CN104865515B - 一种多通道集成运算放大器性能参数在线测试系统 - Google Patents
一种多通道集成运算放大器性能参数在线测试系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种多通道集成运算放大器性能参数在线测试系统，它是由Agilent高精密电源、5V直流开关电源、SF124RH运算放大器、测试电路、控制信号输入与驱动电路、采集控制模块和PC端监控程序组成。它是通过切换单刀双掷开关用“辅助放大器测试法”和“简易反馈测试法”两种方式来测试运算放大器的输入失调电压、失调电流和偏置电流的性能参数。调试时，通过拨码开关设置电磁继电器的状态，从而测量所需数据；通过VB程序设置采集通道的次序和数据并保存。它能够满足将测试多个通道工作状态下的集成运算放大器电路中不同的性能参数在线自动采集的需求。目前该系统已经应用于集成运算放大器寿命评估技术研究实验中，运行稳定，效果显著。
Description
技术领域
本发明涉及一种在线测试系统，特别涉及一种多通道集成运算放大器性能参数在线测试系统，属自动化技术领域。
背景技术
近年来，虽然数字化仪器、设备越来越多，但在绝大多数电子设备中，模拟运算放大器仍然得以广泛应用。其品种多，被测参数也很多，产量也大。由于模拟电路故障的多样性，对集成运算放大器的性能参数进行测试，可以有效地发现产品的潜在问题和产品特性。经过长期的研究，描述集成运算放大器性能的主要参数有输入失调电压VIO、输入失调电流IIO、输入偏置电流IIB、开环电压增益AVD、电源电压抑制比KSVR、共模抑制比KCMR、开环差模输入电阻RID、开环输出电阻ROS。
针对集成运算放大器的各个参数，广泛使用的测试方法是辅助放大器的测试方法。这是因为运算放大器生产量大，必然要求自动化测试，只有辅助放大器闭环测试发适用于量产自动化测试，再者，随着集成电路工艺的进步，运算放大器的开环增益越来越高，开环带宽越来越窄，要求加入的信号频率越来越低，这给测试造成巨大困难，而闭环测试法可以避免测试信号低频率的限制问题。
本发明采用辅助放大器测试法和简易反馈测试法两种方法来实现对集成运算放大器的输入失调电压VIO、输入失调电流IIO、输入偏置电流IIB参数的测试，并通过上位机软件来控制测试电路的时序，使用带有数字量输出的数据采集模块来给定驱动信号，控制测试电路的状态。
发明内容
1)发明目的
本发明的目的在于提供一种多通道集成运算放大器性能参数在线测试系统，它能够对多个通道且工作状态下的集成运算放大器性能参数进行数据测量与采集，实现自动化的在线操作，满足将测试集成运算放大器的电路中不同的性能参数数据在线自动采集的需求。
2)技术方案
本发明为一种多通道集成运算放大器性能参数在线测试系统，它是由Agilent高精密电源、5V直流开关电源、SF124RH运算放大器、测试电路、控制信号输入与驱动电路、采集控制模块和PC端监控程序组成；它们相互之间的连接关系是：Agilent高精密电源为被测集成运算放大器提供10V的电压；5V直流开关电源为测试电路和采集控制模块供电；测试电路的输出端与采集控制模块的模拟输入端连接，采集控制模块的数字输出端与驱动电路连接为测试电路的电磁继电器提供信号，且采集控制模块通过USB2.0的电缆与PC端连接，并通过编写的VB程序进行在线测试系统的控制和数据的实时监控。其中电路中的拨码开关的作用是进行电路调试时，给继电器时序信号。VB程序通过采集控制模块输出时序信号，控制各个继电器的断开闭合，并在电路不同状态下采集输出端测量值，实现对运算放大器的测试。测量得到的数据被传回到监控程序进行程序数据处理并更新PC程序界面上的显示数据。
所述Agilent高精密电源，是能够发生AB两路10V电压的电源设备，用于被测集成放大器供电。其中A+/B+端为10V，A-/B-端为-10V，当A+端与B-端连接或A-/B+端连接时，为精密电源的零点位点；
所述5V直流开关电源，是型号为S-750-5，输入电压110V-220VAC转换为5VDC15ADC输出的电源设备，用于给测试电路和控制信号输入与驱动电路供电；
所述SF124RH运算放大器，是采用双极工艺制作的单片集成电路，是一种低功耗四路运算放大器，内部由四个独立工作的低功耗运算放大器组成，其具有低失调、高增益、共模输入范围大、电源电压范围宽、内部频率补偿等特点。将其安装在芯片座上，便于运算放大器的保护和拆卸；
所述测试电路，包括核心器件SF124RH运算放大器、SRD-05VDC-SL-C电磁继电器、芯片座、若干陶瓷低感电容器、正向输入电阻、负向输入电阻、正向输入分流电阻、负向输入分流电阻、正向输入保护电阻和反馈电阻组成。其相互之间的关系是：将SF124RH运算放大器安装在芯片座上，其引脚2——1IN-与负向输入电阻一端和电磁继电器的常闭端连接，引脚3——1IN+与正向输入电阻一端和电磁继电器常闭端连接，引脚1——1OUTPUT与引脚5——2IN+和单刀双掷开关常闭端连接，引脚6——2IN-与GND连接，引脚7——2OUTPUT与单刀双掷开关常闭端连接，引脚14——4OUTPUT、引脚8——3OUTPUT、引脚13——4IN-、引脚9——3IN-连接，引脚12——4IN+和引脚10——3IN+连接，引脚4——VCC与Agilent高精密电源中的正极连接，引脚11——GND和Agilent高精密电源中的负极连接，构成运算放大器中的2通道做辅助放大器测1通道的性能参数的电路。反馈电阻的一端与单刀双掷开关常闭端和采集控制模块的模拟输入AI端连接，反馈电阻的另一端与电磁继电器的常闭端、负向输入分流电阻和负向输入电阻的另一端连接；正向输入分流电阻与电磁继电器常闭端、正向输入电阻的一端、正向输入保护电阻的一端连接，正向输入电阻、负向输入电阻、正向输入保护电阻并联接Agilent高精密电源的零电位点；继电器的一个线圈端与5V直流开关电源的正极相连，另一个线圈端与控制信号输入与驱动电路的ULN2803的输出端连接；运算放大器电源引出端各用一只0.1μF和10μF的电容器进行旁路并接地。该正向输入电阻和负向输入电阻是：普通引线式电阻，电阻值为100Ω；该正向输入分流电阻和负向输入分流电阻是：普通引线式电阻，电阻值为10kΩ；该反馈电阻是：普通引线式电阻，电阻值为100kΩ；该电容为陶瓷低感电容，电容值为0.1μF和10μF，作用是去电源耦合；
所述控制信号输入与驱动电路，主要是ULN2803八路NPN达林顿连接晶体管阵、拨码开关和输入限流电阻组成。5V直流开关电源为ULN2803供电；输入限流电阻一端与5V直流开关电源连接，一端与拨码开关连接；采集控制模块的数字输入DO端和拨码开关与ULN2803输入端连接，用于驱动测试电路的电磁继电器来实现对多个参数的测量；该输入限流电阻是：普通引线式电阻，电阻值为10kΩ；
所述采集控制模块，是由有16个模拟输入通道，模拟量分辨率为12bit的USB-4711A模块组成。故设计系统具有16个测试通道，包括16个通道的测试和工作电路，其切换通过控制电磁继电器的状态实现。该模块量程为从±1.25到±10V，并具备8个数字输入通道和8个数字输出通道。采集控制模块使用USB接口与PC连接，受PC端程序控制，主要用于控制测试电路的时序和试验样品在测试状态之间的切换，并将测试结果传回到PC端。使用数字输出通道通过ULN2803来驱动各个继电器，模拟通道则采集电平信号；
所述PC端监控程序，是Visual Basic(简称“VB”)软件编写的程序。它主要包括系统设置界面和参数报表界面。该程序主要用于在线测试系统的控制和数据的实时监控。程序使用一个定时器，间隔一段时间通过采集控制模块输出的时序信号，控制各个继电器的断开闭合，并在电路不同状态下采集输出端测量值，实现对运算放大器的测试。测量得到的数据被传回到监控程序，程序处理数据时先按照各个参数与采集数据之间的换算公式计算出对应的参数值并存入数据库，然后更新程序界面上的显示数据；
本发明可以自由切换单刀双掷开关用两种方式来测试运算放大器的性能参数。采集控制模块的数字输出信号为电磁继电器提供输入信号驱动电路时，若单刀双掷开关不切换，测试集成运算放大器参数的方法为“辅助放大器测试法”，可测量运算放大器的输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流。若单刀双掷开关切换，测试集成运算放大器参数烦人方法为“简易反馈测试法”，可测量集成运算放大器的输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流。两种方法的区别在于后者结果简单，测试方便，但是测得的性能参数的误差较大。
3)优点及效果
本发明为一种多通道集成运算放大器性能参数在线测试系统，它的优点是使用PC端的VB程序能灵活的设置采集控制模块的时序从而控制电磁继电器的断开闭合，工作和测试电路切换方便，能够实现在线数据的测试和采集，使用精密电源能够避免测试信号低频率的问题。结构简单，可以灵活减少SF124RH运算放大器的数量，操作方便，能够选择“辅助放大器测试法”和“简易反馈测试法”两种方法来对放大器的参数进行测试，能有效地保护各个部件，被测器件的电源引出端用陶瓷电容对电源去耦，减少了电源波动的干扰，提高了系统的安全性和可靠性。
本发明为一种多通道集成运算放大器性能参数在线测试系统，能够满足将测试多个通道且工作状态下的集成运算放大器的电路中不同的性能参数数据在线自动采集的需求。目前该系统已经应用于集成运算放大器寿命评估技术研究实验中，运行稳定，效果显著。
附图说明
图1本发明的结构图。
图2SF124RH运算放大器引脚图。
图3测试电路原理图。
图4控制信号输入与驱动电路原理图。
图5采集控制模块原理图。
图6数据采集系统流程图。
图7PC端系统设置界面图。
图8PC端参数报表界面图。
图9电路板上的电路图(16个通道)。
图10内部配线图。
图11ULN2803内部结构图。
图中符号、代号说明如下：
VCC：5V直流开关电源的正极5V
V0/V+/V-：精密电源的零位点、10V和-10V
DUT0～DUT15：被测放大器
AUX0～AUX15：辅助放大器
CH0～CH15：测试通道
S0～S3：拨码开关
S10～S25：单刀双掷开关
K0～K31：电磁继电器
P1/P2/PV3/PVCC：接插件
DC：直流
DGND：数字信号接地端
AGND：模拟信号接地端
GND：接地端
具体实施方式
见图1，本发明为一种多通道集成运算放大器性能参数在线测试系统，它是由Agilent高精密电源、5V直流开关电源、SF124RH运算放大器、测试电路、控制信号输入与驱动电路、采集控制模块和PC端监控程序组成；它们相互之间的连接关系是：Agilent高精密电源为被测集成运算放大器提供10V的电压；5V直流开关电源为测试电路和采集控制模块供电；测试电路的输出端与采集控制模块的模拟输入端连接，采集控制模块的数字输出端与驱动电路连接为测试电路的电磁继电器提供信号，且采集控制模块通过USB2.0的电缆与PC端连接，并通过编写的VB程序进行在线测试系统的控制和数据的实时监控。其中电路中的拨码开关的作用是进行电路调试时，给继电器时序信号。VB程序通过采集控制模块输出时序信号，控制各个继电器的断开闭合，并在电路不同状态下采集输出端测量值，实现对运算放大器的测试。测量得到的数据被传回到监控程序进行程序数据处理并更新PC程序界面上的显示数据。
所述Agilent高精密电源，是能够发生AB两路10V电压的电源设备，用于被测集成放大器供电。其中A+/B+端为10V，A-/B-端为-10V，当A+端与B-端连接或A-/B+端连接时，为精密电源的零点位点。
所述5V直流开关电源，是型号为S-750-5，输入电压110V-220VAC转换为5VDC15ADC输出的电源设备，用于给测试电路和控制信号输入与驱动电路供电。
所述SF124RH运算放大器，其引脚图如图2，是采用双极工艺制作的单片集成电路，是一种低功耗四路运算放大器，内部由四个独立工作的低功耗运算放大器组成，其具有低失调、高增益、共模输入范围大、电源电压范围宽、内部频率补偿等特点。将其安装在芯片座上，便于运算放大器的保护和拆卸。
所述测试电路，原理图如图3，包括核心器件SF124RH运算放大器、SRD-05VDC-SL-C电磁继电器、芯片座、若干陶瓷低感电容器、正向输入电阻、负向输入电阻、正向输入分流电阻、负向输入分流电阻、正向输入保护电阻和反馈电阻组成。其相互之间的关系是：将SF124RH运算放大器安装在芯片座上，其引脚2——1IN-与负向输入电阻一端和电磁继电器的常闭端连接，引脚3——1IN+与正向输入电阻一端和电磁继电器常闭端连接，引脚1——1OUTPUT与引脚5——2IN+和单刀双掷开关常闭端连接，引脚6——2IN-与GND连接，引脚7——2OUTPUT与单刀双掷开关常闭端连接，引脚14——4OUTPUT、引脚8——3OUTPUT、引脚13——4IN-、引脚9——3IN-连接，引脚12——4IN+和引脚10——3IN+连接，引脚4——VCC与Agilent高精密电源中的正极连接，引脚11——GND和Agilent高精密电源中的负极连接，构成运算放大器中的2通道做辅助放大器测1通道的性能参数的电路。反馈电阻的一端与单刀双掷开关常闭端和采集控制模块的模拟输入AI端连接，反馈电阻的另一端与电磁继电器的常闭端、负向输入分流电阻和负向输入电阻的另一端连接；正向输入分流电阻与电磁继电器常闭端、正向输入电阻的一端、正向输入保护电阻的一端连接，正向输入电阻、负向输入电阻、正向输入保护电阻并联接Agilent高精密电源的零电位点；继电器的一个线圈端与5V直流开关电源的正极相连，另一个线圈端与控制信号输入与驱动电路的ULN2803的输出端连接；运算放大器电源引出端各用一只0.1μF和10μF的电容器进行旁路并接地。根据推荐的工作状态，正向输入电阻和负向输入电阻阻值为100Ω，正向输入分流电阻和负向输入分流电阻阻值为10kΩ，反馈电阻阻值为100kΩ，电源去耦的电容电容值为0.1μF和10μF，测试通道的电容容值为0.1μF。
所述控制信号输入与驱动电路，原理图如图4，主要是ULN2803八路NPN达林顿连接晶体管阵、拨码开关和输入限流电阻组成。5V直流开关电源为ULN2803供电；输入限流电阻一端与5V直流开关电源连接，一端与拨码开关连接；采集控制模块的数字输入DO端和拨码开关与ULN2803输入端连接，用于驱动测试电路的电磁继电器来实现对多个参数的测量。根据推荐的工作状态，输入限流电阻阻值为10kΩ。
所述采集控制模块，原理图如图5，是由有16个模拟输入通道，模拟量分辨率为12bit的USB-4711A模块组成。故设计系统具有16个测试通道，包括16个通道的测试电路，通过控制电磁继电器的状态实现来控制测量参数所需的数据。该模块量程为从±1.25到±10V，并具备8个数字输入通道和8个数字输出通道。采集控制模块使用USB接口与PC连接，受PC端程序控制，主要用于控制测试电路的时序和试验样品在测试状态之间的切换，并将测试结果传回到PC端。使用数字输出通道通过ULN2803来驱动各个继电器，模拟通道则采集电平信号。
所述PC端监控程序，是Visual Basic(简称“VB”)软件编写的程序。它主要包括系统设置界面和参数报表界面。该程序主要用于在线测试系统的控制和数据的实时监控。程序使用一个定时器，间隔一段时间通过采集控制模块输出的时序信号，控制各个继电器的断开闭合，并在电路不同状态下采集输出端测量值，实现对运算放大器的测试。测量得到的数据被传回到监控程序，程序处理数据时先按照各个参数与采集数据之间的换算公式计算出对应的参数值并存入数据库，然后更新程序界面上的显示数据。
本发明可以自由切换单刀双掷开关用两种方式来测试运算放大器的性能参数。采集控制模块的数字输出信号为电磁继电器提供输入信号驱动电路时，若单刀双掷开关不切换，测试集成运算放大器参数的方法为“辅助放大器测试法”，可测量运算放大器的输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流。若单刀双掷开关切换，测试集成运算放大器参数烦人方法为“简易反馈测试法”，可测量集成运算放大器的输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流。两种方法的区别在于后者结果简单，测试方便，但是测得的性能参数的误差较大。
本发明的结构图如图1，SF124RH运算放大器引脚图如图2，电路图如图9，内部配线图如图10，ULN2803内部结构图如图11。图2中的的引脚与图9和图10中的放大器的连接一一对应。图2中，SF124RH运算放大器的后两路放大器的反相端和输出端连接，同相端和接地端连接。图9中电路板上的接插端子与图10中的接插端子一一对应；图9中，1.所有的16个相同的测试电路、4个相同的控制信号输入与驱动电路和1个采集控制模块简略表示，实际连接时应按照两端对应的标号一对一进行连接；2.各个通道的信号是可以共用的，采集模块每2路数字输出信号便可为4个测试电路中的8个电磁继电器提供驱动信号，每1路模拟输入信号与1个测试电路连接，传递模拟信号。因此采集模块的8路数字输出信号便可为16个测试电路中的32个电磁继电器提供驱动信号，16路模拟输入信号与16个测试电路连接，即本测试系统有16个通道；图10中，1.电源开关上，从一端引入电源(市电)的火线和零线，从中间端引出对应连接到直流电源的火线端子和零线端子；2.直流电源从电源开关连接火线端子和零线端子，输出的V+和V-即为所需的5V直流电源；3.Agilent高精密电源一端引入电源(市电)的火线和零线，中间端A+为V+，即+10V，B-端为V-，即-10V，A+端与B-端连接为精密电源的零位点V0；4.USB-4711A上的模拟输出的各个DGND相互连接起来，数字输入的各个AGND相互连接起来，USB2.0的电缆分别与USB-4711A和PC端对应连接。
本测试系统的运行流程如图6，具体运行过程为：调试时，使用拨码开关为数据采集系统提供输出时序，用示波器观察数据并进行采集，只为电路调试作用，无需设置时间；工作时，使用PC端监控程序设置数据采集系统所需的实际电路中的关键参数和采样周期，测试周期设置后直接存储到PC端的数据存储器中，实际电路中的关键参数通过VB程序的编程设定。采集控制模块读取这些参数和设置，将按照设定的时序逐次逐个通道测试全部被测器件的敏感参数，并将输出测试的数据保存至PC端数据库，因每采集一次数据是可以导出的，且可以按全部查看和导出所有采集数据，因此无需手动记录。图7为PC端系统设置界面图，图8为PC端参数报表界面图。
Claims (1)
1.一种多通道集成运算放大器性能参数在线测试系统，其特征在于：它是由Agilent高精密电源、5V直流开关电源、SF124RH运算放大器、测试电路、控制信号输入与驱动电路、采集控制模块和PC端监控程序组成；Agilent高精密电源为被测集成运算放大器提供10V的电压；5V直流开关电源为测试电路和采集控制模块供电；测试电路的输出端与采集控制模块的模拟输入端连接，采集控制模块的数字输出端与驱动电路连接为测试电路的电磁继电器提供信号，且采集控制模块通过USB2.0的电缆与PC端连接，并通过编写的VB程序进行在线测试系统的控制和数据的实时监控；其中电路中的拨码开关的作用是进行电路调试时，给继电器时序信号，VB程序通过采集控制模块输出时序信号，控制各个继电器的断开闭合，并在电路不同状态下采集输出端测量值，实现对运算放大器的测试；测量得到的数据被传回到监控程序进行程序数据处理并更新PC程序界面上的显示数据；
所述Agilent高精密电源，是能够发生AB两路10V电压的电源设备，用于被测集成放大器供电；其中A+端和B+端为10V，A-和B-端为-10V；当A+端和B-端连接，或者A-端和B+端连接时，为精密电源的零点位点；
所述5V直流开关电源，是输入电压110V-220VAC转换为输出电压5VDC，输出电流15ADC的电源设备，用于给测试电路和控制信号输入与驱动电路供电；
所述SF124RH运算放大器，是采用双极工艺制作的单片集成电路，是一种低功耗四路运算放大器，内部由四个独立工作的低功耗运算放大器组成，其具有低失调、高增益、共模输入范围大、电源电压范围宽、内部频率补偿的特点，将其安装在芯片座上，便于运算放大器的保护和拆卸；
所述测试电路，包括核心器件SF124RH运算放大器、SRD-05VDC-SL-C电磁继电器、芯片座、若干陶瓷低感电容器、正向输入电阻、负向输入电阻、正向输入分流电阻、负向输入分流电阻、正向输入保护电阻和反馈电阻组成，其间关系是：将SF124RH运算放大器安装在芯片座上，其引脚2——1IN-与负向输入电阻一端和电磁继电器的常闭端连接，引脚3——1IN+与正向输入电阻一端和电磁继电器常闭端连接，引脚1——1OUTPUT与引脚5——2IN+和单刀双掷开关常闭端连接，引脚6——2IN-与GND连接，引脚7——2OUTPUT与单刀双掷开关常闭端连接，引脚14——4OUTPUT、引脚8——3OUTPUT、引脚13——4IN-、引脚9——3IN-连接，引脚12——4IN+和引脚10——3IN+连接，引脚4——VCC与Agilent高精密电源中的正极连接，引脚11——GND和Agilent高精密电源中的负极连接，构成运算放大器中的2通道做辅助放大器测1通道的性能参数的电路；反馈电阻的一端与单刀双掷开关常闭端和采集控制模块的模拟输入AI端连接，反馈电阻的另一端与电磁继电器的常闭端、负向输入分流电阻和负向输入电阻的另一端连接；正向输入分流电阻与电磁继电器常闭端、正向输入电阻的一端、正向输入保护电阻的一端连接，正向输入电阻、负向输入电阻、正向输入保护电阻并联接Agilent高精密电源的零电位点；继电器的一个线圈端与5V直流开关电源的正极相连，另一个线圈端与控制信号输入与驱动电路的ULN2803的输出端连接；运算放大器电源引出端各用一只0.1μF和10μF的电容器进行旁路并接地；该正向输入电阻和负向输入电阻是普通引线式电阻，电阻值为100Ω；该正向输入分流电阻和负向输入分流电阻是普通引线式电阻，电阻值为10kΩ；该反馈电阻是普通引线式电阻，电阻值为100kΩ；该电容为陶瓷低感电容，电容值为0.1μF和10μF，作用是去电源耦合；
所述控制信号输入与驱动电路，是由ULN2803八路NPN达林顿连接晶体管阵、拨码开关和输入限流电阻组成；5V直流开关电源为ULN2803供电；输入限流电阻一端与5V直流开关电源连接，一端与拨码开关连接；采集控制模块的数字输入DO端和拨码开关与ULN2803输入端连接，用于驱动测试电路的电磁继电器来实现对多个参数的测量；该输入限流电阻是普通引线式电阻，电阻值为10kΩ；
所述采集控制模块，是由有16个模拟输入通道，模拟量分辨率为12bit的USB-4711A模块组成；故设计系统具有16个测试通道，包括16个通道的测试和工作电路，其切换通过控制电磁继电器的状态实现；该模块量程为从±1.25到±10V，并具备8个数字输入通道和8个数字输出通道；采集控制模块使用USB接口与PC连接，受PC端程序控制，用于控制测试电路的时序和试验样品在测试状态之间的切换，并将测试结果传回到PC端；使用数字输出通道通过ULN2803来驱动各个继电器，模拟通道则采集电平信号；
所述PC端监控程序，是Visual Basic简称“VB”软件编写的程序；它包括系统设置界面和参数报表界面；该程序用于在线测试系统的控制和数据的实时监控；程序使用一个定时器，间隔一段时间通过采集控制模块输出的时序信号，控制各个继电器的断开闭合，并在电路不同状态下采集输出端测量值，实现对运算放大器的测试；测量得到的数据被传回到监控程序，程序处理数据时先按照各个参数与采集数据之间的换算公式计算出对应的参数值并存入数据库，然后更新程序界面上的显示数据。
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