CN1037980A

CN1037980A - 通用测试，控制模块及其系统

Info

Publication number: CN1037980A
Application number: CN 88103027
Authority: CN
Inventors: 杨共鸣
Original assignee: WUHAN SEMICONDUCTOR DEVICE FACTORY
Current assignee: WUHAN SEMICONDUCTOR DEVICE FACTORY
Priority date: 1988-05-20
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1989-12-13
Also published as: CN1016815B

Abstract

本发明涉及一种用于自动测量和控制系统的通用模块，以及管理和应用该模块的计算机系统，在所述的这种模块上集中了电压、电流、时间多种测试控制功能，其中非常关键的VIR功能单元仅由四块运放构成，该模块所具有的各种功能是通过继电器触点 J₁～J_n的开合改变电路形式而得到的，本发明所述的模块和系统可广泛用于工业和实验室各类测控场合。

Description

本发明涉及一种用于自动测量和控制系统的通用模块，以及管理和应用该模块的计算机系统，在所述的这样一种模块上集中了电压、电流、时间多种测试控制功能。

在本实纪七十年代开始，随着微电子技术和计算机技术的发展，测量控制系统和具体用于测量控制的部件或模块有了很大的变化，模块与计算机之间用一组总线连接起来，根据不同的测量控制对象，选择相应的功能模块，各种不同功能的模块受计算机控制去完成各自的特定任务，这就是现有控制系统和模块的情况。七十年代末，八十年代初，单一模块的功能有了很大发展，有的模块具有输出各种不同波形的功能，有的模块具有测量各种波形参数的功能，但还没有这样一种通用模块，它能够集中完成测量控制功能又能双向工作，由于这种原因，在测控领域内，我们必须针对不同测量和控制对象，配置不同系统，这便产生了硬件配置多，管理程序复杂，系统庞杂等缺点，给生产使用带来不便。

本发明目的之一是提出一种通用模块，该模块基本上集中了现有模块的所有功能，即能测量控制又能双向工作，而其电路却十分简单，本发明的另一目的是以所提出的模块为基本组件，在计算机控制下，创造一种通用的自动工作系统，计算机通过其总线与一个或多个通用模块相连接，被测量和受控对象与通用模块的输出线相连，这便构成了本发明所述的一种计算机系统，该系统在其管理程序控制之下，可同时完成各件测量和控制任务，该系统的扩展、连接和操作均十分方便，这除了管理程序设计方面的功夫、技巧之外，更多的方面则主要是将益于本发明所特别要介绍的一种通用模块的支持。

以下对本发明的内容进行阐述。

本发明所述的通用模块在计算机控制下，具有如下功能：

1.能输出任意的恒定电压，且电流可以双向流动;

2.能输出任意的恒定电流;

3.能象电阻一样接受被测控件的作用，其阻值可任意设置;

4.能完全开路，即当它与被测控件连接时，不对其产生影响;

5.能输出任意的电压或电流波形;

6.能测量测控件施加的或其自身输出的电压和电流;

7.能测量时间。

具有如此众多功能的模块，其电路结构却并不十分复杂。图1是通用模块的内部结构方框图，命令锁存单元（3）寄存所需实现的输出、测量功能和电流、电压量程的命令代码;数据锁存单元（4）寄存所需输出电流、电压的数值代码;模数转换单元（5）将所测模拟量转换为数字量;状态缓冲器（6）反映模数转换单元（5）、计时器（7）及电流、电压所处的状态信息;计时器（7）测量电流、电压变化的时间;它们都通过数据收发单元（2）与计算机的数据总线相连接;地址译码单元（1）则指定交换信息单元的地址;VIR功能单元（8）（“V”表示输出和测量电压，“I”表示输出和测量电流;“R”表示负载电阻）则在命令代码和数据代码的作用下输出代码所指定的电压、电流、电阻或开路状况，将它与被测件相互作用的结果（电压、电流）反映给A/D转换器、计时器和状态缓冲器。

本发明独具特色之关键，在于VIR功能单元中，其电路原理见图2。

VIR功能单元由四块或四块以上运放作为基本构件，通过继电器或类似器件触点J₁～J_n的开合而改变电路形式或称为选择不同的反馈方式，达到VIR输出输入变换之目的。其具体线路结构是这样：数据代码经D/A转换器变换为模拟电流信号经J₁到驱动运放（14）的反相输入端，控制运放（14）输出量的大小和极性，运放（14）的输出经电流取样电阻R_g及J₇到被测控对象，电压跟随器（11）的正输入端与VIR功能单氖涑鱿嗔朔牛?4）的输出端还同时经电阻R_a与反相器（12）的负输入端相连，Ra、Rb、Rc与反相器（12）组成一个完整的反相器电路;加法器（13）的负输入端并联有三路电阻，一路是经电阻Rc引入的反相器（12）的输出信号，一路是经R_f引入的电压跟随器（11）输出电压信号，一路是加法器（13）反馈电阻R_d的一端;触点J₁、J₂、J₃、J₄的一端同接在运放（14）的负输入端上，J₁的另一端与通用模块内的数模输出相连;数模转换器与数据锁存器（4）相连（图1中未标明，可认为是包含在数据锁存器内）;J₂的另一端经电阻Re与加法器（13）的输出端相连;J₃的另一端和J₄的另一端分别经电阻Rv和Rr与电压跟随器（11）的输出端相连;J₆的一端与加法器（13）的输出端相连，J₅、J₆的另一端均接在模数转换器上。

在系统管理程序控制下，当J₁、J₃、J₇吸合、J₂、J₄断开时，VIR单元工作在恒压输出状态，根据运放基本性质，不难得出如下推导和结论：

Ii+ (V₀)/(R_v) =0;V₀＝-R_vI_i

式中Ii为数模转换器输出电流，V₀为VIR单元输出电压，I₀为输出电流，由式V₀＝-R_vI_i可知输出电压V₀的大小与输入控制电流I_i的数值成正比，比例倍数就是电阻Rv之阻值，而与输出电流I₀的大小无关，即提供了一种稳定的电压输出;

在系统管理程序控制之下，当J₁、J₂、J₇吸合，而J₃、J₄断开时，VIR单元工作在恒流输出状态下，若设定电阻Rf＝（R_a·R_c）/R_b，根据运放基本性质，不难得出如下结论：

I₀= (R_f)/(R_d) · (R_e)/(R_g) ·I_i

由上式可知输出电流I_O与输入控制电流Ii成正比，其比例倍数由三个反馈电阻R_f、R_d、R_e和一个电流取样电阻R_g决定，与输出电压V_O的大小无关，也就是所说的恒流输出;

在系统管理程序控制之下，当J₂、J₄、J₇吸合，J₁、J₃断开时，输出控制电流I_i被截断，VIR单元工作在恒阻输出状态，同样若设定R_f＝R_aR_c/R_b，根据运放基本性质，不难推出如下结论：

R₀= (R_r)/(R_e) · (R_d)/(R_f) ·R_g

式中R₀＝V₀/I₀为VIR单元输出等效阻抗，由R₀＝（R_rR_d/R_eR_f）R_g式可知R₀与外界施加的电压V₀，电流I₀无关，只取决于路内部电阻值的配置，改变R_g阻值即可控制输出电阻量程，改变R_r即可决定输出电阻数值。

在恒阻输出状态下，如果使J₇断开，电流取样电阻就接近于J₇的漏电阻，而等效输出电阻为漏电阻的R_rR_d/R_eR_f倍，如果同时使J₄断开，R_r就增大到J₄的漏电阻，这时等效输出电阻就近似于无穷大。

电压跟随器（11）的输出电压等于VIR单元的输出电压V₀，加法器（13）的输出电压正比于VIR单元的输出电流I₀。在恒阻输出状态时，驱动运放（14）的反相输入端同时施加了模块输出电压和输出电流负反馈，这正是使本模块独具特色之关键。

电压跟随器（11）输出的模块输出电压取样信号经J₅到模数转换器，加法器（13）输出的模块输出电流取样信号经J₆到模数转换器，控制J₅、J₆的开合，便可测出模块输出输入的电流或电压。计算机按照程序改变输入到模块中的数据，模块即可输出一定形状的电压、电流波。

当通用模块工作在恒压零伏输出状态下，并且J₅闭合，J₆断开时，模块即工作于电流输入状态，这时可从其输入端输入0～10vnA或4～20mA的电流;当通用模块工作在开路状态，且J₅断开，J₆吸合时模块工作在电压输入状态，这时从其输入端可输入0～10V或-10～10V等不同范围的电压;上述二者原理是十分清楚的事情，故不赘述。

在计算机控制下，本发明的通用模块能执行恒压、恒流、恒阻、开路及各种波形的输出，能完成对各种电信号和半导体器件的测试，能够提供较大的驱动电流和电压，配接上传感器还可测量各种物理量，这对于加快生产自动化进程提高科研开发效率大有裨益。

现在介绍附图和实施情况。

图1是通用模块内部方框图。图中（1）为地址译码器，（2）为数据收发器，（3）为命令锁存器，（4）为数据锁存器，（5）为A/D转换器，（6）为状态缓冲器，（7）为计时器，（8）为VIR功能单元。

图2为VIR单元电路原理图。图中（14）为驱动运放，（13）为加法器，（12）为反相放大器，（11）为电压跟随器，J₁～J₇为继电器或类似器件触点，电流取样电阻R_g上可并联若干电阻R_g-1，R_g-2以改变电流量程，在系统管理程序控制下，R_r及R_g的不同组合可使恒阻输出阻抗在25Ω～20MΩ范围内变化。（14）可选用大功率、高速度、宽频带的运放，为保证其输出低漂移及高稳定性，还要求它有较高的输入阻抗，考虑到其输出在编程时有短路的可能，还要求它具有输出短路保护功能，此处选用的是LF357，为了增加其输出功率，（14）后可串接一功放电路;运放（11）、（12）、（13）亦选用LF357;

图3为计时器电路原理图。图中（21）为比较器，（22）为触发器，（23）为门电路，（24）为计数器。其工作过程是这样，在命令代码的作用下产生计时开始信号S_T，让RS触发器置位，它使时钟信号通过门电路（23）使计数器（24）计数，如果测量的电流或电压信号超过门信号所给定的电平，比较器（21）输出跳变使RS触发器复位，关闭门电路，使计数器停止工作，计数器的数据通过数据收发器传送给计算机就可以计算出达到给定电平所用时间。

图4为系统联接形式之一的框图，测控模块都并接在计算机的外部总线上。模块的数目等于被测控对象数目。每个模块的输出（入）线只与测控对象的一条外引线相连（共地线）。全部模块都在计算机的统一控制下协调地工作，自动执行指定的测控任务。

Claims

1、一种用于自动测量和控制系统的通用模块，以及主要是管理和应用该模块的计算机系统，它包括一套管理该模块的程序，模块通过总线与计算机相连，模块本身包括地址译码器(1)，数据收发器(2)，命令锁存器(3)，数据锁存器(4)，模数转换器(5)，状态缓冲器(6)，计时器(7)，VIR功能单元(8)，其特征在于所述通用模块中的VIR功能单元有四块或四块以上运放作为基本构件，并且还设置有用于改变其电路形式从而达到变换其工作状态的继电器或类似器件的触点J₁～J_n，特别是，在处于主回路位置上的驱动运放(14)的输入端，同时施加有用以实现恒阻输出工作方式的两路反馈信号，即同时施加有通用模块输出电压和输出电流负反馈。

2、根据权利要求1所述的通用模块，其特征在于所述VIR功能单元的电路连接方式是：数据代码经D/A转换器变换为模拟电流信号经J₁到驱动运放（14）的反相输入端，运放（14）的输出经电流取样电阻R_g及J₇到被测控对象，电压跟随器（11）的正输入端与VIR功能单元的输出相连，运放（14）的输出端还同时经电阻R_a与反相器（12）的负输入端相连，R_a、R_b、R_c与反相器（12）组成一个完整的反相器电路;加法器（13）的负输入端并联有三路电阻，一路是经电阻R_c引入的反相器（12）的输出电压信号，一路是经Rf引入的电压跟随器（11）的输出电压信号，一路是加法器（13）反馈电阻R_d的一端;触点J₁、J₂、J₃、J₄的一端同接在运放（14）的负输入端上，J₁的另一端与通用模块内的数模输出相连，数模转换器与数据锁存器（4）相连（图1中未标明，可认为是包含在数据锁存器内）;J₂的另一端经电阻R_e与加法器（13）的输出端相连;J₃的另一端和J₄的另一端分别经电阻R_v和R_r与电压跟随器（11）的输出端相连;J₆的一端与加法器（13）的输出端相连，J₅的一端与电压跟随器（11）的输出相连，J₅J₆的另一端均接在模数转换器上。

3、根据权利要求2所述的通用模块，其特征在于VIR功能单元中电阻Rf阻值按照公式：R_f＝R_a·R_c/R_b进行选择。

4、根据权利要求1所述的通用模块和计算机系统，其特征在于所述计算机系统与测量控制对象之间是通过所述的通用模块进行联接的。