軍用電子元器件測試系統(tǒng)研究

馬躍，趙昶宇

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軍用電子元器件測試系統(tǒng)研究

馬躍1，趙昶宇2

（1.海軍駐天津八三五七所軍事代表室，天津 300308；2.天津津航計算技術(shù)研究所，天津 300308）

軍用電子元器件是軍用電子設(shè)備正常工作必不可少的組成部分。隨著電子設(shè)備自動化程度的不斷提高，對軍用電子元器件的測試精度和可靠性提出了更高的要求，給出了常見軍用元器件的測試參數(shù)和測試要求，并介紹了軍用元器件測試系統(tǒng)中的軟件結(jié)構(gòu)和技術(shù)。

電子元器件；測試系統(tǒng)；軟件結(jié)構(gòu)；電子產(chǎn)品

在電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的今天，電子元器件作為各種電子產(chǎn)品的最基本元素，其性能與質(zhì)量成為影響整機性能的重要因素。因此，無論是元器件的生產(chǎn)廠商，還是電子產(chǎn)品的生產(chǎn)廠商，都需要測量儀器來檢測并保證其產(chǎn)品的質(zhì)量。為了保證軍用電子元器件的質(zhì)量水平，在國軍標中涉及到了元器件的測試方法和原理，在一些軍標詳細規(guī)范中提高了對元器件參數(shù)指標的要求，對質(zhì)量一致性檢驗的條件和終點測試也提出了更高的要求，這樣就相應(yīng)地提高了對元器件測試系統(tǒng)的要求。一方面，要求測試系統(tǒng)的測試方法、原理符合軍標的要求；另一方面，測試系統(tǒng)的測試范圍、精度和穩(wěn)定性也應(yīng)滿足軍標詳細規(guī)范中對元器件的測試和質(zhì)量一致性檢驗的要求。

1 軍用電子元器件的測試參數(shù)

常見的軍用電子元器件有CMOS數(shù)字集成元器件、模擬器件、半導(dǎo)體分立器件、電阻電容、濾波器、熔斷器和電磁繼電器等。不同的元器件其測試參數(shù)和測試方法也不相同。

1.1 CMOS數(shù)字集成元器件測試參數(shù)

CMOS數(shù)字電路的輸入電流和電源電流是測試的2個重要參數(shù)。CMOS數(shù)字電路的輸入電流（Input Current），也稱為最大輸入電流（Maximum Input Current），是指器件輸入端施加規(guī)定的高電平電壓VIH（或低電平電壓VIL）時流入（或流出）器件的電流，常用參數(shù)符號為II、IIH、IIL等。

電源電流（Supply Current）也稱最大靜態(tài)電源電流（Maximum Quiescent Supply Current）和靜態(tài)器件電流（Quiescent Device Current），是指器件輸入端施加規(guī)定的電平下，經(jīng)電源端流入器件的電流，常用的參數(shù)符號為IDD、ICC.

1.2 模擬器件測試參數(shù)

常見的模擬器件主要包括運算放大器、電壓比較器、采樣保持器、電壓跟隨器、時基電路、達林頓晶體管矩陣、精密電壓基準和并聯(lián)型電壓基準等。

以運算放大器和電壓比較器為例，運算放大器、電壓比較器的測試參數(shù)主要有輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、開環(huán)增益、共模抑制比、電源電壓抑制比、輸出電壓、輸出驅(qū)動電流、輸出漏電流、電源電流和靜態(tài)功耗等。 國家標準GB 3442—86和GB 6798—86參照國外標準，規(guī)定了運算放大器和電壓比較器的測試方法的基本原理，其主要參數(shù)的基本測量線路如圖1所示。

圖1 運算放大器閉環(huán)參數(shù)測量原理圖

圖1中，DUT為被測運放，A為輔助運放。兩級運放構(gòu)成負反饋閉環(huán)系統(tǒng)，其閉環(huán)增益由輸入電阻RI和反饋電阻RF的比例決定。為了得到足夠的增益，通常選用500倍或1 000倍。器件測試程控電源V+和V－分別向被測運放提供所需的正、負電源電壓，被測運放的輸出端電壓可由外接偏置電壓源V通過電阻R1和R2進行控制，以獲得測試所需的VO值。輔助運放的輸出端可測得所需的VE值。電阻RS用于被測運放輸入偏置電流的采樣。

1.3 半導(dǎo)體分立器件測試參數(shù)

常見半導(dǎo)體分立器件主要包括二極管、三極管、MOS場效應(yīng)管、結(jié)型場效應(yīng)管、可控硅和光電耦合器等。

在對上述這些器件進行參數(shù)測試時，需要先使被測試器件滿足參數(shù)測試規(guī)定的測試條件（即進入規(guī)定的工作點），同時，也要滿足規(guī)定的測試環(huán)境溫度，這樣所測的數(shù)據(jù)才有實際的意義。為了避免芯片溫升造成的測試誤差，對半導(dǎo)體分立器件的測試通常采用脈沖法測試。

國軍標GJB 128—86中，脈沖法測試的推薦條件為脈沖寬度250～350 μs，占空比為小于等于2%.之所以有關(guān)標準的詳細規(guī)范中對VCE sat、VBE sat和HFE 等參數(shù)規(guī)定采用脈沖法測試，是因為對上述參數(shù)進行直流法測試時，器件會承受較大的耗散功率，進而造成器件芯片升溫，影響測試數(shù)據(jù)的真實性，測試時間過長甚至會造成器件的損傷和損壞。

在不同的測試系統(tǒng)中采用了不同的方法實現(xiàn)脈沖測試，常見的有硬件閉環(huán)法和軟件閉環(huán)法兩種。硬件閉環(huán)法的優(yōu)點在于它可以在數(shù)百微秒的時間內(nèi)使被測器件穩(wěn)定到規(guī)定的工作點，并精確地采集數(shù)據(jù)。但是這種方法要求測試系統(tǒng)的電壓源和電流源具有良好的快速響應(yīng)性能，同時，在與各種被測器件構(gòu)成閉環(huán)時，系統(tǒng)不能產(chǎn)生寄生振蕩，這對分立器件硬件測試系統(tǒng)提出了非常高的要求。而測試系統(tǒng)的電壓源和電流源具有快速響應(yīng)性能，且寄生振蕩對軟件閉環(huán)法的影響不大，但軟件閉環(huán)法的致命缺點是測試時間長，這樣會導(dǎo)致被測器件發(fā)熱甚至損壞。

1.4 電磁繼電器測試參數(shù)

電磁繼電器最主要的2個測試參數(shù)是觸點接觸電阻和觸點回跳時間。觸點接觸電阻在一定程度上反映了電磁繼電器的觸點可靠性，國軍標規(guī)定了對觸點的測試電流不得超過10 mA。由于接觸電阻很?。ê翚W量級），觸點上壓降只有微伏量級，這樣可以避免破壞觸點的原始狀態(tài)。為了能夠精確地測量觸點接觸電阻阻值，而不是系統(tǒng)其他部分的附加電阻，根據(jù)國軍標GJB 360A—96的要求，采用開爾文電橋四端測試法，直至被測繼電器引腳，同時，為各種電磁繼電器制作開爾文四端專用測試適配器，采用高性能運算放大器放大微伏級的觸點壓降，從而穩(wěn)定、真實地測試電磁繼電器的觸點接觸電阻。

國軍標GJB 1042—90、GJB 65A—91對觸點回跳作了明確定義，即脈沖寬度大于或等于開路電壓的90%，且脈沖寬度大于或等于10 μs。由于對每一次回跳均需要判斷其脈沖的幅度和寬度，并累計自第一次回跳開始的觸點回跳時間，這對電磁繼電器測試系統(tǒng)而言是個嚴峻的考驗。傳統(tǒng)的方法是用記憶示波器進行監(jiān)測，但該方法很難保證測試的精度，也難以實現(xiàn)多組觸點的同時監(jiān)測。為了滿足測量精度的要求，對閉合電壓和斷開電壓的采集需要使用2種不同量度的電壓隔離模塊。如果有6臺試品同時試驗，每臺試品有2路觸點電壓、1路負載電流，則測試系統(tǒng)需要設(shè)計18路觸點檢測回路，可同時監(jiān)測6組觸點電磁繼電器的所有時間參數(shù)。

2 軟件設(shè)計

軍用電子元器件測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)是測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)之外影響測試系統(tǒng)性能的另一個重要因素，在相同的硬件條件下，好的軟件系統(tǒng)將為整個測試系統(tǒng)帶來更好的性能、操作性和可擴充性，可以成倍地提高編程效率。

軍用電子元器件測試系統(tǒng)采用兩級分布式軟件系統(tǒng)，在兩級分布式硬件系統(tǒng)中的上、下位機分別有1個獨立的軟件層面，控制各自的CPU完成獨立的功能。上位機軟件主要完成與用戶的交互，比如進行器件的品種編程，生成下位機所需要的測試代碼，設(shè)置和修改對器件測試的管理要求，管理測試數(shù)據(jù)的顯示、存盤、打印等。下位機軟件接收上位機軟件生成的測試代碼，對其進行解釋和控制下位機各硬件模塊完成器件測試的具體過程。下位機可隨時接收和執(zhí)行上位機的指令，也可以在脫機工作方式下獨立完成器件的測試。

采用兩級分布式的體系結(jié)構(gòu)，使得上、下位機兩個層面的軟件系統(tǒng)分工更加明確，兩級系統(tǒng)各自發(fā)揮自身的優(yōu)勢，并可以獨立開發(fā)與升級，互不牽制。比如，我們可以在下位機軟件不修改的情況下，對上位機軟件平臺進行升級，當下位機的硬件模塊進行升級時，只需要改寫下位機中該硬件模塊的驅(qū)動程序，而與上位機軟件系統(tǒng)無關(guān)。采用兩級分布式的軟件結(jié)構(gòu)，加強了產(chǎn)品的可擴充性和可移植性，還可以將計算機領(lǐng)域中的新技術(shù)（漢字技術(shù)、圖形界面、多媒體技術(shù)等）不斷融入產(chǎn)品之中，大大增強產(chǎn)品的生命力。

軍用電子元器件測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軍用電子元器件測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

2.1 下位機軟件結(jié)構(gòu)

下位機軟件結(jié)構(gòu)的核心是控制管理系統(tǒng)和專用設(shè)備驅(qū)動程序，系統(tǒng)將具有獨立功能的硬件（A/D、D/A、程控電源、測量單元等）和軟件功能（通信管理、變量運算等）定義為設(shè)備，并為每一項設(shè)備功能編制相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，這些設(shè)備驅(qū)動程序具有統(tǒng)一、嚴謹?shù)恼{(diào)用格式，在此情況下，上位機只需要選擇相應(yīng)的設(shè)備號、功能號及入口參數(shù)，使用一種語句格式即可調(diào)用系統(tǒng)所有的設(shè)備驅(qū)動程序。

2.2 參數(shù)描述文件

在系列化電子元器件測試系統(tǒng)中，每一臺單機針對不同的元器件類別，每一類元器件又有各自一套不同的測試參數(shù)，參數(shù)描述文件將測試參數(shù)的特征提取出來，形成獨立的上位機外部數(shù)據(jù)文件，其內(nèi)容主要包含測試參數(shù)的名稱、單位，測試條件的名稱、單位，數(shù)據(jù)處理方式的定義，數(shù)據(jù)顯示格式的定義等。這些內(nèi)容不論在用戶編制器件測試程序的過程中，還是在進行器件測試的過程中都起著重要的作用。

2.3 參數(shù)子程

參數(shù)描述文件描述了參數(shù)自身的特征，但為了完成器件參數(shù)的測試，還需要程序來描述參數(shù)測試的過程，比如如何調(diào)動各種測試系統(tǒng)的硬件協(xié)同、有序地完成參數(shù)的測試。

方案一是將測試的流程固化于下位機，上位機根據(jù)用戶的條件產(chǎn)出控制參數(shù)表，并將這張參數(shù)表傳送給下位機。當下位機運行時，需要的一些控制數(shù)據(jù)（測試條件中的電流、電壓、量程值）從參數(shù)表中讀取，以滿足用戶指定的條件。這種方法是可行的，缺點是用戶不能夠控制測試程序的執(zhí)行流程，靈活性不強，且必須修改下位機控制軟件，這不利于系統(tǒng)軟件的升級。

方案二就是在上位機中采用參數(shù)子程，采用專用測試語言編制的以測試參數(shù)為單位的參數(shù)子程。參數(shù)子程以設(shè)備調(diào)用語句為主，配合部分流程控制語句，可控制測試系統(tǒng)硬件完成參數(shù)測試的全過程。

參數(shù)子程在編制系統(tǒng)軟件時，一次編成并經(jīng)編譯系統(tǒng)編譯成目標代碼，不同的測試條件、合格判據(jù)下，只需要修改參數(shù)子程的入口參數(shù)或所用變量值，不必修改參數(shù)子程本身。

2.4 器件測試代碼

器件測試代碼主要由參數(shù)測試結(jié)構(gòu)、參數(shù)測試變量、參數(shù)測試子程和編程原始數(shù)據(jù)組成。參數(shù)測試結(jié)構(gòu)記錄了用戶編程中所選擇的測試參數(shù)及每一參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。參數(shù)測試變量記錄了由用戶編程中輸入的合格判據(jù)和測試條件經(jīng)編譯處理后得到的值，供參數(shù)測試子程所用。參數(shù)測試子程是源代碼經(jīng)編譯后的目標代碼格式，包含了系統(tǒng)能測試的所有參數(shù)。編程原始數(shù)據(jù)則記錄了用戶編程過程中輸入的全部原始數(shù)據(jù)，用于程序日后的修改。

3 結(jié)束語

軍用元器件測試系統(tǒng)是檢測和提高軍用元器件可靠性的有力工具，該系統(tǒng)具有較高的測試精度和良好的穩(wěn)定性，在微弱信號檢測、脈沖測試以及抗干擾等方面具有獨特的優(yōu)勢，整套系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、電子、半導(dǎo)體、核工業(yè)等各個行業(yè)和領(lǐng)域，起到了良好的效果。

［1］李志華，李超.一種控制繼電器可靠性試驗平臺的研究與設(shè)計［J］.計算機工程與設(shè)計，2005（11）：254-256.

［2］周衛(wèi)兵.固態(tài)繼電器的特點及應(yīng)用［J］.山西電子技術(shù)，2010（01）：90-92.

2095－6835（2018）20－0012－03

TJ03

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.012

馬躍（1992—），女，本科，助理工程師，主要從事裝備質(zhì)量監(jiān)督方面的研究。趙昶宇（1982—），男，陜西漢中人，工學(xué)碩士，高級工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)軟件測試方面的研究。

〔編輯：張思楠〕