2008年175期 集成运放参数测试仪校准装置的开发(今日电子)

集成运放参数测试仪校准装置的开发

The Development of Calibration Device of Integrated Operational Amplifier Parameters

Test Instrument

中国电子技术标准化研究所（北京100007）刘冲、于利红、陈连启摘要：本文详细研究了集成运放参数测试仪器采用的“闭环测试原理”和目前存在的集成运放参数测试仪的校准方案，研制出集成运放参数测试仪校准装置，实现了集成运放参数测试仪的自动化校准。使用Keil C开发下位机程序配合实现自动化校准，使用Visual C++ 6.0 开发校准软件实现对集成运放参数测试仪的校准及数据处理。本文最大的成果在于解决了采用“闭环测试原理”的集成运放参数测试仪的校准问题，并编制了“集成运算放大器参数测试仪检定规程”。本文通过对测量校准方法的深入研究，建立了校准手段，为今后解决集成运放参数MAP校准方法奠定了技术基础，满足了新形势下测量仪器计量校准的需要。

Abstract: This paper does carefully research on Close-Circle Test Principle of Integrated Operational Amplifier Parameters Testing Instruments and the existing integrated operations calibration methods. Operational Amplifier Parameters Testing Instrument Calibration Device is developed to fulfill automatic calibrating of Integrated Operational Amplifier Testing Instruments. Keil C was used to develop MCU programs to cooperate with automatic calibrating and Visual C++ 6.0 to develop automatic calibration software to fulfill calibrating and test data processing of Integrated Operational Amplifier Test Instruments. Calibration of Integrated Operational Amplifier Test Instruments that used Closed-Circle as test principle was solved in this paper; also Verification Regulation of Integrated Operational Amplifier Parameters Testing Instrument was compiled. This paper has established a calibration method through researching measurement calibration means, laid a technical foundation for the future method of calibration parameters of MAP, and meet the new situation's needs to calibrate test instruments.

关键字：自动化校准; 校准装置; 检定规程。

Key Words: automatic calibration; calibration device; verification regulation

1 设计背景

集成运算放大器（以下简称集成运放）以其小尺寸、轻重量、低功耗、高可靠性等优点广泛应用于众多军用和民用电子系统，并且它是构成智能武器装备电子系统不可缺少的关键器件之一。近年来，随着微电子技术的飞速发展，集成运放无论在技术性能上还是在可靠性上都日趋完善，并在我国军用系统中被大量使用，其质量的好坏，关系到工程乃至国家的安危。

随着集成运算放大器参数测试仪（以下简称运放测试仪）在国防军工和民用领域的广泛应用，其质量问题显得尤为重要。因此，如何规范和提高运放测试仪的测试精度，保证军用运放器件的准确性是目前应该解决的关键问题。传统的运放测试仪校准方案已不能满足国防军工的要求，运放测试仪的校准问题面临严峻的挑战。

目前国内外运放测试仪（或者模拟器件测试系统）主要存在以下几种校准方案：校准板法、标准样片法和标准参数模拟法。各校准方案校准项目、优缺点和相关情况比较表格如表1.1所示。

压源等，并不涉及到仪器本身闭环测试电路部分，局限性很大，很难保证运放测试仪的集成运放器件参数测试精度。而标准参数模拟法直接面向测试夹具，其校准方法具有一定可行性，只是目前在校准精度、通用性、测试自动化程度等方面需要进一步的研究。因此通过对标准参数模拟法加以改进，对运放测试仪进行校准。通过研究开发集成运放参数测试仪校准装置，在参数精度和校准范围上，能满足覆盖国内大多数运放测试仪；在通用性上，能够校准使用“闭环测试原理”的仪器。

2 系统性能要求

本文的主要任务是通过研究国内外运放测试仪的校准方法，改进实用性较强的标准参数模拟法，用指标更高的参数标准来校准运放测试仪，实现运放测试仪的自动化校准以及校准原始记录、校准证书的自动生成等。

表2.1为本课题研制的集成运放参数测试仪校准装置与市场上典型运放测试仪技术指标比较表格。如表2.1可以看出，校准装置技术指标可以校准市场上典型运放测试仪。

校准方案覆盖了市场上运放测试仪给出的大部分参数，其中包括输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流等10个参数。通过研究集成运放参数“闭环测试原理”可知：有的参数校准要用到“闭环测试回路”，有的直接接上相应的标准仪器进行测量即可实现对仪器

的校准。对于用到“闭环测试回路”的几个参数而言，主要通过补偿电源装置和模拟电源装置来校准。运放测试仪总体校准总体方案如图3.1所示。

图3.1 运放测试仪总体校准框图

3.1校准电路设计

以V IO参数为例进行介绍，输入失调电压参数V IO的定义为使输出电压为零（或者规定值）时，两输入端所加的直流补偿电压。集成运放可模拟等效为输入端有一电压存在的理想

V电压集成运算放大器，校准原理图如图3.2所示。通过调节补偿电源装置给输入一个与IO

等量相反的电压V补，于是输入就可等效为V=V IO+V补=0。则被测集成运放与接口电路等效为一输入失调电压为零的理想运算放大器。然后调节模拟电源装置，给定模拟标准运放输入失调电压参数值。通过数字多用表读数与被校运放测试仪测试值比较，计算出误差值，完成V IO参数校准。

注：其中电位器W1、W2为多圈电位器（22圈）

图3.2 输入失调电压参数V IO校准原理图

3.2 单片机控制电路设计

单片机采用A T89S51，A T89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

通过单片机控制信号继电器来实现电路测试状态转换。本设计中，信号继电器选用的是HKE 公司的HRS2H-S-DC5V，能够快速完成测试状态的转换，只需要单片机5V供电电源即可，便于完成参数的校准。本设计利用PNP三极管S8550来驱动继电器完成继电器跳变。

3.3 液晶显示电路设计

智能彩色液晶显示器VK56B是上海广电集团北京分公司的产品，它具有体积小、功耗低、无辅射、寿命长、超薄、防振及防爆等特点。该LCD采用工业级的CPU，机内配置有二级字库，可通过串口或三态数据总线并口接收控制命令数据，并自行对接收的命令和数据进行处理，以实时显示用户所要显示的各种曲线、图形和中西文字体。AT89S51与智能化液

晶VK56B接口电路如下图3.3所示。单片机与LCD的并行通讯设计，LCD自身具有一个三态数据总线并口（并口为CMOS电平），可以同主机进行通讯。它的外部有１２条线同单片机相连，即D0～D7、WRCS、BUSY、INT和GND。其中WRCS为片选信号和写信号的逻辑或非，上升沿有效。BUSY信号为高（CMOS电平）表示忙。INT为中断申请信号，低电平有效。

图3.3 单片机与智能化液晶接口电路图

4 集成运放参数测试仪校准装置软件设计

软件部分包括上位机软件设计和下位机软件设计。上位机软件完成与PC机与单片机的通信以及校准数据处理等工作；下位机软件即单片机源程序，本设计使用Keil C完成测试状态的转换、与上位机串行通信以及测试参数的实时显示等。

4.1 上位机软件设计

上位机软件主要分为三部分完成仪器的校准，参数设置部分主要是完成被校运放测试仪信息录入；校准部分完成各参数的校准；数据处理部分完成校准证书及原始记录的自动化报表。上位机软件主对话框如图4.1所示。“参数设置”部分主要完成被校运放测试仪的资料录入，包括证书报告编号、仪器名称/型号、仪器S/N、委托方联系人、接受日期和校准日期等；“校准”部分主要通过下位机配合完成输入失调电压、输入失调电流等10个参数的校准过程；“生成校准证书”、“生成原始记录”、“预览校准证书”、“预览原始记录”主要实现校准数据的自动化处理。

图4.1上位机软件主对话框

4.2 下位机软件设计

下位机软件主要通过Keil C进行编写，通过下位机软件完成校准参数的动态显示以及测试状态的转换等。包括两个部分，一部分是ST7920液晶驱动程序的编写，另外一部分是单片机串口通信程序编写。这里简要介绍一下VK56B液晶驱动程序的编写。图4.2所示是LCD的时序图。其中TW为WRCS信号的脉冲宽度，TSU为数据建立时间，TH为数据保持时间。这些参数的具体要求为：TW不小于16ns；TSU不小于12ns；Ｔ大于0ns；TH不小于5ns；TI不小于2μs。

图4.2 LCD时序图

总线口通讯子程序实现源代码如下所示。

PSEND:

JB PBUSY,PSEND ;检测总线口忙信号

PUSH DPH

PUSH DPL

MOV DPTR,#8000H ;假设用户给显示器分配的地址为8000H

MOVX @DPTR,A

CLR P1.0 ;P1.0的低电平脉冲宽度不小于2微秒

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

SETB P1.0

POP DPL

POP DPH

RET

5 校准装置开发过程中需要注意的一些问题

1)接口电路的器件供电电源由高分辨率、高稳定、低纹波系数电源供电源，接口电路的器

件偏置电源采用电池供电。

2)校准接口电路单元中的标准电阻采用温度系数小并经筛选准确度优于0.02%标准电阻，

然后再经加电老化进行筛选。

3)校准接口电路单元的辅助电路和补偿网络制作关键是不能引入会对被校仪器产生的噪

声，自激振荡等的影响量。在电路板制作中注意布线、元件排序、良好接地以及箱体的电磁屏蔽严格控制。

4)为保证标准参数标准不确定度，将购置国外不同型号符合要求的器件进行严格筛选作为

验证用标准样片，并利用标准样片通过与国内性能和稳定性好的进口、国产测量（器具）系统进行比对验证。

5)测试用辅助样管，一定要满足表的指标规定（选用表5.1中输入失调电压、输入失调电

流、输入偏置电流等参数允许值的辅助样片校准被检运放测试仪），否则将造成测量结果的不准确。

主要技术要求：

6 校准装置不确定度来源分析

集成运放参数测试仪校准装置的电压、电流等参数的不确定度来源，主要包括数字多用表、数字示波器、数字纳伏表的参数测量不准确，模拟校准装置和补偿校准装置给出参数的不准确，以及这些参数测量的重复性。

7 结论

本文结合国防军工电子计量科研项目“集成运放参数测试仪校准技术研究”对集成运放参数测试仪的校准技术进行了深入研究。本文作者的创新点在于解决了采用“闭环测试原理”的集成运放参数测试仪的校准问题，并撰写了“集成运算放大器参数测试仪检定规程”。

参考文献

[1] JJG(电子)31012-2007．集成运算放大器参数测试仪检定规程

[2] 北京无线电仪器厂，BJ3197型集成运算放大器自动测试仪技术说明书，2006

[3] 电子计量器具检定规程管理办公室，电子计量器具检定规程，电子工业出版社，1991，84-125

作者简介：刘冲（1979－），男，信息产业部电子计量中心测试工程师。

通信地址：北京市安定门东大街1号中国电子技术标准化研究所计量中心

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