一種非標(biāo)測(cè)試行業(yè)的隔離精密電壓采集模塊

鄭薈民

（世健國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518057）

0 引 言

近年來(lái)，以蘋(píng)果、亞馬遜、微軟為代表的國(guó)際品牌的消費(fèi)電子產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)規(guī)模化生產(chǎn)，帶動(dòng)并完善了國(guó)內(nèi)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)加工供應(yīng)鏈生態(tài)系統(tǒng)。同時(shí)，華為、小米、VIVO等國(guó)內(nèi)品牌迅速崛起，其產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外的銷量不斷攀升，供應(yīng)鏈系統(tǒng)擴(kuò)容需求不斷加大。非標(biāo)測(cè)試作為生產(chǎn)加工生態(tài)系統(tǒng)的重要部分也取得了快速發(fā)展的機(jī)會(huì)，尤其是針對(duì)PCB（Printed Circuit Board）、PCBA（Printed Circuit Board Assembly）、FPC（Flexible Printed Circuit）、FPCA（Flexible Printed Circuit Assembly）及其組件生產(chǎn)加工之后的在線測(cè)試（In Circuit Test，ICT）和功能測(cè)試（Fuction Circuit Test，F(xiàn)CT），國(guó)內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)30多家規(guī)模廠商，龍頭企業(yè)年產(chǎn)值10多億[1]。

電壓測(cè)試是非標(biāo)測(cè)試中需求最大的測(cè)試項(xiàng)，涵蓋產(chǎn)品生產(chǎn)中元件、模組和整機(jī)的每個(gè)階段。早期眾多廠商使用吉時(shí)利和是德的標(biāo)準(zhǔn)儀器，或者使用美國(guó)國(guó)家儀器（National Instruments，NI）的數(shù)據(jù)采集卡，現(xiàn)在已轉(zhuǎn)向自主研發(fā)。在非標(biāo)測(cè)試行業(yè)中，電壓采集精度和重復(fù)測(cè)試的穩(wěn)定性十分重要，關(guān)系被測(cè)元件是否合格以及元件批量生產(chǎn)時(shí)參數(shù)的一致性。同時(shí)，測(cè)試過(guò)程中檢測(cè)電路不能對(duì)被測(cè)元件產(chǎn)生影響，或者致使待測(cè)元件損壞。所以，隔離精密采集器已經(jīng)成為新趨勢(shì)。另外，檢測(cè)系統(tǒng)中集成大量模擬開(kāi)關(guān)或者繼電器，總通道數(shù)普遍近千個(gè)。非標(biāo)測(cè)試設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，若頻繁出現(xiàn)模擬開(kāi)關(guān)或者繼電器損壞情況，此時(shí)將檢測(cè)硬件整板更換成本極高，因此將電壓采集模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)更利于系統(tǒng)集成、調(diào)試與批量生產(chǎn)。

1 電壓測(cè)量硬件設(shè)計(jì)

1.1 電壓測(cè)量硬件方案

如圖1所示，電壓采集模塊電路由輸入信號(hào)調(diào)理電路、精密參考與模數(shù)轉(zhuǎn)化電路、隔離電路以及電源電路組成[2]。

圖1 直流電壓采集模塊電路框圖

1.2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路用于將輸入的電壓信號(hào)處理在模數(shù)轉(zhuǎn)化器（Analog-to-Digital Converter，ADC）有效的采集范圍內(nèi)，并且具備抑制共模干擾、阻抗轉(zhuǎn)換和ADC驅(qū)動(dòng)的能力。AD8422是一款高精度儀表運(yùn)放。其中，B級(jí)在增益為1 000時(shí)共模抑止比達(dá)到150 dB，增益誤差僅為0.04%，最大輸入失調(diào)漂移為0.3 μV/℃，最大輸入偏置電流為0.5 nA；輸入差模阻抗，共模阻抗均為200 GΩ，工作電壓最高36 V，帶有40 V過(guò)壓保護(hù)功能。它適用非標(biāo)測(cè)試設(shè)備信號(hào)調(diào)理的第一級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)電壓處理，或者電流轉(zhuǎn)為電壓。第二級(jí)運(yùn)放低噪ADA4004-1是一款工作電壓的極低電壓噪，輸入輸出信號(hào)軌到軌的運(yùn)放，為AD8422提供基準(zhǔn)電壓。將它的輸出單端電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為差分電壓信號(hào)，可增強(qiáng)電路對(duì)共模干擾的抑制能力。

1.3 精密參考與模數(shù)轉(zhuǎn)化電路

精密參考ADR4550為ADC提供5 V電壓基準(zhǔn)，該電壓基準(zhǔn)絕對(duì)精度±0.02%，B級(jí)-40～+125 ℃的最大溫漂為2 ppm/℃。由于模數(shù)轉(zhuǎn)化器根據(jù)該電壓基準(zhǔn)，按ADC的位數(shù)進(jìn)行等分，決定系統(tǒng)采集的分辨率。AD7175-2是一款250 ksps 24 bit ∑-Δ型ADC，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器，2.5 ksps輸出時(shí)無(wú)噪聲分辨率仍然有20位。

1.4 隔離電路

隔離電路包括電源隔離與數(shù)字隔離[3]。數(shù)字隔離器用于將ADC及其前端模擬電路與數(shù)字器件的微控制器實(shí)現(xiàn)物理隔離，避免數(shù)字芯片工作過(guò)程中通過(guò)板間對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生影響。ADUM141是4通道數(shù)字隔離器，隔離電壓達(dá)到3.75 kV，最高支持150 Mb/s，適用于ADC輸出的SPI接口（Serial Peripheral Interface）隔離。電源隔離器用于將電源大功率等器件與模擬線路隔離，避免電源、地噪聲串?dāng)_模擬信號(hào)，主要通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)。

1.5 電源電路

電源電路用于為運(yùn)放、ADC、參考源提供工作電壓。此外，針對(duì)精密測(cè)量電路，電源需要對(duì)噪聲有較強(qiáng)的抑制能力，這在很多工程師的設(shè)計(jì)工作中被忽略。正負(fù)電源穩(wěn)壓電路、LT3045、LT3090 10 Hz～100 kHz RMS噪聲0.8 μVRMS，1 MHz的電源抑止比達(dá)到76 dB，為模擬電路提供清潔的電源，抑制電源對(duì)系統(tǒng)失調(diào)電壓的影響，保證測(cè)量精度。

2 電路校準(zhǔn)與測(cè)試

由于模擬電路芯片工藝問(wèn)題使芯片存在失調(diào)電壓和增益誤差，而電路系統(tǒng)中電阻、電源、共模電壓等會(huì)使其產(chǎn)生更大的影響，其中失調(diào)電壓和增益誤差會(huì)對(duì)實(shí)際測(cè)試產(chǎn)生很大影響：

Y為ADC校準(zhǔn)后測(cè)試數(shù)據(jù)，X為ADC輸出數(shù)據(jù)，Gain是系統(tǒng)增益誤差，Vos是系統(tǒng)失調(diào)電壓。因此，在精密測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)試電路需要進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)和增益誤差校準(zhǔn)，以保證檢測(cè)電路的線性度。完成校準(zhǔn)后，使用標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)源逐級(jí)產(chǎn)生待測(cè)激勵(lì)，并用安捷倫34401臺(tái)式6位半數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)作為標(biāo)準(zhǔn)，ADC校準(zhǔn)輸出值和誤差值見(jiàn)表1。

圖2為該電路檢測(cè)精度，即誤差在標(biāo)準(zhǔn)值所占比例均小于±0.2%。

表1 ADC校準(zhǔn)輸出值和誤差值

圖2 誤差占比圖

3 結(jié) 論

經(jīng)上述測(cè)試，該采集模塊精度為±0.2‰，采集硬件面積小，支持?jǐn)?shù)據(jù)隔離傳輸，便于系統(tǒng)集成，為非標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件迭代保留了較大的發(fā)展空間，適合在該行業(yè)推廣使用。值得一提的是，該采集電路的性能仍有優(yōu)化的空間。例如，目前使用隔離電源模塊時(shí)，其紋波及噪聲100～150 mV，而LT3439紋波可以控制在20 mV左右；使用金屬屏蔽增加測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾能力，均可提高測(cè)量精度。