消费类电子产品生产中的LCR测试分析

【摘要】    本文介绍LCR测试原理，结合我国消费类电子产品制造厂商的生产现状，分析主流LCR实现方案的技术特点，并提出一种集成化测量方法，优化产品生产中LCR测试，提供更高效，可靠，便于硬件迭代的实现方案。

【关键词】    LCR测试    阻抗测试    相敏检波    集成化测试

一、引言

近年来，以智能手机为代表的消费电子产品爆发性的增长，和消费者体验度的不断提升，对高密度电子产品在高效率生产中保证良好品质提出迫切需求。电阻、电容和电感的阻抗测量是电子测量技术的基础，在PCBA（Printed Circuit Board Assembly），FPCA（Flexible Printed Circuit Assembly）组件生产加工中的在线测试（In Circuit Test， ICT）和功能测试（Functional Circuit test， FCT）也是至关重要的测试工序，用于验证PCBA，FPCA生产中的电阻，电容，电感是否焊接可靠、准确。

消费电子产品中电阻使用范围集中在Ω至MΩ，测量精度0.1%，电容使用范围集中在nF至μF，测量精度0.5%，电感使用极少，仅在ICT中涉及个别nH或μH电感。使用标准LCR（Inductance， Capacitance， Resistance）测试仪器可以准确测量上述参数，但是标准仪器体积较大、成本高、硬件灵活性差，不便在消費类电子产品的生产线中大规模使用。本文通过对 LCR 测量仪的原理及当前国内生产加工厂商的LCR测试方法的分析，提出一种适用于消费电子产品生产测试的集成化LCR测试实现方法。

二、LCR测量原理

根据电容、电感元件阻抗的关系（式2-1，2-2），可知电容和电感元件的特征阻抗，在不同频率下存在差异，尤其在高频激励下其阻抗有较大变化。

LCR测量不是直接测量L、C、R的值，而是通过测量已知频率的激励在待测元件的响应变化，来计算被测件的在相应频率下的阻抗。如图1，Vs为交流激励电压源，Rs是已知的电阻，ZDUT 是被测阻抗，通过测试被测阻抗的电压（V），已知电阻电压（VRS），计算得到被测阻抗的值，如式2-3：

三、LCR电路分析

3.1 LCR电路原理

如图2，LCR电路结构图包括激励部分和检测部分，激励部分由直接数字频率合成器、输出信号调理电路组成;检测部分由接收信号调理、模数转化器、精密参考源电路组成。

如上述消费类电子产品中电容的主要使用范围，根据式1-1评估直接数字频率合成器的输出信号的频率100 Hz～100KHz，AD9833是一款0 MHz至12.5 MHz输出的低功耗、低成本、可编程波形的数字直接频率合成器，适合在该测试中使用。

对于nH级电感的测试，根据式1-2可见，激励的频率大于10MHz时，电感仅呈现约10欧姆左右的阻抗。由此可见电感的测试对激励部分和检测部分的参数性能要求很高，而电感在智能手机、智能手表等主流的消费电子产品中的使用率远远低于电阻，电容，因此，LCR的感抗测试在生产测试中的大规模使用缺乏显著优势，目前国内在线测试设备厂商普遍将电感视为0欧姆电阻，高效率、低成本的实现电路板中电感是否焊接可靠。

生产线中的LCR测试电路与实验室LCR测量仪器的应用方式不同，其输出端与待测元件之间，存在多级模拟开关（或继电器）、超过50cm信号导线、测试探针等介质，因此，输出激励信号需要具有较大驱动能力，ADA4807是一款?3dB带宽为200 MHz，输出电流达到50mA 的低噪运放，适用于激励输出提高功率。

而对于接收测量电路的实现方式，可分为相敏检波采集和直接采集测量。

3.2 相敏检波采集方案

相敏检波采集法是现有LCR测试中应用最广泛的实现方式。如图3，相敏检波器是该方案的核心部位。待测元件与已知电阻两端的矢量电压信号需要通过相敏检波电路来分离出其在给定坐标轴上的比例投影，利用他们投影信号就可以计算出待测元件的阻抗值。AD637是一款2V输入信号带宽可以保持8MHz，非线性误差最大0.02%的相敏检波器，在行业普遍应用。

检波电路的输出信号经过模数转化器，完成阻抗有效值采集，最终通过微处理器计算出阻抗值。相敏检波采集方案测量精度的误差主要在模数转化电路的有效分辨率，AD7172是一款24位 ∑-?型ADC，输出5 SPS时无噪声位可达24位，配合精密参考源ADR4540，最大温度系数为2 ppm/°C，初始精度误差最大0.02%，实现优于五位半分辨率的数据采集系统。

该方案实际应用中还需要考虑相敏检波器的输出建立时间，它与检波器输出滤波电容有关，即滤波电容越大，输出直流性能越优，但是需要建立时间越长。以AD637为例，输入为单极性正弦波信号，一个周期内实现1%精度误差，检波电容建议为0.82μF， 输出缓冲器的输入级电容建议为2.7μF，由此配置其硬件建立时间需要325ms，这在年产量数千万的消费电子产品的生产中存在较大挑战，如果优先保证生产效率，便要相应减小配置电容，降低建立时间，由此影响测量精度。

3.3直接采集测量方案

如图4，依托SAR型模数转化器的高速采集优势，直接测试待测元件交流激励的响应信号，通过强大数字信号处理器完成对采集信号的实部，虚部数据的处理、滤波与综合运算。

该方案的优势是可以实现快速采集运算满足高效生产的要求，另外测量过程中能够识别待测元件的相位信息，进而区分待测元件属于电容、电阻、电感。

但是传统SAR型模数转化器对驱动电路和输入抗混叠滤波器要求苛刻，而在ICT、FCT行业中硬件迭代周期长则三周短则四天，所以该方案的测试电路的迭代稳定性是主要挑战。

3.4集成化LCR方案

如图5，集成化LCR方案是基于AD5933的高精度阻抗转化器解决方案，片上集成频率发生器（Direct Digital Synthesizer， DDS）、信号调理、12位1MSPS的模数转化器、离散傅里叶变换处理（Discrete Fourier Transform， DFT）等功能，外部仅配合微处理器和驱动电路。

将被测电容串联进入电路，再次根据激励频率f产生相应实部（Rzsum）与虚部（Izsum），通过式3-4计算串联后总阻抗的幅值（Magnitudezsum），式3-6在结合增益系数G计算总阻抗Zsum，式3-7计算相位串联后的总相位，其与的差值可分辨为待测负载的极性，见式3-8，电容容值根据式3-9计算。

而在ICT、FCT设备中存在多级模拟开关、继电器连接、以及长于50cm信号走线等因素会严重影响测量结果，AD5933提供的扫频功能会测试降低其影响。如图6，室温环境下，使用100KHz～100.2KHz 2Hz步进，扫频测试目标为100pF电容的结果，其最大误差0.02%，综合其扫频功能可帮助降低在线测试设备众多的干扰问题。

四、结论

本文分析了现阶段我国消费电子产品的LCR在线测试中应用最为普遍的是相敏检波方案，其方案可实现测量阻抗值，但不能分辨测试元件容性与阻性，而直接测量法对软件、硬件的系统要求很高，尤其在硬件迭代能力弱。因而，提出基于AD5933的集成化LCR的测试方案可以高效、稳定满足生产测试需求，并且利于硬件移植，适合在消费电子产品测试中使用。

参  考  文  献

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