CN112230136A - 一种64通道继电器电压电阻测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低成本、小体积、高精度、高效率的64通道继电器电压电阻测量装置。本发明包括输入输出接口、待测物料上电和通信接口（J3）、测量板上电和通信接口（J4）、4组32选1切换电路、六路开关、程控恒流源、电压表和MCU（1），所述32选1切换电路包括32路继电器、五路译码器及四路电流驱动器，所述输入输出接口与4组所述32选1切换电路连接，4组所述32选1切换电路通过开关分别与所述程控恒流源及所述电压表输入端连接，所述程控恒流源通过I2C接口与所述MCU（1）相连接，所述电压表通过SPI接口与所述MCU（1）相连接。本发明可应用于测试领域。

Description

一种64通道继电器电压电阻测量装置

技术领域

本发明涉及测量领域，尤其涉及一种64通道继电器电压电阻测量装置。

背景技术

继电器在现代测试设备中被广泛应用，其作用是对测试设备中的信号、电流、电压等进行通断控制。然而，继电器的质量（接触电阻及稳定性）对测试设备系统的稳定性及可靠性影响较大，因此在每一批次继电器元器件中都要抽样做10万次以上的老化及DCR（直流电阻）测试，这就需要多通道并行测试系统来提高效率，缩短测试时间。

为了节省成本，行业内提出在保证质量的前提下，重复使用测试设备上的继电器。这就需要对这些重复利用的元器件100%进行测试，并且测试电流最好能够跟实际使用情况一致。鉴于此，还需要实现电流可程控调整，然后根据测试结果将好的继电器挑选出来。

为了考察继电器的接触阻抗及其稳定性，并且提高测试效率，需要多通道DCR测试系统来实时采集每一次释放-压合动作后每一路的阻抗，从而评估接触稳定性。

为了解决以上技术问题，行业内一般采用以下几种方案来测量多通道电阻的问题。

1、使用E_LOAD（电子负载）调整电流，用DMM（数字万用表，如Keysight 34465A）测量电压，电压除以电流得出电阻，再加上通道切换板卡实现多通道电阻测量。

2、使用毫欧计来完成直流阻抗测量，不过电流不可程控调整，再加上通道切换板卡实现多通道电阻测量。

3、使用SMU（源测量单元，如Keithley 2601B）来完成直流阻抗测量，再加上通道切换板卡实现多通道电阻测量。

4、使用专门的飞针测试机来实现多通道电阻测量。

然而，以上方案1～3都是使用标准仪器，成本高，价格动辄上万元，且只提供单通道阻抗测量，需要额外开发切换板实现多通道测量，为了尽量降低成本，可能用一套仪器+多块切换板来扩展通道，这样的串行测试速度慢，很难在批量生产的设备/平台中广泛应用。此外，使用标准仪器+外置切换板，测试软件需要协调各类仪器和板卡之间的时序，测试效率低，测量一个直流阻抗至少需要0.5S。另外，以上方案1～3中使用的标准仪器，体积大，集成度低，不适合在小尺寸测试设备中使用。

上述方案4虽然可以提供多通道电阻测量，但是都是用于开短路测试，无法实现小电阻（mΩ级～Ω级）的精确测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种低成本、小体积、高精度、高效率的64通道继电器电压电阻测量装置。

本发明所采用的技术方案是：它包括输入输出接口、待测物料上电和通信接口、测量板上电和通信接口、4组32选1切换电路、六路开关、程控恒流源、电压表和MCU，所述输入输出接口与4组所述32选1切换电路连接，4组所述32选1切换电路通过开关分别与所述程控恒流源及所述电压表输入端连接，所述程控恒流源通过I2C接口与所述MCU相连接，所述电压表通过SPI接口与所述MCU相连接，所述测量板上电和通信接口通过UART接口与所述MCU相连接，所述待测物料上电和通信接口为待测物料提供电源并对待测物料进行状态控制，所述MCU通过IO口分别与所述32选1切换电路、所述程控恒流源及所述电压表连接，所述32选1切换电路包括32路继电器、五路译码器及四路电流驱动器，四路所述电流驱动器对应与一路所述译码器的输出端相连接，第五路译码器与另外四路译码器连接，四路所述电流驱动器的输出端与32路所述继电器连接，32路所述继电器为互斥连接，所述输入输出接口组成32通道四线电压电阻测量系统，或者是64通道两线电压电阻测量系统，或者是64通道四线电压电阻测量系统。

所述输入输出接口由64通道恒流源接口和64通道差分电压测量接口组成，所述64通道恒流源接口的1～32通道与第一组所述32选1切换电路连接，剩下的33～64通道与第二组所述32选1切换电路连接，第一组所述32选1切换电路的一个输出端经过第一开关后与所述电压表的正输入极连接，第一组所述32选1切换电路的另一个输出端经过第二开关后与所述程控恒流源的高输入极相连接，第二组所述32选1切换电路的一个输出端经过第一开关后与所述电压表的负输入极连接，第二组所述32选1切换电路的另一个输出端经过第二开关后与所述程控恒流源的低输入极相连接，所述64通道差分电压测量接口的1～32通道与第三组所述32选1切换电路连接，剩下的33～64通道与第四组所述32选1切换电路连接，第三组所述32选1切换电路的一个输出端经过第三开关后与所述程控恒流源的低输入极连接，第三组所述32选1切换电路的另一个输出端经过第四开关后与所述电压表的负输入极相连接，第四组所述32选1切换电路的一个输出端经过第三开关后与所述程控恒流源的高输入极连接，第四组所述32选1切换电路的另一个输出端经过第四开关后与所述电压表的正输入极相连接。

所述程控恒流源由电源、恒流源电路和16Bits的DAC组成，所述电源包括30V/1mA电源和1.1V/1A电源，所述恒流源电路由采样电阻、MOS管以及反馈运放组成，所述程控恒流源恒流输出电流范围为1uA～1A。

采样电阻设置为三路切换采样电阻电路，每路所述切换采样电阻电路由一个电阻和一个开关组成。

所述电压表由输入信号调理电路和24bits 的ADC组成，所述输入信号调理电路由第一跟随运放、分压电路和第二跟随运放组成，所述输入信号调理电路的供电由低噪声线性稳压器提供，所述电压表的电压测量范围为±0.1mV～±5V。

所述MCU选自型号为STM32F103的处理器。

本发明的有益效果是：本发明利用输入输出接口、待测物料上电和通信接口、测量板上电和通信接口、4组32选1切换电路、六路开关、程控恒流源、电压表和MCU的组合构成直流电压电阻测量装置，实现1uA～100mA电流输出和-10V～+10V的电压测量，从而实现1mΩ～1MΩ的电阻测量和二极管测量，再加上4组32选1电路，将1通道扩展到64通道；与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、多通道和高灵活性，单板就提供了最多64路电压/电阻/二极管测量通道，并且可以通过多块测量板组成系统来实现512路甚至1024路测量通道扩展，非常适合于继电器测试设备中使用；

2、高精度，在100mV～10V范围内，电压测量精度能够达到±（0.1%±1mV），对于mV级信号，在1mV～100mV范围内，电压测量精度能够达到±（0.1%±0.1mV）；

3、高效率，本发明测试一路DCR最快只需要0.1秒，而标准仪器+切换板方案测试一路至少需要0.5秒；

4、低成本，如果想要达到64通道电压/电阻/二极管测量，标准仪器方案硬件成本需要1万元人民币以上，而本发明测试装置成本在1千元人民币以内；

5、小体积，用标准仪器搭，系统尺寸不小于L*W*H=400mm*250mm*150mm，该板卡方案尺寸仅L*W*H=80mm*60mm*5mm，占用空间只有仪器方案的1/400；

所以，本发明具有实现高灵活性、高精度、高效率、低成本、小体积的目标，可用于替代标准DMM/毫欧表/SMU，解决这些标准仪器成本高，测试效率低，体积大，集成困难等问题，从而广泛应用于测试设备中，准确测量电压、电阻、二极管参数，保证产品质量。

附图说明

图1是本发明系统的简易结构框图；

图2是所述32选1切换电路的第一个译码器的简易原理图；

图3是所述32选1切换电路的第二个译码器及电流驱动器的简易原理图；

图4是所述32选1切换电路的第三个译码器及电流驱动器的简易原理图；

图5是所述32选1切换电路的第四个译码器及电流驱动器的简易原理图；

图6是所述32选1切换电路的第五个译码器及电流驱动器的简易原理图；

图7是部分所述继电器的电路原理图；

图8是所述程控恒流源的简易结构框图；

图9是所述输入信号调理电路的原理图；

图10是所述ADC的简易电路原理图；

图11是所述低噪声电源电路原理图；

图12是所述MCU部分核心芯片的电路原理图；

图13是所述UART通信接口的电路原理图；

图14是所述EEPROM部分的电路原理图；

图15是所述MCU部分的GPIO接口的原理图。

具体实施方式

本发明的具体如下。

如图1至图7所示，本发明包括输入输出接口、待测物料上电和通信接口J3、测量板上电和通信接口J4、4组32选1切换电路、六路开关、程控恒流源、电压表和MCU 1，所述输入输出接口与4组所述32选1切换电路连接，4组所述32选1切换电路通过开关分别与所述程控恒流源及所述电压表输入端连接，所述程控恒流源通过I2C接口与所述MCU 1相连接，所述电压表通过SPI接口与所述MCU 1相连接，所述测量板上电和通信接口J4通过UART接口与所述MCU 1相连接，所述待测物料上电和通信接口J3为待测物料提供电源并对待测物料进行状态控制，所述MCU 1通过IO口分别与所述32选1切换电路、所述程控恒流源及所述电压表连接，所述32选1切换电路包括32路继电器、五路译码器及四路电流驱动器，四路所述电流驱动器对应与一路所述译码器的输出端相连接，第五路译码器与另外四路译码器连接，四路所述电流驱动器的输出端与32路所述继电器连接，32路所述继电器为互斥连接，所述输入输出接口组成32通道四线电压电阻测量系统，或者是64通道两线电压电阻测量系统，或者是64通道四线电压电阻测量系统。

所述输入输出接口由64通道恒流源接口J1和64通道差分电压测量接口J2组成，所述64通道恒流源接口J1的1～32通道G1_1～G1_32与第一组所述32选1切换电路6_1连接，剩下的33～64通道G2_1～G2_32与第二组所述32选1切换电路6_2连接，第一组所述32选1切换电路6_1的一个输出端经过第一开关S1后与所述电压表的正输入极VOL_P连接，第一组所述32选1切换电路6_1的另一个输出端经过第二开关S2后与所述程控恒流源的高输入极CUR_HI相连接，第二组所述32选1切换电路6_2的一个输出端经过第一开关S1后与所述电压表的负输入极VOL_N连接，第二组所述32选1切换电路6_2的另一个输出端经过第二开关S2后与所述程控恒流源的低输入极CUR_LO相连接，所述64通道差分电压测量接口J2的1～32通道G3_1～G3_32与第三组所述32选1切换电路6_3连接，剩下的33～64通道G4_1～G4_32与第四组所述32选1切换电路6_4连接，第三组所述32选1切换电路6_3的一个输出端经过第三开关S3后与所述程控恒流源的低输入极CUR_LO连接，第三组所述32选1切换电路6_3的另一个输出端经过第四开关S4后与所述电压表的负输入极VOL_N相连接，第四组所述32选1切换电路6_4的一个输出端经过第三开关S3后与所述程控恒流源的高输入极CUR_HI连接，第四组所述32选1切换电路6_4的另一个输出端经过第四开关S4后与所述电压表的正输入极VOL_P相连接。

32选1切换电路中，为了防止错误操作，32个继电器在同一时间最多只能闭合一个，否则就会导致外部输入信号之间短路，因此必须加入硬件互斥逻辑，由5片三-八译码器芯片（74HC238）U0_0～U0_4组成五-三十二译码器，再加上第六位IO控制所有32个继电器断开，由于三-八译码器芯片电流输出能力较弱，无法直接驱动继电器，故增加U0_5～U0_8（ULN2803）达林顿管芯片，将电流放大后驱动继电器，其逻辑真值表如下：

表2 互斥控制电路真值表

A5	A4	A3	A2	A1	A0	OUTPUT
							0	X	X	X	X	X	U1,U2,U3,U4全部禁止输出，处于高阻状态
1	0	0	0	0	0	U1使能，U2,U3,U4禁止，只有继电器K1闭合
							1	0	0	1	1	1	U1使能，U2,U3,U4禁止，只有继电器K8闭合
1	0	1	0	0	0	U2使能，U1,U3,U4禁止，只有继电器K9闭合
							1	0	1	1	1	1	U2使能，U1,U3,U4禁止，只有继电器K16闭合
1	1	0	0	0	0	U3使能，U1,U2,U4禁止，只有继电器K17闭合
							1	1	0	1	1	1	U3使能，U1,U2,U4禁止，只有继电器K24闭合
1	1	1	0	0	0	U4使能，U1,U2,U3禁止，只有继电器K25闭合
							1	1	1	1	1	1	U4使能，U1,U2,U3禁止，只有继电器K32闭合

从上表可以看出，该电路能够实现32选1互斥控制，同一时间最多只会有一个继电器处于闭合状态。

本实施例中，输入输出接口J1和J2可以组成32通道四线电阻、二极管测量系统；也可以组成64通道两线电阻、二极管和电压测量系统；配合J3中恒流源信号和待测物料的串联设计，J1和J2还可以组成64通道四线电阻测量系统。J3中电源及IO5_1～4用来给待测物料供电或控制其状态，J4为测量板提供电源输入口和通信接口。4组32选1切换电路是完全相同的，作用就是将32路信号切换到1路信号上，为了通过2A电流，切换期间选择继电器，为了防止短路需要加入5-32译码器实现硬件互斥，然后通过MCU的5个IO口来选择32路中的某1路信号。S1～S5开关控制这组开关就能够选择测量模式，具体逻辑见下表：

表2 S1～S5逻辑和测量模式对应表

S1	S2	S3	S4	S5	直流电阻测试模式
						0	1	0	1	0	32通道四线电阻、二极管测量模式，G1&G2走电流，G3&G4走电压
1	0	0	0	1	64通道四线电阻、二极管测量模式，G1&G2走电压，G3&G4不用
						0	0	0	1	1	64通道四线电阻、二极管测量模式，G1&G2不用，G3&G4走电压
1	1	0	0	0	64通道两线电阻、二极管、电压测量模式，G1&G2走电流和电压，G3&G4不用
						0	0	1	1	0	64通道两线电阻、二极管、电压测量模式，G1&G2不用，G3&G4走电流和电压

如图10所示，程控恒流源由恒流源电路（由采样电阻+MOS管+运放反馈组成）和16BitsDAC（如AD5667）组成，能够在MCU IO口和I2C控制下实现1uA～1A恒流输出。电压表由增益可程控的仪表运放（如AD8253）和24bits ADC（如AD7172-2）组成，可以实现±0.1mV～±5V的电压测量。MCU由STM32F103最小系统组成，IO口用来控制1～5电路，I2C控制DAC，SPI控制ADC，EEPROM U7用来存储板卡信息及校准数据，UART串口和桥接板通信。

所述程控恒流源由电源、恒流源电路M1和16Bits的DAC U3组成，所述电源包括30V/1mA电源U4和1.1V/1A电源U5，所述恒流源电路M1由采样电阻、MOS管Q1以及反馈运放U6组成，所述程控恒流源恒流输出电流范围为1uA～1A。采样电阻设置为三路切换采样电阻电路，每路所述切换采样电阻电路由一个电阻和一个开关组成。

本发明考虑到二极管/TVS/稳压管的动作电压范围比较广，同时顾及消费类电子主板测试需求，当前最高电压是USB Type-C标准的20V，其接口上并行的TVS的动作电压一般是24V，而二极管类测试一般使用1mA以下电流，所以U4设置为30V/1mA输出，为了测试开短路/电阻/DCR，电流范围最大需要1A，在测试过程中为了不让待测电路达到正常工作电压1.2V，所以U5设置为1.1V/1A输出。DAC部分为数字模拟转换器，是实现程序控制恒流源电流值的关键，通过MCU的I2C可以设置DAC输出电压从0V～5V内变化，通过运放可以放大到0～30V范围。恒流源部分由采样电阻及其切换电路，P沟道MOS管，运放反馈电路组成，不同的电流量程需要使用不同的采样电阻，比如：

R1=1Ω，对应电流量程10mA～1A，其实产生的压降Vdrop范围是10mV～1V，

R2=100Ω，对应电流量程100uA～10mA，其上产生的压降Vdrop范围是10mV～1V；

R3=10KΩ，对应电流量程1uA～100uA，其上产生的压降Vdrop范围是10mV～1V。

所以运放U6的反相端电压VU6-=VU4-Vdrop，

电流越大，Vdrop越大，VU6-越小，当VU6-小于VU6+时，运放输出高电平，P沟道MOS管截止，从而控制回路电流减小；

电流越小，Vdrop越小，VUS-越大，当VU6-大于VU6+时，运放输出低电平，P沟通MOS管导通，从而控制回路电流增加。

通过以上负反馈电路动态调整，最终P沟道MOS管保持在一个阻抗状态，让流过负载电阻RL的电流等于设定值，则I=（电源电压VU4或者VU5-VDAC）/采样电阻（R1或R2或R3）。

如图9-图11所示，所述电压表由输入信号调理电路和24bits 的ADC U21组成，所述输入信号调理电路由第一跟随运放、分压电路和第二跟随运放组成，所述输入信号调理电路的供电由低噪声线性稳压器提供，所述电压表的电压测量范围为±0.1mV～±5V。

如图9所示，通过运放跟随-分压-跟随处理电路之后，将-10V～+10V电压衰减到-5V～+5V，从而和ADC输入电压量程匹配。如图10所示，ADC芯片选用ADI公司推出24Bits精密ADC，最高采样率250Ksps，通过SPI接口和MCU通信，完成电压信号的模拟-数字转换。为了保证测量精度及稳定性，此部分电路的供电非常重要，如图9所示为低噪声电源电路原理图。其中，U33是低噪声线性稳压器，其输出噪声只有20uVrms，给运放电路及ADC供电；U31是精密电压基准，其输出噪声小于1uVp-p，初始电压精度0.02%，温飘系数 2ppm/℃，为ADC提供基准电压。

如图12至图15所示，所述MCU 1选自型号为STM32F103的处理器。该部分由如下几部分组成：

1）U17，MCU，是整个系统的核心，通过SPI控制ADC完成电压读取，通过I2C控制DAC调节输出电流值，通过IO口控制32选1电路和恒流源量程，ST公司推出的STMF103即可满足要求；

2）U16，对外通信，该板设计了UART通信接口，方便该板和整个测试系统连接；

3）U18，存储部分，用I2C接口的EEPROM芯片来保存板卡硬件/软件版本、生产日期、测试结果、校准数据等；

4）UART调试接口，SWD调试接口，用于MCU程序烧录及调试。

本发明继电器无机械触点，不会出现机械老化问题，理论上切换寿命无限次数；由于16选1继电器是天然的互斥结构且集成度高，电路设计简单，占用空间只有继电器方案的1/10；切换过程中没有机械动作，切换速度更快，从而缩短测量时间。

Claims (6)

1.一种64通道继电器电压电阻测量装置，其特征在于：它包括输入输出接口、待测物料上电和通信接口（J3）、测量板上电和通信接口（J4）、4组32选1切换电路、六路开关、程控恒流源、电压表和MCU（1），所述输入输出接口与4组所述32选1切换电路连接，4组所述32选1切换电路通过开关分别与所述程控恒流源及所述电压表输入端连接，所述程控恒流源通过I2C接口与所述MCU（1）相连接，所述电压表通过SPI接口与所述MCU（1）相连接，所述测量板上电和通信接口（J4）通过UART接口与所述MCU（1）相连接，所述待测物料上电和通信接口（J3）为待测物料提供电源并对待测物料进行状态控制，所述MCU（1）通过IO口分别与所述32选1切换电路、所述程控恒流源及所述电压表连接，所述32选1切换电路包括32路继电器、五路译码器及四路电流驱动器，四路所述电流驱动器对应与一路所述译码器的输出端相连接，第五路译码器与另外四路译码器连接，四路所述电流驱动器的输出端与32路所述继电器连接，32路所述继电器为互斥连接，所述输入输出接口组成32通道四线电压电阻测量系统，或者是64通道两线电压电阻测量系统，或者是64通道四线电压电阻测量系统。

2.根据权利要求1所述的一种64通道继电器电压电阻测量装置，其特征在于：所述输入输出接口由64通道恒流源接口（J1）和64通道差分电压测量接口（J2）组成，所述64通道恒流源接口（J1）的1～32通道（G1_1～G1_32）与第一组所述32选1切换电路（6_1）连接，剩下的33～64通道（G2_1～G2_32）与第二组所述32选1切换电路（6_2）连接，第一组所述32选1切换电路（6_1）的一个输出端经过第一开关（S1）后与所述电压表的正输入极（VOL_P）连接，第一组所述32选1切换电路（6_1）的另一个输出端经过第二开关（S2）后与所述程控恒流源的高输入极（CUR_HI）相连接，第二组所述32选1切换电路（6_2）的一个输出端经过第一开关（S1）后与所述电压表的负输入极（VOL_N）连接，第二组所述32选1切换电路（6_2）的另一个输出端经过第二开关（S2）后与所述程控恒流源的低输入极（CUR_LO）相连接，所述64通道差分电压测量接口（J2）的1～32通道（G3_1～G3_32）与第三组所述32选1切换电路（6_3）连接，剩下的33～64通道（G4_1～G4_32）与第四组所述32选1切换电路（6_4）连接，第三组所述32选1切换电路（6_3）的一个输出端经过第三开关（S3）后与所述程控恒流源的低输入极（CUR_LO）连接，第三组所述32选1切换电路（6_3）的另一个输出端经过第四开关（S4）后与所述电压表的负输入极（VOL_N）相连接，第四组所述32选1切换电路（6_4）的一个输出端经过第三开关（S3）后与所述程控恒流源的高输入极（CUR_HI）连接，第四组所述32选1切换电路（6_4）的另一个输出端经过第四开关（S4）后与所述电压表的正输入极（VOL_P）相连接。

3.根据权利要求2所述的一种64通道继电器电压电阻测量装置，其特征在于：所述程控恒流源由电源、恒流源电路（M1）和16Bits的DAC（U3）组成，所述电源包括30V/1mA电源（U4）和1.1V/1A电源（U5），所述恒流源电路（M1）由采样电阻、MOS管（Q1）以及反馈运放（U6）组成，所述程控恒流源恒流输出电流范围为1uA～1A。

4.根据权利要求3所述的一种64通道继电器电压电阻测量装置，其特征在于：采样电阻设置为三路切换采样电阻电路，每路所述切换采样电阻电路由一个电阻和一个开关组成。

5.根据权利要求1所述的一种64通道继电器电压电阻测量装置，其特征在于：所述电压表由输入信号调理电路和24bits 的ADC（U21）组成，所述输入信号调理电路由第一跟随运放、分压电路和第二跟随运放组成，所述输入信号调理电路的供电由低噪声线性稳压器提供，所述电压表的电压测量范围为±0.1mV～±5V。

6.根据权利要求1所述的一种64通道继电器电压电阻测量装置，其特征在于：所述MCU（1）选自型号为STM32F103的处理器。

Images