設(shè)計(jì)背景
集成運(yùn)算放大器（以下簡稱集成運(yùn)放）以小尺寸、輕重量、低功耗、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于眾多軍用和民用電子系統(tǒng)，是構(gòu)成智能武器裝備電子系統(tǒng)關(guān)鍵器件之一。近年來，隨著微電子技術(shù)飛速發(fā)展，集成運(yùn)放無論在技術(shù)性能上還是在可靠性上都日趨完善，并在我國軍用系統(tǒng)中被大量使用，其質(zhì)量好壞，關(guān)系到具體工程乃至國家安危。
隨著集成運(yùn)算放大器參數(shù)測試儀（以下簡稱運(yùn)放測試儀）在國防軍工和民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其質(zhì)量問題顯得尤為重要。傳統(tǒng)運(yùn)放測試儀校準(zhǔn)方案已不能滿足國防軍工要求，運(yùn)放測試儀校準(zhǔn)問題面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，如何規(guī)范和提高運(yùn)放測試儀測試精度，保證軍用運(yùn)放器件準(zhǔn)確性是目前應(yīng)該解決關(guān)鍵問題。
目前，國內(nèi)外運(yùn)放測試儀（或者模擬器件測試系統(tǒng)）主要存在以下幾種校準(zhǔn)方案：校準(zhǔn)板法、標(biāo)準(zhǔn)樣片法和標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)模擬法。各校準(zhǔn)方案校準(zhǔn)項(xiàng)目、優(yōu)缺點(diǎn)和相關(guān)情況比較如表1所示。
比較以上三種方案可知，前兩種方法只是校準(zhǔn)儀器內(nèi)部使用PMU單元、電流源、電壓源等，并不涉及到儀器本身閉環(huán)測試電路部分，局限性很大，很難保證運(yùn)放測試儀集成運(yùn)放器件參數(shù)測試精度。而標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)模擬法直接面向測試夾具，其校準(zhǔn)方法具有一定可行性，只是在校準(zhǔn)精度、通用性、測試自動化程度等方面需要進(jìn)一步研究。因此，通過對標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)模擬法加以改進(jìn)，對運(yùn)放測試儀進(jìn)行校準(zhǔn)，開發(fā)出集成運(yùn)放參數(shù)測試儀校準(zhǔn)裝置，在參數(shù)精度和校準(zhǔn)范圍上，能滿足國內(nèi)大多數(shù)運(yùn)放測試儀；在通用性上，能夠校準(zhǔn)使用“閉環(huán)測試原理”儀器。
系統(tǒng)性能要求
本課題主要任務(wù)是通過研究國內(nèi)外運(yùn)放測試儀校準(zhǔn)方法，改進(jìn)實(shí)用性較強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)模擬法，用指標(biāo)更高參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)運(yùn)放測試儀，實(shí)現(xiàn)運(yùn)放測試儀自動化校準(zhǔn)以及校準(zhǔn)原始記錄、校準(zhǔn)證書自動生成等。
表2為本課題中研制集成運(yùn)放參數(shù)測試儀校準(zhǔn)裝置與市場上典型運(yùn)放測試儀技術(shù)指標(biāo)比較情況。從表2可以看出，校準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)可以校準(zhǔn)市場上典型運(yùn)放測試儀。
校準(zhǔn)裝置硬件設(shè)計(jì)方案
校準(zhǔn)方案覆蓋了市場上運(yùn)放測試儀給出大部分參數(shù)，其中包括輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流等10個(gè)參數(shù)。通過研究集成運(yùn)放參數(shù)“閉環(huán)測試原理”可知：有參數(shù)校準(zhǔn)要用到“閉環(huán)測試回路”，有直接接上相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行測量即可實(shí)現(xiàn)對儀器校準(zhǔn)。對于用到“閉環(huán)測試回路”幾個(gè)參數(shù)而言，主要通過補(bǔ)償電源裝置和模擬電源裝置來校準(zhǔn)。運(yùn)放測試儀總體校準(zhǔn)方案如圖1所示。
圖1 運(yùn)放測試儀總體校準(zhǔn)框圖
1 校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)
輸入失調(diào)電壓VIO定義為使輸出電壓為零（或者規(guī)定值）時(shí)，兩輸入端所加直流補(bǔ)償電壓。集成運(yùn)放可模擬等效為輸入端有一電壓存在理想集成運(yùn)算放大器，校準(zhǔn)原理如圖2所示。通過調(diào)節(jié)補(bǔ)償電源裝置給輸入一個(gè)與VIO電壓等量相反電壓V補(bǔ)，輸入就可等效為V=VIO V補(bǔ)=0，則被測集成運(yùn)放與接口電路等效為一輸入失調(diào)電壓為零理想運(yùn)算放大器。然后，調(diào)節(jié)模擬電源裝置，給定模擬標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放輸入失調(diào)電壓參數(shù)值。通過數(shù)字多用表讀數(shù)與被校運(yùn)放測試儀測試值比較，計(jì)算出誤差值，完成VIO參數(shù)校準(zhǔn)。
圖2 輸入失調(diào)電壓參數(shù)VIO校準(zhǔn)原理圖
2 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)采用AT89S51，這是一個(gè)低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含可反復(fù)擦寫1000次4kB ISP(In-system programmable) Flash ROM。其采用ATMEL公司高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。
本設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)控制信號繼電器來實(shí)現(xiàn)電路測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換，信號繼電器選用是HKE公司HRS2H-S-DC5V，能夠快速完成測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換，只需單片機(jī)5V供電電源即可，便于完成參數(shù)校準(zhǔn)。此外，繼電器跳變由PNP三極管S8550來驅(qū)動完成。
3 液晶顯示電路設(shè)計(jì)
智能彩色液晶顯示器VK56B是上海廣電集團(tuán)北京分公司產(chǎn)品，具有體積小、功耗低、無輔射、壽命長、超薄、防振及防爆等特點(diǎn)。該 LCD采用工業(yè)級CPU，機(jī)內(nèi)配置有二級字庫，可通過串口或三態(tài)數(shù)據(jù)總線并口接收控制命令數(shù)據(jù)，并自行對接收命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以實(shí)時(shí)顯示用戶所要顯示各種曲線、圖形和中西文字體。AT89S51與智能化液晶VK56B接口電路如圖3所示。單片機(jī)與LCD采用并行通信設(shè)計(jì)，LCD自身具有一個(gè)三態(tài)數(shù)據(jù)總線并口（并口為CMOS電平），可以同主機(jī)進(jìn)行通信。它外部有12條線同單片機(jī)相連，即D0～D7、WRCS、BUSY、INT和GND。其中，WRCS 為片選信號和寫信號邏輯或非，上升沿有效；BUSY信號為高（CMOS電平）表示忙；INT為中斷申請信號，低電平有效。
圖3 單片機(jī)與智能化液晶接口電路圖