基于虛擬儀器的電容器高溫老化設(shè)備校準(zhǔn)技術(shù)?

李軒冕

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205）

1 引言

虛擬儀器突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式，實(shí)際上，使用者是在操作具有測(cè)試軟件的電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量，猶如操作一臺(tái)虛設(shè)的電子儀器，虛擬儀器因此而得名［1～3］。

電容器高溫老化設(shè)備是電容器篩選的主要設(shè)備，目的是在施加一定的溫度等應(yīng)力條件下，提供必要的電子信號(hào)使電容器工作從而使有缺陷的電容器加速失效，以加速暴露電容器的固有缺陷而不破壞它的完整性，從而達(dá)到電容器篩選的目的。電容器高溫老化設(shè)備需要定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，否則不但不能起到應(yīng)有的老化作用，反而會(huì)因?yàn)槔匣O(shè)備性能異常而給正在進(jìn)行高溫老化試驗(yàn)的電容器器件注入新的隱患。

當(dāng)前電容器高溫老化設(shè)備的計(jì)量包括了基于校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)和基于通道末端法的校準(zhǔn)兩種方法。兩種方法的操作并不方便，同時(shí)也可能無(wú)法反映出系統(tǒng)的中間參量的真實(shí)情況，存在一定的片面性，從而無(wú)法完成對(duì)老化設(shè)備的真正校準(zhǔn)。

2 電容器高溫老化設(shè)備結(jié)構(gòu)分析

本研究選擇的電容器高溫老化系統(tǒng)型號(hào)為杭州可靠性儀器廠生產(chǎn)的PCD-J型。系統(tǒng)由七個(gè)主要部分組成：配電箱、高溫試驗(yàn)箱、老化試驗(yàn)電源、系統(tǒng)輔助電源箱、系統(tǒng)控制儀、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)板和老化試驗(yàn)板。系統(tǒng)的工作結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 電容器高溫老化設(shè)備工作結(jié)構(gòu)

3 校準(zhǔn)系統(tǒng)構(gòu)成

電容器高溫老化設(shè)備校準(zhǔn)主要包括老化設(shè)備的各電氣參量校準(zhǔn)以及高溫試驗(yàn)箱的溫度場(chǎng)校準(zhǔn)兩個(gè)主要部分。其途徑是應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，設(shè)置與電容器高溫老化設(shè)備接口匹配的專用計(jì)量校準(zhǔn)板，同時(shí)結(jié)合電子負(fù)載，通過(guò)信號(hào)采集與處理直接測(cè)量并校準(zhǔn)電容器高溫老化設(shè)備的各種電氣參數(shù)技術(shù)指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求；通過(guò)采集并分析處理放置于高溫試驗(yàn)箱內(nèi)的鉑電阻輸送的溫度信號(hào)來(lái)自動(dòng)檢定高溫試驗(yàn)箱的溫度的均勻度、波動(dòng)度和溫度偏差，從而確保老化設(shè)備的可靠性［4～5］。

各參量需要通過(guò)交換開(kāi)關(guān)切換、數(shù)據(jù)采集并傳遞到基于LabVIEW語(yǔ)言編寫(xiě)的校準(zhǔn)軟件中，通過(guò)計(jì)算機(jī)的信號(hào)處理、算法分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理后直接以電子表格的方式顯示給用戶，實(shí)現(xiàn)全面、準(zhǔn)確高效的校準(zhǔn)［6～7］。

虛擬電容器高溫老化設(shè)備校準(zhǔn)系統(tǒng)的原理如圖2所示，包括了虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)、老化試驗(yàn)電源、老化系統(tǒng)測(cè)試電路和高溫試驗(yàn)箱溫控系統(tǒng)等四個(gè)部分，虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)結(jié)合另外三個(gè)部分便可完成校準(zhǔn)工作。其中的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)即為電容器高溫老化設(shè)備校準(zhǔn)裝置，包括了溯源到國(guó)家/國(guó)防基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集模塊、溯源到國(guó)家/國(guó)防基準(zhǔn)的外接儀表、基于LabVIEW語(yǔ)言的校準(zhǔn)軟件、專用計(jì)量校準(zhǔn)板、交換開(kāi)關(guān)模塊以及專用連接線等［8～10］。

圖2 校準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖

4 校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件部分

電容器高溫老化設(shè)備校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件部分由PXI儀器模塊組部分、專用計(jì)量校準(zhǔn)板部分、外接儀表部分、以太網(wǎng)通信部分及PC組成，如圖3所示，下面對(duì)這幾個(gè)部分進(jìn)行介紹。

圖3 校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件組成

4.1 PXI儀器模塊組部分

虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的PXI儀器模塊組選擇了NI公司的產(chǎn)品。機(jī)箱選用NI PXI-1042一體化8槽機(jī)箱。根據(jù)計(jì)量任務(wù)分析，本系統(tǒng)選用NI PXI-8108嵌入式非實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制器，數(shù)字多用表模塊選擇NI PXI-4072六位半模塊，交換開(kāi)關(guān)模塊選擇了兩塊NI PXI-2527模塊。

4.2 專用計(jì)量校準(zhǔn)板

根據(jù)電容器高溫老化設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)和老化原理，設(shè)計(jì)并制作符合老化設(shè)備接口的專用校準(zhǔn)板，主要用于校準(zhǔn)電容器高溫老化系統(tǒng)的部分電氣參量。根據(jù)需要，在專用計(jì)量校準(zhǔn)電路板上設(shè)計(jì)模擬負(fù)載電路，并使用排線形式將相關(guān)的測(cè)試信號(hào)引出。測(cè)量時(shí)數(shù)字多用表利用交換開(kāi)關(guān)進(jìn)行通道間的切換。

4.3 外接儀表

校準(zhǔn)系統(tǒng)的外接儀表包括溯源到國(guó)家/國(guó)防基準(zhǔn)的電子負(fù)載、兆歐表、鉑熱電阻等。

4.4 以太網(wǎng)通信部分

PXI-6608系統(tǒng)控制器內(nèi)置以太網(wǎng)接口，使用網(wǎng)線將PXI儀表與PC直接相連，或通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)利用PC對(duì)虛擬系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

5 校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件部分

虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器所有的采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和圖形用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件以至整個(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所代替。所以軟件是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心。設(shè)計(jì)基于虛擬儀器的校準(zhǔn)系統(tǒng)，主要工作就是設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)校準(zhǔn)軟件［11］。

5.1 校準(zhǔn)軟件框架結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的主程序模塊共有溫度校準(zhǔn)模塊、電源校準(zhǔn)模塊和漏電流校準(zhǔn)模塊，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器高溫老化系統(tǒng)的高溫試驗(yàn)箱、老化試驗(yàn)電源和漏電流測(cè)試電路的校準(zhǔn)。各個(gè)功能模塊既能夠單獨(dú)工作，又能夠聯(lián)合統(tǒng)一作為一個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。這樣的設(shè)計(jì)目的主要是為了有利于對(duì)功能模塊的補(bǔ)充和修改。當(dāng)系統(tǒng)要求增加新的功能或修改現(xiàn)有功能時(shí)，只需將新的功能在某一個(gè)模塊中進(jìn)行修改，而不必對(duì)其他模塊進(jìn)行全部修改。

圖4 校準(zhǔn)軟件結(jié)構(gòu)

5.2 溫度校準(zhǔn)模塊

以溫度校準(zhǔn)模塊為例，介紹各校準(zhǔn)模塊的設(shè)計(jì)方法。溫度校準(zhǔn)參照了JJF 1101-2003《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范》中的規(guī)定。校準(zhǔn)項(xiàng)目包括溫度偏差、溫度均勻度以及溫度波動(dòng)度［12］。

溫度校準(zhǔn)程序的前面板如圖5，不包含菜單欄，工具欄中包含“運(yùn)行”、“中止”、“暫停”等按鍵。校準(zhǔn)時(shí)可利用前面板上的“校準(zhǔn)操作”、“重要設(shè)置”對(duì)校準(zhǔn)進(jìn)行參數(shù)配置及操作控制。校準(zhǔn)結(jié)果會(huì)實(shí)時(shí)顯示在“測(cè)量結(jié)果”欄中。

圖5 溫度校準(zhǔn)模塊前面板

溫度校準(zhǔn)模塊的程序框圖中對(duì)按鍵的響應(yīng)使用事件結(jié)構(gòu)（Event structure），共有三個(gè)事件分支：測(cè)量溫度、停止系統(tǒng)、導(dǎo)出記錄至文件。

數(shù)據(jù)保存部分利用了LabVIEW Report Genera?tion Toolkit，用戶需要安裝Office 2003以上版本，程序才能運(yùn)行。使用該工具，用戶可以將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存為EXCEL電子表格。溫度校準(zhǔn)的流程如圖6。

圖6 溫度校準(zhǔn)流程圖

5.3 漏電流校準(zhǔn)模塊

對(duì)電容器高溫老化設(shè)備漏電流測(cè)試電路的校準(zhǔn)，可歸結(jié)為對(duì)直流數(shù)字電流表的校準(zhǔn)。直流數(shù)字電流表的校準(zhǔn)方法參考了JJG 1587-2016《數(shù)字多用表校準(zhǔn)規(guī)范》的規(guī)定。

程序共有五個(gè)事件分支：測(cè)量電壓、測(cè)量漏電流、初始化、停止系統(tǒng)、導(dǎo)出記錄至文件。

5.4 電源校準(zhǔn)模塊

對(duì)老化設(shè)備電源部分的校準(zhǔn)，參考了JJF 1597-2016《直流穩(wěn)定電源校準(zhǔn)規(guī)范》的規(guī)定。外接電子負(fù)載，分別用數(shù)字多用表的交流電壓毫伏檔和直流電壓檔在電源前面板測(cè)試端點(diǎn)測(cè)試電源的紋波和負(fù)載效應(yīng)。

6 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬儀器技術(shù)的電容器高溫老化設(shè)備校準(zhǔn)系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，能夠滿足計(jì)量實(shí)驗(yàn)室對(duì)電容器高溫老化設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)檢定的要求。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)老化設(shè)備的全面校準(zhǔn)，并可將校準(zhǔn)結(jié)果以電子表格的方式保存，這給測(cè)試工作帶來(lái)了很大的便利，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試儀器與計(jì)算機(jī)的一體化。本系統(tǒng)已被國(guó)防微電子一級(jí)計(jì)量站采用，使用狀況良好。