一鍵式快速LCR參數(shù)測試及分析系統(tǒng)設(shè)計

引言

傳統(tǒng)測量測試儀器在科研、實(shí)驗(yàn)、教學(xué)等方面應(yīng)用十分廣泛，如無源元件的電感（L）、電容（C）、電阻（R）的各項參數(shù)測試就是由LCR數(shù)字電橋及相關(guān)配套設(shè)備來完成的。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，元器件也逐步向著工作頻率高頻化、測試參數(shù)多樣化方向發(fā)展。隨著元件需要測試參數(shù)的增多，由于手動操作傳統(tǒng)測量儀器存在的低效、繁瑣等缺陷，已無法滿足元器件生產(chǎn)企業(yè)對測試的要求。一種可由用戶自定義具有高效、靈活的虛擬儀器的出現(xiàn)，能夠很好解決這一問題。LabVIEW（Laboratory VirtualInstrumentation Engineering Workbench）是一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，主要用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)。它是專門為工程師和科學(xué)家而設(shè)計的直觀圖形化編程語言。它將軟件和各種不同的測量儀器硬件及計算機(jī)集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)，以形成用戶自定義的解決方案。由此借助LabVIEW平臺，結(jié)合儀器TH2826數(shù)字電橋，而設(shè)計出新型LCR參數(shù)測試系統(tǒng)。

系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)如圖1所示，由電腦、改制鼠標(biāo)、腳踏開關(guān)、通信電纜、TH2826數(shù)字電橋組成。TH2826系列元件測試儀，其0.1%的基本精度、22種阻抗參數(shù)測試、20Hz～5MHz的頻率范圍可以滿足低EsR的電容器和高Q電感器等元件的測量。其標(biāo)準(zhǔn)配置的RS232C串行接口與電腦通信用來完成數(shù)據(jù)傳輸及儀器控制等任務(wù)。作為快速測試系統(tǒng)的組成部分，腳踏開關(guān)與改制鼠標(biāo)（腳踏開關(guān)的常開觸點(diǎn)與鼠標(biāo)左鍵微動開關(guān)并聯(lián)）配合完成一鍵式快速測試。

軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主體架構(gòu)是基于LabVIEW的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機(jī)設(shè)計模式，LabVIEW程序同樣也稱為虛擬儀器（VI）。以被測參數(shù)較多的電感元件為例，整個測試程序流程圖如圖2所示，由測試準(zhǔn)備界面和系統(tǒng)測試界面組成。系統(tǒng)測試界面如圖3所示，其分為三個部分：儀器參數(shù)配置及實(shí)測數(shù)據(jù)顯示區(qū)、測試數(shù)量統(tǒng)計顯示區(qū)、測試數(shù)據(jù)分析區(qū)。

流程簡要說明

系統(tǒng)首先顯示測試準(zhǔn)備界面，在此界面里輸入被測產(chǎn)品編號，輸入或選擇存儲測試數(shù)據(jù)的文件名，輸入操作員號，輸入完畢并確認(rèn)后系統(tǒng)自動進(jìn)入系統(tǒng)測試界面。程序開始自動從Excel表格調(diào)出對應(yīng)產(chǎn)品編號的每組參數(shù)配置、設(shè)定的產(chǎn)品規(guī)格限值、測試項編號，得出測試步驟數(shù)。將被測產(chǎn)品與TH2826數(shù)字電橋連接（依次按測試項編號編排順序），踏動腳踏開關(guān)系統(tǒng)開始自動測試。以兩個實(shí)例說明如下：

實(shí)例一：當(dāng)被測產(chǎn)品只有一個繞組一組測試項，即只有一個測試步驟時，系統(tǒng)流程：接入第一個被測產(chǎn)品，踏動腳踏開關(guān)，啟動一配置參數(shù)1→測試1→寫文件→轉(zhuǎn)移（帶返回參數(shù)P=1）→等待啟動；接入第二個被測產(chǎn)品，踏動腳踏開關(guān)，啟動→測試1→寫文件→等待啟動。相同產(chǎn)品編號的其余被測產(chǎn)品均按以下模式循環(huán)運(yùn)行：踏動腳踏開關(guān)，啟動一測試1→寫文件→等待啟動。

實(shí)例二：當(dāng)被測產(chǎn)品有二個繞組三組測試項，即第一個繞組有二組測試項。第二個繞組有一組測試項，共計有三個測試步驟時，系統(tǒng)流程：接入第一個被測產(chǎn)品的第一繞組，踏動腳踏開關(guān)，啟動→配置參數(shù)→測試1→配置參數(shù)2→測試2→轉(zhuǎn)移（帶返回參數(shù)P=3）→等待啟動：接入第一個被測產(chǎn)品的第二繞組，踏動腳踏開關(guān)，啟動→配置參數(shù)3→測試3→寫文件→轉(zhuǎn)移（帶返回參數(shù)P=0）→等待啟動。按以上步驟循環(huán)進(jìn)行其余被測產(chǎn)品的測試。

儀器參數(shù)配置及實(shí)測數(shù)據(jù)顯示

系統(tǒng)自動顯示被測產(chǎn)品編號。儀器十項參數(shù)（ISO：偏流源直流隔離功能，ALC：自動電平控制開關(guān)）配置、測試項編號、主參數(shù)上下限值、副參數(shù)上下限值均事先在Excel表格中設(shè)定，下面兩行顯示的是主、副參數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)。當(dāng)測試值處在規(guī)定范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)以藍(lán)色字體顯示。否則，數(shù)據(jù)以紅色字體顯示。系統(tǒng)依據(jù)產(chǎn)品測試步驟的多少自動調(diào)整顯示的步驟數(shù)，測試界面最多可以顯示八個測試步驟。當(dāng)測試完一個產(chǎn)品，再啟動測試另外一個產(chǎn)品時，系統(tǒng)會自動清除前一個產(chǎn)品的所有測試數(shù)據(jù)。這樣可以清楚顯示新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程。

測試數(shù)據(jù)分析顯示

系統(tǒng)自動跟蹤第一測試步驟的主參數(shù)實(shí)測值，對其進(jìn)行直方圖繪制，Pp及Ppk分析。

測試數(shù)據(jù)直方圖顯示

直方圖又稱質(zhì)量分布圖，是一種幾何形圖表，它是根據(jù)從生產(chǎn)過程中收集來的質(zhì)量數(shù)據(jù)分布情況，畫成以組距為底邊、以頻數(shù)為高度的一系列連接起來的直方型矩形圖，反映產(chǎn)品質(zhì)量的分布情況，判斷和預(yù)測產(chǎn)品質(zhì)量及不合格率。利用系統(tǒng)實(shí)時采集的數(shù)據(jù)形成直方圖，相關(guān)程序部分如圖4所示。這里用到LabVIEW的通用直方圖VI。程序首先初始化一個含有20個元素的一維數(shù)組，在第一測試步驟的條件結(jié)構(gòu)“ctest1”里，將測得的主參數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為一維數(shù)組作為通用直方圖Ⅵ的輸入，再進(jìn)行相應(yīng)數(shù)學(xué)變換，即可在測試界面上實(shí)時顯示測試數(shù)據(jù)的分布情況。

測試數(shù)據(jù)Pp及Ppk分析的實(shí)現(xiàn)

SPC（Statistical Process Contr01）即統(tǒng)計過程控制（質(zhì)量管理體系ISO/TSl6949五大核心工具之一），主要是指應(yīng)用統(tǒng)計分析技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，科學(xué)區(qū)分出生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量的隨機(jī)波動與異常波動，從而對生產(chǎn)過程的異常趨勢提出預(yù)警，以便生產(chǎn)管理人員及時采取措施，消除異常，恢復(fù)過程的穩(wěn)定從而達(dá)到提高和控制質(zhì)量的目的。Pp及Ppk稱為過程性能指數(shù)，屬于SPC的基本方法，是對生產(chǎn)過程收集的計量型數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)描述，具體表達(dá)式見文獻(xiàn)。Pp是公差允許的最大變差與過程性能之比，這個指數(shù)對過程滿足變差要求的程度提供了度量，不受過程位置的影響。Ppk是考慮過程位置的性能指數(shù)。Pp與Ppk總是一同進(jìn)行評價和分析。形成Pp及Ppk的相關(guān)程序部分如圖5所示。這里運(yùn)用到LabVIEW的標(biāo)準(zhǔn)差和方差VI，程序首先初始化一個一維空數(shù)組，在第一測試步驟的條件結(jié)構(gòu)“ctest1”中，將測得的主參數(shù)數(shù)據(jù)連接成一維數(shù)組作為標(biāo)準(zhǔn)差和方差Ⅵ的輸入，經(jīng)過其運(yùn)算得到數(shù)組的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，再進(jìn)行相應(yīng)數(shù)學(xué)變換，即可在測試界面上實(shí)時顯示測試數(shù)據(jù)的Pp及Ppk的分析結(jié)果。

測試數(shù)據(jù)的判定及存儲

音訊提示組成快速測試的一部分。在每一測試步驟完成時，如果測試數(shù)據(jù)在規(guī)定范圍內(nèi)，系統(tǒng)驅(qū)動電腦主機(jī)蜂鳴器發(fā)出音訊，操作員無需觀察顯示器上的數(shù)據(jù)即可了解測試結(jié)果。系統(tǒng)將測試數(shù)據(jù)自動存儲在指定的文件中，自動加入當(dāng)前日期、時間、數(shù)據(jù)名稱等信息，將不在范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)用紅色標(biāo)注。

結(jié)束語

針對手動操作傳統(tǒng)測量儀器低效、繁瑣等問題，本文提出了一種基于虛擬儀器技術(shù)的LCR參數(shù)測試方案。將參數(shù)配置、產(chǎn)品規(guī)格限值等事先以Excel表格形式保存，通過LabVIEw軟件的調(diào)用，運(yùn)用帶參數(shù)返回技術(shù)設(shè)計，無需人工額外操控儀器，僅使用腳踏開關(guān)啟動，系統(tǒng)即可自動完成各步驟之間的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)高效快速測試、數(shù)據(jù)直方圖顯示及在線數(shù)據(jù)Pp及PPk分析等功能。

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