消費類電子產品生產中的LCR測試分析

【摘要】? ? 本文介紹LCR測試原理，結合我國消費類電子產品制造廠商的生產現狀，分析主流LCR實現方案的技術特點，并提出一種集成化測量方法，優化產品生產中LCR測試，提供更高效，可靠，便于硬件迭代的實現方案。

【關鍵詞】? ? LCR測試? ? 阻抗測試? ? 相敏檢波? ? 集成化測試

一、引言

近年來，以智能手機為代表的消費電子產品爆發性的增長，和消費者體驗度的不斷提升，對高密度電子產品在高效率生產中保證良好品質提出迫切需求。電阻、電容和電感的阻抗測量是電子測量技術的基礎，在PCBA（Printed Circuit Board Assembly），FPCA（Flexible Printed Circuit Assembly）組件生產加工中的在線測試（In Circuit Test， ICT）和功能測試（Functional Circuit test， FCT）也是至關重要的測試工序，用于驗證PCBA，FPCA生產中的電阻，電容，電感是否焊接可靠、準確。

消費電子產品中電阻使用范圍集中在Ω至MΩ，測量精度0.1%，電容使用范圍集中在nF至μF，測量精度0.5%，電感使用極少，僅在ICT中涉及個別nH或μH電感。使用標準LCR（Inductance， Capacitance， Resistance）測試儀器可以準確測量上述參數，但是標準儀器體積較大、成本高、硬件靈活性差，不便在消費類電子產品的生產線中大規模使用。本文通過對 LCR 測量儀的原理及當前國內生產加工廠商的LCR測試方法的分析，提出一種適用于消費電子產品生產測試的集成化LCR測試實現方法。

二、LCR測量原理

根據電容、電感元件阻抗的關系（式2-1，2-2），可知電容和電感元件的特征阻抗，在不同頻率下存在差異，尤其在高頻激勵下其阻抗有較大變化。

LCR測量不是直接測量L、C、R的值，而是通過測量已知頻率的激勵在待測元件的響應變化，來計算被測件的在相應頻率下的阻抗。如圖1，Vs為交流激勵電壓源，Rs是已知的電阻，ZDUT 是被測阻抗，通過測試被測阻抗的電壓（V），已知電阻電壓（VRS），計算得到被測阻抗的值，如式2-3：

三、LCR電路分析

3.1 LCR電路原理

如圖2，LCR電路結構圖包括激勵部分和檢測部分，激勵部分由直接數字頻率合成器、輸出信號調理電路組成;檢測部分由接收信號調理、模數轉化器、精密參考源電路組成。

如上述消費類電子產品中電容的主要使用范圍，根據式1-1評估直接數字頻率合成器的輸出信號的頻率100 Hz～100KHz，AD9833是一款0 MHz至12.5 MHz輸出的低功耗、低成本、可編程波形的數字直接頻率合成器，適合在該測試中使用。

對于nH級電感的測試，根據式1-2可見，激勵的頻率大于10MHz時，電感僅呈現約10歐姆左右的阻抗。由此可見電感的測試對激勵部分和檢測部分的參數性能要求很高，而電感在智能手機、智能手表等主流的消費電子產品中的使用率遠遠低于電阻，電容，因此，LCR的感抗測試在生產測試中的大規模使用缺乏顯著優勢，目前國內在線測試設備廠商普遍將電感視為0歐姆電阻，高效率、低成本的實現電路板中電感是否焊接可靠。

生產線中的LCR測試電路與實驗室LCR測量儀器的應用方式不同，其輸出端與待測元件之間，存在多級模擬開關（或繼電器）、超過50cm信號導線、測試探針等介質，因此，輸出激勵信號需要具有較大驅動能力，ADA4807是一款?3dB帶寬為200 MHz，輸出電流達到50mA 的低噪運放，適用于激勵輸出提高功率。

而對于接收測量電路的實現方式，可分為相敏檢波采集和直接采集測量。

3.2 相敏檢波采集方案

相敏檢波采集法是現有LCR測試中應用最廣泛的實現方式。如圖3，相敏檢波器是該方案的核心部位。待測元件與已知電阻兩端的矢量電壓信號需要通過相敏檢波電路來分離出其在給定坐標軸上的比例投影，利用他們投影信號就可以計算出待測元件的阻抗值。AD637是一款2V輸入信號帶寬可以保持8MHz，非線性誤差最大0.02%的相敏檢波器，在行業普遍應用。

檢波電路的輸出信號經過模數轉化器，完成阻抗有效值采集，最終通過微處理器計算出阻抗值。相敏檢波采集方案測量精度的誤差主要在模數轉化電路的有效分辨率，AD7172是一款24位 ∑-?型ADC，輸出5 SPS時無噪聲位可達24位，配合精密參考源ADR4540，最大溫度系數為2 ppm/°C，初始精度誤差最大0.02%，實現優于五位半分辨率的數據采集系統。

該方案實際應用中還需要考慮相敏檢波器的輸出建立時間，它與檢波器輸出濾波電容有關，即濾波電容越大，輸出直流性能越優，但是需要建立時間越長。以AD637為例，輸入為單極性正弦波信號，一個周期內實現1%精度誤差，檢波電容建議為0.82μF， 輸出緩沖器的輸入級電容建議為2.7μF，由此配置其硬件建立時間需要325ms，這在年產量數千萬的消費電子產品的生產中存在較大挑戰，如果優先保證生產效率，便要相應減小配置電容，降低建立時間，由此影響測量精度。

3.3直接采集測量方案

如圖4，依托SAR型模數轉化器的高速采集優勢，直接測試待測元件交流激勵的響應信號，通過強大數字信號處理器完成對采集信號的實部，虛部數據的處理、濾波與綜合運算。

該方案的優勢是可以實現快速采集運算滿足高效生產的要求，另外測量過程中能夠識別待測元件的相位信息，進而區分待測元件屬于電容、電阻、電感。

但是傳統SAR型模數轉化器對驅動電路和輸入抗混疊濾波器要求苛刻，而在ICT、FCT行業中硬件迭代周期長則三周短則四天，所以該方案的測試電路的迭代穩定性是主要挑戰。

3.4集成化LCR方案

如圖5，集成化LCR方案是基于AD5933的高精度阻抗轉化器解決方案，片上集成頻率發生器（Direct Digital Synthesizer， DDS）、信號調理、12位1MSPS的模數轉化器、離散傅里葉變換處理（Discrete Fourier Transform， DFT）等功能，外部僅配合微處理器和驅動電路。

將被測電容串聯進入電路，再次根據激勵頻率f產生相應實部（Rzsum）與虛部（Izsum），通過式3-4計算串聯后總阻抗的幅值（Magnitudezsum），式3-6在結合增益系數G計算總阻抗Zsum，式3-7計算相位串聯后的總相位，其與的差值可分辨為待測負載的極性，見式3-8，電容容值根據式3-9計算。

而在ICT、FCT設備中存在多級模擬開關、繼電器連接、以及長于50cm信號走線等因素會嚴重影響測量結果，AD5933提供的掃頻功能會測試降低其影響。如圖6，室溫環境下，使用100KHz～100.2KHz 2Hz步進，掃頻測試目標為100pF電容的結果，其最大誤差0.02%，綜合其掃頻功能可幫助降低在線測試設備眾多的干擾問題。

四、結論

本文分析了現階段我國消費電子產品的LCR在線測試中應用最為普遍的是相敏檢波方案，其方案可實現測量阻抗值，但不能分辨測試元件容性與阻性，而直接測量法對軟件、硬件的系統要求很高，尤其在硬件迭代能力弱。因而，提出基于AD5933的集成化LCR的測試方案可以高效、穩定滿足生產測試需求，并且利于硬件移植，適合在消費電子產品測試中使用。

參? 考? 文? 獻

[1] 鄭薈民.淺談非標測量行業中電子技術的發展[J].電子技術與軟件工程，201908 ACL0013.

[2] 陳杰. LCR測量儀在阻抗測量中的應用[J].可靠性與環境試驗設備及測試分析儀器，2011.6（29）51-54.

[3] 李莉，LCR阻抗測量儀校準初探[ J].計量與測試技術，2007（6）：31-33

[4] 汪艷，夏雪琴.RC、RL、RLC串聯電路幅頻和相頻特性分析[J].大學物理實驗，2012.10（5）：55-60