魏元焜

(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009)

當(dāng)前，我國(guó)已成為全球范圍內(nèi)的電子產(chǎn)品制造大國(guó)，電子產(chǎn)品滲入到生活的方方面面，包括通信、醫(yī)療、教育、交通、金融等等。電子產(chǎn)品零配件品種、型號(hào)繁多，生產(chǎn)環(huán)節(jié)繁雜，不間斷的產(chǎn)品換代使得電子產(chǎn)品的測(cè)試工作不堪重負(fù)[1]。目前較大比例的中小型電子科技企業(yè)由于資金、技術(shù)等方面的限制，仍然采用人工測(cè)試這種傳統(tǒng)測(cè)試方式。在傳統(tǒng)人工測(cè)試中，操作人員需要通過(guò)手動(dòng)連接和設(shè)置萬(wàn)用電表、示波器、波形發(fā)生器等一系列測(cè)試設(shè)備來(lái)搭建測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試過(guò)程中需要重復(fù)性地測(cè)試數(shù)據(jù)并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行人工讀取，這樣會(huì)引起諸如人工讀數(shù)誤差及錯(cuò)誤、速度慢、記錄數(shù)據(jù)無(wú)法共享等問(wèn)題，大大降低測(cè)試效率且不能實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的量產(chǎn)測(cè)試[2]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于LabVIEW和NI ELVIS的電子產(chǎn)品自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，平臺(tái)具有操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展靈活的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的快速自動(dòng)化測(cè)試，可以提高電子產(chǎn)品檢測(cè)的效率。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)試平臺(tái)分測(cè)試板卡、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)以及運(yùn)行在計(jì)算機(jī)中的測(cè)試控制程序幾部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

測(cè)試板卡直接與被測(cè)元件或芯片相連，用于將測(cè)試指令傳送給被測(cè)對(duì)象并接收被測(cè)對(duì)象的響應(yīng)。由于不同的測(cè)試對(duì)象所需要的外圍輔助電路不同，頻繁地重新搭建輔助電路會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試效率。為此，本文針對(duì)不同類型和型號(hào)的測(cè)試對(duì)象，設(shè)計(jì)了不同的測(cè)試板卡。當(dāng)測(cè)試對(duì)象發(fā)生變更時(shí)，直接從數(shù)據(jù)采集卡上更換對(duì)應(yīng)板卡即可。圖2給出了系統(tǒng)中若干常用的測(cè)試板卡。

數(shù)據(jù)采集卡是連接被測(cè)芯片和計(jì)算機(jī)之間的橋梁，承擔(dān)了控制指令和測(cè)試數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的時(shí)序控制和高速數(shù)據(jù)采集，選擇高性能的數(shù)據(jù)采集卡是十分必要的。本文選擇美國(guó)國(guó)家儀器(以下簡(jiǎn)稱NI)公司的工程實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器套件(ELVIS)作為本平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集卡，如圖3(a)所示。NI ELVIS集成了12款常用儀器，包括多通道數(shù)據(jù)采集功能(含模擬和數(shù)字I/O)、數(shù)字萬(wàn)用表、高采樣率的兩通道示波器、函數(shù)發(fā)生器、固定和可變電源以及兩線和三線阻抗分析儀[3]。相對(duì)于傳統(tǒng)的多臺(tái)測(cè)量?jī)x器同時(shí)使用的情況，使用單個(gè)NI ELVIS實(shí)施測(cè)量可以極大地節(jié)省空間同時(shí)又保證測(cè)量精度。通過(guò)USB接口與PC連接，NI ELVIS即可實(shí)現(xiàn)快速易用的測(cè)量采集及顯示，圖3(b)給出了NI ELVIS集成的示波器測(cè)量界面。此外，NI ELVIS也可通過(guò)LabVIEW軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)具有分析判斷功能的自動(dòng)化測(cè)試流程[4-5]，如圖3(c)所示。

這里提到的LabVIEW編寫的程序，即圖4中計(jì)算機(jī)運(yùn)行的測(cè)試控制軟件，它可以向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出指令并控制其進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是整個(gè)自動(dòng)化測(cè)試的發(fā)起者和控制者，測(cè)試過(guò)程中的測(cè)試條目管理、測(cè)試邏輯、并發(fā)執(zhí)行以及測(cè)試結(jié)果存儲(chǔ)等一系列任務(wù)，都是由測(cè)試控制軟件控制完成的。LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言，因此可以快速簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)處理[6-7]，且與NI ELVIS具有很好的兼容性，可以極大程度地縮短開發(fā)周期。

在整個(gè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集卡是固定不變的，它只負(fù)責(zé)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確高效傳輸，并不關(guān)心數(shù)據(jù)是如何被顯示和存儲(chǔ)的以及測(cè)試的對(duì)象是什么。數(shù)據(jù)由測(cè)試控制軟件定義、解析、顯示和存儲(chǔ)，不同的測(cè)試對(duì)象需要由測(cè)試控制軟件定義一套獨(dú)立的測(cè)試流程。每一個(gè)測(cè)試對(duì)象和對(duì)應(yīng)的測(cè)試板卡一關(guān)聯(lián)，當(dāng)新增測(cè)試對(duì)象后，只需新增一塊包含其測(cè)試電路的測(cè)試板卡并向測(cè)試控制軟件添加新對(duì)象的測(cè)試流程即可，因而整個(gè)系統(tǒng)是可以靈活擴(kuò)展和刪減的。

2 典型測(cè)試過(guò)程設(shè)計(jì)

電子產(chǎn)品種類多樣，而隨著集成電路(以下簡(jiǎn)稱IC)技術(shù)的發(fā)展，更多的電子產(chǎn)品被封裝成芯片的形式。因此目前在電子產(chǎn)品測(cè)試中以IC測(cè)試為主。IC測(cè)試的最終目的是檢驗(yàn)IC是否符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，根據(jù)測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行劃分，IC測(cè)試可分為：功能測(cè)試和參數(shù)測(cè)試。功能測(cè)試主要由輸入矢量和相應(yīng)的響應(yīng)組成，通過(guò)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證IC是否能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的功能。有些IC雖然通過(guò)了功能測(cè)試，但無(wú)驅(qū)動(dòng)能力，這類IC仍然被認(rèn)為具有缺陷的電路，這種情況下電參數(shù)測(cè)試則成為一種有效的測(cè)試方法。IC參數(shù)測(cè)試包括DC參數(shù)測(cè)試和AC參數(shù)測(cè)試。DC參數(shù)測(cè)試包括開/短路測(cè)試、漏電流測(cè)試、失調(diào)電壓測(cè)試和閾值電壓測(cè)試等等，AC參數(shù)試包括上升/下降時(shí)間測(cè)試頻率/周期測(cè)試等等。

本節(jié)以運(yùn)算放大器LF356為測(cè)試對(duì)象，以DC測(cè)試的輸入失調(diào)電壓為例，詳細(xì)介紹本文提出系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和工作過(guò)程。

2.1 測(cè)試板卡設(shè)計(jì)

由于實(shí)際差動(dòng)放大器會(huì)產(chǎn)生偏置電壓，在常溫下當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，集成運(yùn)放的輸出電壓可能不為零，該輸出電壓稱為輸出失調(diào)電壓。為了使輸出電壓回零，需要在輸入端加入反向補(bǔ)償電壓，該補(bǔ)償電壓即為輸入失調(diào)電壓uos。輸入失調(diào)電壓的測(cè)試方法分為單管測(cè)試法和輔助運(yùn)算放大器法。由于單管法具有外圍電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，因此本文選擇這一方法在測(cè)試板卡上搭建外圍電路。測(cè)試的外圍電路和測(cè)試對(duì)象一起構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)放大器，并將兩個(gè)輸入端接地，測(cè)量其輸出uo。測(cè)試電路如圖4所示，為便于測(cè)試時(shí)更換測(cè)試對(duì)象，設(shè)計(jì)了電路接口，將外圍電路和測(cè)試對(duì)象明確分開，使用芯片插座用來(lái)臨時(shí)固定芯片。測(cè)試板卡的正負(fù)電源、地都由數(shù)據(jù)采集卡NI ELVIS提供，輸出電壓uo端與NI ELVIS的模擬輸入通道0(AI0)相連。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

為設(shè)計(jì)正確的測(cè)試程序，需先分析出uos的計(jì)算公式?？疾靾D4，由集成運(yùn)放輸出計(jì)算公式可得式，

u0=(u+-u-)·Aod

(1)

由單管測(cè)試法電路可得式，

(2)

將式代入式可得，

(3)

由式可得，

(4)

由于u+=uos，考慮到Aod?1，因此可得uos表達(dá)式如式所示。

(5)

對(duì)照芯片手冊(cè)可知，LF356的最大失調(diào)電壓為10 mV，因此只要測(cè)得uo并利用程序按式計(jì)算出uos，與最大值10 mV比較即可判斷芯片的輸入失調(diào)電壓是否在允許范圍內(nèi)，即芯片是否通過(guò)測(cè)試。測(cè)試程序流程圖和運(yùn)行工界面分別如圖5和圖6所示。為正常開展測(cè)試，程序必須先完成開啟電源和數(shù)據(jù)IO通道等初始化操作。初始化后，測(cè)試程序會(huì)以100 ms為間隔連續(xù)三次測(cè)量輸出電壓u0，計(jì)算平均值，再根據(jù)式自動(dòng)計(jì)算uos，當(dāng)uos小于手冊(cè)規(guī)定的10 mV 時(shí)，則顯示通過(guò)(PASS)，否則顯示不通過(guò)(NG)?？紤]到多芯片連續(xù)測(cè)試的情況，為簡(jiǎn)化操作，程序設(shè)置了定時(shí)自動(dòng)測(cè)量功能。程序還設(shè)置了測(cè)試結(jié)果記錄和導(dǎo)出功能，方便測(cè)試歷史數(shù)據(jù)查看和分析。測(cè)試結(jié)束后，程序會(huì)關(guān)閉電源和數(shù)據(jù)IO通道。

3 結(jié)論

電子產(chǎn)品測(cè)試工作操作過(guò)程繁瑣、重復(fù)性強(qiáng)，使用的儀器繁多，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式效率低，容易出錯(cuò)。本文提出的電子產(chǎn)品自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)基于NI公司的虛擬儀器技術(shù)，采用NI ELVIS作為數(shù)據(jù)采集卡，集成了12種傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器，以LabVIEW軟件編程對(duì)采集卡進(jìn)行編程，通過(guò)軟件控制電子產(chǎn)品測(cè)試流程和公式計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了多種類型電子產(chǎn)品的高效自動(dòng)化測(cè)量，為中小型企業(yè)的產(chǎn)品測(cè)試線升級(jí)改造提供了可行的思路。