）也称最大静态电源电流（Maximum Quiescent Supply Current）和静态器件电流（Quiescent Device Current），是指器件输入端施加规定的电平下，经电源端流入器件的电流，常用的参数符号为IDD、ICC.

1.2 模拟器件测试参数

常见的模拟器件主要包括运算放大器、电压比较器、采样保持器、电压跟随器、时基电路、达林顿晶体管矩阵、精密电压基准和并联型电压基准等。

以运算放大器和电压比较器为例，运算放大器、电压比较器的测试参数主要有输入失调电压、输入偏置电流、输入失调电流、开环增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出电压、输出驱动电流、输出漏电流、电源电流和静态功耗等。国家标准GB 3442—86和GB 6798—86参照国外标准，规定了运算放大器和电压比较器的测试方法的基本原理，其主要参数的基本测量线路如图1所示。

图1 运算放大器闭环参数测量原理图

图1中，DUT为被测运放，A为辅助运放。两级运放构成负反馈闭环系统，其闭环增益由输入电阻RI和反馈电阻RF的比例决定。为了得到足够的增益，通常选用500倍或1 000倍。器件测试程控电源V+和V－分别向被测运放提供所需的正、负电源电压，被测运放的输出端电压可由外接偏置电压源V通过电阻R1和R2进行控制，以获得测试所需的VO值。辅助运放的输出端可测得所需的VE值。电阻RS用于被测运放输入偏置电流的采样。

1.3 半导体分立器件测试参数

常见半导体分立器件主要包括二极管、三极管、MOS场效应管、结型场效应管、可控硅和光电耦合器等。

在对上述这些器件进行参数测试时，需要先使被测试器件满足参数测试规定的测试条件（即进入规定的工作点），同时，也要满足规定的测试环境温度，这样所测的数据才有实际的意义。为了避免芯片温升造成的测试误差，对半导体分立器件的测试通常采用脉冲法测试。

国军标GJB 128—86中，脉冲法测试的推荐条件为脉冲宽度250～350 μs，占空比为小于等于2%.之所以有关标准的详细规范中对VCE sat、VBE sat和HFE 等参数规定采用脉冲法测试，是因为对上述参数进行直流法测试时，器件会承受较大的耗散功率，进而造成器件芯片升温，影响测试数据的真实性，测试时间过长甚至会造成器件的损伤和损坏。

在不同的测试系统中采用了不同的方法实现脉冲测试，常见的有硬件闭环法和软件闭环法两种。硬件闭环法的优点在于它可以在数百微秒的时间内使被测器件稳定到规定的工作点，并精确地采集数据。但是这种方法要求测试系统的电压源和电流源具有良好的快速响应性能，同时，在与各种被测器件构成闭环时，系统不能产生寄生振荡，这对分立器件硬件测试系统提出了非常高的要求。而测试系统的电压源和电流源具有快速响应性能，且寄生振荡对软件闭环法的影响不大，但软件闭环法的致命缺点是测试时间长，这样会导致被测器件发热甚至损坏。

1.4 电磁继电器测试参数

电磁继电器最主要的2个测试参数是触点接触电阻和触点回跳时间。触点接触电阻在一定程度上反映了电磁继电器的触点可靠性，国军标规定了对触点的测试电流不得超过10 mA。由于接触电阻很小（毫欧量级），触点上压降只有微伏量级，这样可以避免破坏触点的原始状态。为了能够精确地测量触点接触电阻阻值，而不是系统其他部分的附加电阻，根据国军标GJB 360A—96的要求，采用开尔文电桥四端测试法，直至被测继电器引脚，同时，为各种电磁继电器制作开尔文四端专用测试适配器，采用高性能运算放大器放大微伏级的触点压降，从而稳定、真实地测试电磁继电器的触点接触电阻。

国军标GJB 1042—90、GJB 65A—91对触点回跳作了明确定义，即脉冲宽度大于或等于开路电压的90%，且脉冲宽度大于或等于10 μs。由于对每一次回跳均需要判断其脉冲的幅度和宽度，并累计自第一次回跳开始的触点回跳时间，这对电磁继电器测试系统而言是个严峻的考验。传统的方法是用记忆示波器进行监测，但该方法很难保证测试的精度，也难以实现多组触点的同时监测。为了满足测量精度的要求，对闭合电压和断开电压的采集需要使用2种不同量度的电压隔离模块。如果有6台试品同时试验，每台试品有2路触点电压、1路负载电流，则测试系统需要设计18路触点检测回路，可同时监测6组触点电磁继电器的所有时间参数。

2 软件设计

军用电子元器件测试系统的软件结构是测试系统硬件结构之外影响测试系统性能的另一个重要因素，在相同的硬件条件下，好的软件系统将为整个测试系统带来更好的性能、操作性和可扩充性，可以成倍地提高编程效率。

军用电子元器件测试系统采用两级分布式软件系统，在两级分布式硬件系统中的上、下位机分别有1个独立的软件层面，控制各自的CPU完成独立的功能。上位机软件主要完成与用户的交互，比如进行器件的品种编程，生成下位机所需要的测试代码，设置和修改对器件测试的管理要求，管理测试数据的显示、存盘、打印等。下位机软件接收上位机软件生成的测试代码，对其进行解释和控制下位机各硬件模块完成器件测试的具体过程。下位机可随时接收和执行上位机的指令，也可以在脱机工作方式下独立完成器件的测试。

采用两级分布式的体系结构，使得上、下位机两个层面的软件系统分工更加明确，两级系统各自发挥自身的优势，并可以独立开发与升级，互不牵制。比如，我们可以在下位机软件不修改的情况下，对上位机软件平台进行升级，当下位机的硬件模块进行升级时，只需要改写下位机中该硬件模块的驱动程序，而与上位机软件系统无关。采用两级分布式的软件结构，加强了产品的可扩充性和可移植性，还可以将计算机领域中的新技术（汉字技术、图形界面、多媒体技术等）不断融入产品之中，大大增强产品的生命力。

军用电子元器件测试系统的软件结构如图2所示。

图2 军用电子元器件测试系统的软件结构

2.1 下位机软件结构

下位机软件结构的核心是控制管理系统和专用设备驱动程序，系统将具有独立功能的硬件（A/D、D/A、程控电源、测量单元等）和软件功能（通信管理、变量运算等）定义为设备，并为每一项设备功能编制相应的设备驱动程序，这些设备驱动程序具有统一、严谨的调用格式，在此情况下，上位机只需要选择相应的设备号、功能号及入口参数，使用一种语句格式即可调用系统所有的设备驱动程序。

2.2 参数描述文件

在系列化电子元器件测试系统中，每一台单机针对不同的元器件类别，每一类元器件又有各自一套不同的测试参数，参数描述文件将测试参数的特征提取出来，形成独立的上位机外部数据文件，其内容主要包含测试参数的名称、单位，测试条件的名称、单位，数据处理方式的定义，数据显示格式的定义等。这些内容不论在用户编制器件测试程序的过程中，还是在进行器件测试的过程中都起着重要的作用。

2.3 参数子程

参数描述文件描述了参数自身的特征，但为了完成器件参数的测试，还需要程序来描述参数测试的过程，比如如何调动各种测试系统的硬件协同、有序地完成参数的测试。

方案一是将测试的流程固化于下位机，上位机根据用户的条件产出控制参数表，并将这张参数表传送给下位机。当下位机运行时，需要的一些控制数据（测试条件中的电流、电压、量程值）从参数表中读取，以满足用户指定的条件。这种方法是可行的，缺点是用户不能够控制测试程序的执行流程，灵活性不强，且必须修改下位机控制软件，这不利于系统软件的升级。

方案二就是在上位机中采用参数子程，采用专用测试语言编制的以测试参数为单位的参数子程。参数子程以设备调用语句为主，配合部分流程控制语句，可控制测试系统硬件完成参数测试的全过程。

参数子程在编制系统软件时，一次编成并经编译系统编译成目标代码，不同的测试条件、合格判据下，只需要修改参数子程的入口参数或所用变量值，不必修改参数子程本身。

2.4 器件测试代码

器件测试代码主要由参数测试结构、参数测试变量、参数测试子程和编程原始数据组成。参数测试结构记录了用户编程中所选择的测试参数及每一参数的数据结构。参数测试变量记录了由用户编程中输入的合格判据和测试条件经编译处理后得到的值，供参数测试子程所用。参数测试子程是源代码经编译后的目标代码格式，包含了系统能测试的所有参数。编程原始数据则记录了用户编程过程中输入的全部原始数据，用于程序日后的修改。