CN104007339A - 一种采用远距离传输方式的光电耦合器电参数在线测试系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用远距离传输方式的光电耦合器电参数在线测试系统,涉及航天电子学测量技术领域。该系统中包括试验板、数据采集器、电源和上位机。该数据采集器中包括信号调理电路、电流-电压转换电路、仪表放大器、模数转换器和MCU。该系统实现对光电耦合器空间辐射敏感参数电流传输比(CTR)、通态集电极电流(I_{C （ on ）})、通态集电极-基极电流(I_R)、漏电流(I_{C （ off ）})、饱和压降(V_CE(SAT))的远程（20米以内）高精度测试。本发明还涉及一种光电耦合器在线测试方法。

Description

一种采用远距离传输方式的光电耦合器电参数在线测试系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种采用远距离传输方式的光电耦合器电参数在线测试系统和方法，并特别涉及一种基于小电流保护技术的光电耦合器在线测试系统和方法。本发明属于航天电子学测量技术领域。 

背景技术

在航天领域，光耦可以作为终端隔离元件运用于长线传输信息系统中，可大大提高信噪比；也可以作为信号隔离的接口器件用于计算机数字通信系统中，增强计算机工作的可靠性。空间辐射环境存在的大量辐射粒子，如电子、质子和重离子等。在地球周围粒子辐照引起光耦的电特性参数退化，严重时导致器件失效，从而影响到航天器的在轨任务。

自从TOPEX/Poseidon飞行器在轨运行2年后失效，光耦合器的空间辐射损伤效应引起了国外高度重视。其原因是由光耦器件受空间质子辐射产生位移损伤效应，引起器件性能退化所致。因此，光耦在航天应用中需要对其抗位移辐射损伤的能力进行评估。目前，地面模拟空间位移辐射损伤的辐射源主要有1MeV能量的中子或一定能量（10MeV~400MeV）的质子，通过辐照累计粒子注量来等效模拟光电器件在空间应用寿命周期内所接收到的位移损伤剂量。在地面模拟位移辐射源中，1MeV能量的中子和高能质子对辐照后的材料具有活化作用，使其具有二次放射性，不能立刻采用离线测试的方式进行，只能采用原位测试的方法或者待被辐照样品的二次放射性降低在安全范围内后，但时间一般较长，且随着辐照注量的增大，放射时间越长，进而影响评估试验的进度。此外，由于光耦器件由发光二极管和光敏三极管组成，为混合器件，因此不能对光耦样品开帽进行辐照（开帽后会影响器件的CTR参数），进而也就无法采用较低能量的质子直接进行位移评估试验（如10MeV能量质子的射程为604.3μm）。因此，为确保试验进度和放射性安全，实现工程化的光耦位移损伤效应评估平台，需要一种通用的光耦器件电参数在线测试装置。

发明内容

本发明是为了解决基于地面模拟位移辐射中子源辐照光电耦合器后因二次放射性不能在短时间内离线进行测试的问题。

根据本发明的实施例，提出了一种光电耦合器在线测试系统，包括：

试验板，其上设置有用于承载待测的光电耦合器的DUT载板，并且所述试验板能够对所述光电耦合器进行固定，并且在暴露于辐照场的情况下经由屏蔽线输出来自所述光电耦合器的信号；数据采集器；电源，其适用于对所述DUT载板和所述数据采集器进行供电；以及上位机，其适用于控制所述数据采集器、所述DUT载板和所述电源，并且实时接收来自所述MCU的信号，并且利用来自所述MCU的信号计算出所述光电耦合器的参数，保存并且显示所计算出的参数。

该数据采集器包括以下部件：一个或多个信号调理电路，其适用于对所述试验板输出的信号进行信号调理；仪表放大器，其对信号调理后的所述信号进行放大处理；模数转换器，其对放大后的信号进行模数转换；以及MCU，其采集转换后的信号，并且进行打包处理后输出。

根据进一步优选的实施例，该系统还包括被设置于所述DUT载板和所述信号采集器之间的矫正线，所述矫正线拾取所述系统在工作中所产生的干扰信号，所述数据采集器利用所述干扰信号采用软件算法来消除所采集的测试信号中的干扰。

根据进一步优选的实施例，所述数据采集器的测试信号输入端处还包括输入保护电路，所述输入保护电路包括限流电阻器和限压二极管。

根据进一步优选的实施例，所述仪表放大器是智能放大电路，通过程控电位器来控制和改变所述智能放大电路的放大倍数。

根据进一步的实施例，当来自所述光电耦合器的信号为电流信号时，所述信号调理电路中还存在对应的电流-电压转换电路，所述电流-电压转换电路适用于根据来自所述光电耦合器的信号的预定级别，利用适当大小的采样电阻对来自所述光电耦合器的信号进行电流-电压转换。

根据进一步优选的实施例，所述DUT载板适用于承载表贴型封装、陶瓷封装和/或金属封装的光电耦合器。

根据进一步优选的实施例，所述光电耦合器的参数包括通态集电极电流、通态集电极-基极电流、漏电流、饱和压降和电流传输比。

根据本发明的另一实施例，提出了一种光电耦合器在线测试方法，包括以下步骤：

将一个或多个待测的光电耦合器放置于对应的一个或多个DUT载板上，然后将所述一个或多个DUT载板设置于试验板上；将准备好的试验板放置在辐照场中，由低阻抗屏蔽导线（包括电源线和信号线）与之相接，并将导线引出至安全的测试的地点（辐射场以外）；将引出的导线中的信号线部分与数据采集器相连，将所述导线中的电源线部分接电源；通过上位机软件，对连接好的所述光电耦合器进行加点，并进行状态确认和电参数测试，待测试完成后进入辐照过程；在对所述光电耦合器进行辐照的时候，通过所述试验板向所述光电耦合器输入信号，并输出来自所述光电耦合器的信号；利用数据采集器采集来自所述光电耦合器的信号，并且随后对来自所述光电耦合器的信号依次进行信号调理、电流-电压转换、模数转换后，然后将处理后的数据上传到上位机；以及利用上位机实时接收来自所述数据采集器的信号，并且计算出所述光电耦合器的参数，保存并且显示所计算出的参数。

利用本发明的在线测试系统和方法，实现了对光电耦合器的安全可靠的远程测试，并且能够实现同时对多个光电耦合器进行多种参数的测试，依据矫正线的使用提高了测试精度。

附图说明

尽管本公开可容许各种修改和替代方式，但以示例的方式在附图中示出并在本文中详细描述了特定实施例。然而，应当理解，附图及其详细描述并非意在将本公开限定于所公开的特殊方式，而相反，本公开意在涵盖均落入本发明的精神和范围内的所有的修改、等同方式和替代方式。

图1是根据本发明的光电耦合器在线测试系统的示意图。

图2示出了以方框图形式的本系统的结构原理示意图。

图3和图4示出了DUT载板的原理示意图。

图5示出了数据采集器的示例性构造。

图6示出了电流-电压转换电路的具体结构。

图7示出了输入保护电路的示意性电路。

图8示出了光电耦合器的电流传输比的测试原理。

图9示出了电参数测试信号通信接口的具体定义和要求。 

具体实施方式

下文参考附图来具体描述本发明的具体实施例。

光电耦合器在线测试系统的示意图如图1所示。该系统主要有试验板（也称为辐照板）、DUT载板、数据采集器、电源和上位机等部件。在各个部件之间利用相应的数据线或电源线相互连接，如图1中所示的网线、RS-422导线、RS232线等。所采用的线缆优选是低阻抗带屏蔽线缆。各部分功能说明如下：

1、上位机管理电脑（例如是笔记本电脑）：

    运行系统管理软件（Windows XP SP3/Win 7-32操作系统平台，管理软件由C语音开发完成）；

    负责向数据采集器发送控制指令（通过RS-422接口）；

      实时接收数据采集器发来的数据；

      显示、存储（Excel\csv\txt等标准格式存储）、回放接收到的数据；

      向程控电源发送控制指令（通过网线）。

2. 电源：   

      根据笔记本电脑的设定，向试验板提供电源；

      通过网线接收上位机电脑的指令。

3. 数据采集器：

      根据上位管理电脑的指令设定试验条件参数；

   对多个DUT的各项待检测参数进行采集；

   将采集到试验样品数据打包上传至上位机电脑；

   与上机电脑通过RS-422接口进行通讯。

4. 试验板：

   为DUT提供电源支持；

   承载样品或样品载板；

   为待测样品提供各种试验环境条件；

   通过阻抗带屏蔽线缆将待测样品的输出连接到数据采集器。

5. DUT（Device Under Test）载板

   承载各种不同封装的待测样品；

   将待测品的输入/输出信号连接到试验板的标准化接口。

6. 通讯接口

   采集器与上位机的通讯采用RS232串行接口。

 实现电压信号、电流信号的通信，同时对载板上的样品施加测试所需的电压及地信号。

而图2以方框图形式示出了本系统的结构原理示意图。其中大体示出了该系统的基本信号流向，并且数据采集器与上位机之间采用串口通信（如RS-422接口）。DUT载板被设置于试验板（即辐照板）上。

图3和图4示出了DUT载板的原理示意图。该DUT载板优选经由低阻抗带屏蔽传输线与电源和信号调理电路相连，并且适用于承载待测试的各种型号的光电耦合器，并且在测试期间，在上位机的控制下对将输入信号提供给光电耦合器，并将来自光电耦合器的输出信号提供给数据采集器，该输出信号包括电流信号和电压信号。DUT载板优选地适用于同时对多个光电耦合器进行测试，例如适用于承载表贴型封装、陶瓷封装和/或金属封装等多种光电耦合器。而为了检测光电耦合器在辐照下的参数，在测试时试验板对光电耦合器进行辐照。

该数据采集器具体包括一个或多个信号调理电路、一个或多个电流-电压转换电路、仪表放大器、模数转换器、MCU以及可选的一个或多个模拟开关等部件。该数据采集器负责对来自DUT载板的信号进行处理，并将处理后的数据上传到上位机。数据采集器的一种示例性构造如图5所示。需要注意的是，图5仅仅是示例性构造，而数据采集器的构造不限于此。

信号调理电路接收来自DUT载板的信号，由此对来自光电耦合器的信号进行调理。而由于模数转换只能针对电压信号进行，因而在接收的信号是电流信号的情况下，信号调理电路中还具有电流-电压（I/V）转换电路将电流信号转换为电压信号。电流-电压转换电路的具体结构如图6所示。其中，RI1为高精度、稳定性采样电阻，则输出电压可表示为：

                                                 （1）

而由于输入电流的跨度太大，从nA到mA级别，故采用分量程级转换。根据优选的实施例，采用四个量程级的电流-电压转换电路来分别对相应的电流进行转换。其中，相应的RI1的大小可以100欧、10K欧、1M欧或100M欧，以分别对mA到nA级别之间的电流进行I/V转换。由于需要测量nA级的电流，故其中的运放采用高输入阻抗（1012欧级别），低输入偏置电流（pA级别）和低输入失调电流的器件，例如可以是LM387AN。对于4个转换级别的电路，其各自的输入和总的输入引脚通过模拟开关进行隔离，该模拟开关优选选择高隔离度的器件。模拟开关的位置例如图5中所示的。

该仪表放大器是智能放大电路，由MCU通过程控电位器来控制和改变所述智能放大电路的放大倍数。而该模数转换器对放大后的电压信号进行模数转换，并且例如采用AD7606的芯片来实现。

该MCU可以是单片机（例如是STM32F103VCT6型单片机）、DSP（数字信号处理器）或可编程逻辑器件等。MCU用于控制数据采集器的各部件的工作。优选的是，MCU通过模数转换后的数据对信号调理电路进行相应的反馈控制，以得到最高的采样精度。

根据优选的实施例，数据采集器的信号输入端处还包括输入保护电路，所述输入保护电路包括限流电阻器和限压二极管，以实现过流保护和过压保护。而由于需要测量的信号为电流信号，故过压保护二极管器件的选型要选择漏电流极低的器件，例如漏电流应该小于10pA。该输入保护电路的示意性电路如图7所示。其中RP1为可恢复电阻丝，正常工作状态时，RP1通过测试电流比较小，其阻值相对于后续的I/V转换部分可以忽略，而一旦有错误情况造成大电流时，RP1将断开后续电路和输入部分，保护后续电路。DP1和DP2为保护二极管（优选具有极低的漏电流），如果输入电压过高或者过低，DP1和DP2将输入电压IN_CH1钳位在V+和V-附近，以避免高电压保护后续电路。而钳位时电流加大从而和RP1配合断开输入，保证长时间在错误状态时工作而不损坏后续的电路。

根据另一优选的实施例，由于必须有一定距离长度的连接线将信号引到测试板，信号传输尽管采用低阻抗带屏蔽线，但相对于nA级别的小电流，其干扰影响依然很大。因此本发明创造性地采用一条矫正线拾取信号线传输中所产生的干扰，而矫正线上不搭载任何实际信号，将此干扰信号和实际信号进行对比，采用软件相关算法消除干扰，以提高nA级电流采集的精度。由此实现小电流的保护和测试技术。

下面描述本发明的光电耦合器在线测试系统的大体工作流程。通过低阻抗屏蔽线缆将光电耦合器DUT载板上的原始电压、电流信号接入到数据采集器上的信号调理电路，通过信号调理后的光电耦合器信号进入模数（A/D）转换，由MCU控制AD器件实现数据转换，并根据数据转换的结果对信号调理电路进行反馈控制，以实现更高的AD采样精度。对AD采样后的数据由MCU控制器整理打包后发给PC上位机。最后由上位机软件做进一步的分析、显示、统计和保存。

本发明的系统实现对光电耦合器空间辐射敏感参数电流传输比(CTR)、通态集电极电流(I_C（on）)、通态集电极-基极电流(I_R)、 漏电流(I_C（off）)、饱和压降(V_CE(SAT)) 的远程（20米以内）高精度测试。

下面以电流传输比为例来描述光电耦合器的测试原理，同时参见图8所示，电流传输比的测试原理见公式（2）所示。其他参数的测试均由加电压测电流和加电流测电压来实现。

（2）

图9示出了电参数测试信号通信接口的具体定义和要求。应当理解的是，图9仅仅是通信接口的一种示例，其具体实施方式不限于此。

与传统的离线测试方法比，该方法具有安全性高（远距离操作避免了接触产生二次辐射损伤的危害性）、测试快（在线测试无需等待）、覆盖广（能够实现对表贴型封装、陶瓷封装和/或金属封装的光耦器件进行测试）等优点。测试参数指标达到: 电流传输比（CTR）测试能力覆盖0~1000%；测试精度为0.1%，测试数据结果与专用集成测试系统的结果误差范围在1%以内；电流测试覆盖范围为0.1μA~20mA，测试精度为0.1μA；电压测试覆盖范围为0.1mV~50V，测试精度不低于测试量程的0.1%。

可对本发明的优选实施例进行很多变化和修改，而实质上不偏离本发明的精神和远离。在本文所有这样的修改和变化旨在被包括在权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种采用远距离传输方式的光电耦合器电参数在线测试系统，包括：

试验板，其上设置有用于承载待测的光电耦合器的DUT载板，并且所述试验板能够对所述光电耦合器进行固定，并且在暴露于辐照场的情况下经由屏蔽线输出来自所述光电耦合器的电压和电流信号；

数据采集器，其包括以下部件：

    一个或多个信号调理电路，其适用于对所述试验板输出的信号进行信号调理；仪表放大器，其对信号调理后的所述信号进行放大处理；模数转换器，其对放大后的信号进行模数转换；以及MCU，其采集转换后的信号，并且进行打包处理后输出；

电源，其适用于对所述DUT载板和所述数据采集器进行供电；以及

上位机，其适用于远程控制所述数据采集器、所述DUT载板和所述电源，并且实时接收来自所述MCU的信号，并且利用来自所述MCU的信号计算出所述光电耦合器的参数，保存并且显示所计算出的参数。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括被设置于所述DUT载板和所述信号采集器之间的矫正线，所述矫正线拾取所述系统在工作期间所产生的干扰信号，所述数据采集器利用所述干扰信号采用软件算法来消除所采集的信号中的干扰。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据采集器的测试信号输入端处还包括输入保护电路，所述输入保护电路包括限流电阻器和限压二极管。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，当来自所述光电耦合器的信号为电流信号时，所述信号调理电路中还存在对应的电流-电压转换电路，所述电流-电压转换电路适用于根据来自所述光电耦合器的信号的预定级别，利用适当大小的采样电阻对来自所述光电耦合器的信号进行电流-电压转换。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述仪表放大器是智能放大电路，所述MCU通过程控电位器来控制和改变所述智能放大电路的放大倍数。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述一个或多个信号调理电路和所述仪表放大器还存在多路开关，以实现对来自一个或多个信号调理电路的信号进行切换。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述DUT载板适用于承载表贴型封装、陶瓷封装和/或金属封装的光电耦合器。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光电耦合器的参数包括通态集电极电流、通态集电极-基极电流、漏电流、饱和压降和电流传输比。

9.一种光电耦合器远距离在线测试方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一、将一个或多个待测的光电耦合器放置于对应的一个或多个DUT载板上，然后将所述一个或多个DUT载板设置于试验板上；

步骤二、将步骤一准备好的试验板放置在辐照场中，由低阻抗屏蔽导线与所述试验板相接，并将所述导线引出至安全的测试的地点；

步骤三、将步骤二中引出的所述导线中的信号线部分与数据采集器相连，将所述导线中的电源线部分接电源；

步骤四、通过上位机软件，对连接好的所述光电耦合器进行加电，并进行状态确认和电参数测试，待测试完成后进入辐照过程；

步骤五、在对所述光电耦合器进行辐照的时候，通过所述试验板向所述光电耦合器输入信号，并输出来自所述光电耦合器的信号；

步骤六、利用数据采集器采集来自所述光电耦合器的信号，并且随后对来自所述光电耦合器的信号依次进行信号调理、电流-电压转换、模数转换后，然后将处理后的数据上传到上位机；

步骤七、利用上位机实时接收来自所述数据采集器的信号，并且计算出所述光电耦合器的参数，保存并且显示所计算出的参数。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：

利用设置于所述DUT载板和所述信号采集器之间的矫正线来拾取所述系统在测量期间所产生的干扰信号，并且所述数据采集器利用所述干扰信号采用软件算法来消除所采集的信号中的干扰。