利用篩選裝置進行電子元器件檢測裝置設計

奚望，周加耀

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

電子元器件作為現代電子產品的核心組成部分，其質量和性能對產品的可靠性和穩定性至關重要[1]。然而，在電子元器件制造過程中，由于生產工藝、材料差異以及制造設備的變化等因素，不可避免地存在一定數量的不合格元器件。此類不合格元器件，容易導致產品故障、性能下降等問題，甚至會危害到用戶的安全。為解決上述問題，利用篩選裝置進行電子元器件的檢測和篩選，可保障產品質量和性能。通過對電子元器件進行分揀和篩選，剔除不合格的元器件，并篩選出符合要求的元器件，能夠保障產品的可靠性和穩定性[2]。本文通過設計利用篩選裝置進行電子元器件檢測的裝置，探索了利用現代技術方法提高元器件檢測精度和篩選效率的有效途徑。從篩選裝置的結構設計入手，設計合理的組成模塊和連接方式，使得整個裝置具有良好的穩定性和可靠性。同時，通過集成測試的驗證，評估了該裝置的性能和有效性，以期為電子制造企業提供一種可靠的元器件檢測解決方案。

1 篩選裝置結構設計

利用篩選裝置進行電子元器件檢測裝置由輸入層、控制層和輸出層等多個部分構成。篩選裝置設計總結構見圖1。

圖1 篩選裝置設計結構圖

輸入層是與檢測裝置進行交互的數據界面，通過該界面用戶可以輸入檢測要求、參數設置等，并獲取檢測結果。控制層是實際執行電子元器件檢測的核心部分，主要包括傳感器、控制器和執行器等設備。傳感器用于檢測元器件的物理特性或電氣特性，如尺寸、電阻、電容等[3]。控制器用于控制篩選裝置的動作和參數。執行器根據控制信號移動、旋轉或操作對裝置進行篩選。輸出層可以顯示檢測結果、報警信息或其他相關信息。各層級通過與其他部分的接口進行通信，獲取傳感器數據、發送控制指令并處理檢測結果。輸入層計算機選用AMD Ryzen 9 5900X，其具備高性能的處理器、足夠的存儲容量和豐富的輸入輸出接口。控制層包括硬件和軟件兩個部分。硬件控制部分由微控制器、集成電路芯片等組成，負責連接服務器與其他部分，并執行各種操作和控制指令。軟件控制部分則通過控制電壓電路并使用PID 控制算法實現設備的自動化控制和監控故障問題。供電系統提供電源給整個檢測裝置，以確保各個部分正常工作，穩定輸出所需的電壓和電流，為檢測裝置提供過載保護功能。

2 硬件設計

利用篩選裝置進行元器件檢測的裝置設計組成見圖2。

圖2 元器件篩選裝置組成圖

主處理器Intel Core i7-10700K 是篩選裝置進行元器件檢測的核心，負責執行指令和處理數據，Intel Core i7-10700K 擁有16 線程，可以同時執行多個任務。對于元器件檢測裝置而言，意味著可以并行處理多路輸入信號、數據分析和故障判斷等任務，提高系統效率和響應速度。存儲器采用DDR4-3200，用于存儲程序代碼、數據和臨時變量。I/O 接口用于與外部設備進行數據交互，包括GPIO、ADC/DAC 和通信接口。計數器74LS193 用于計時、延時和頻率測量等功能。74LS193 計數器具有多種工作模式，可以實現不同的計數方式和功能。它可以作為二進制、BCD 和十進制計數器，可編程預置計數器以及頻率分頻器等。其在使用期間非常靈活，能夠適應不同需求的計時、延時和頻率測量應用。中斷控制器8259A 處理外部中斷信號，實現對外部事件的響應。集成電路中，電源管理單元負責管理電源供應和控制低功耗模式。裝置采用MPU-6050 傳感器作為外部設備，并將其連接到微控制器，MPU-6050 集成了三軸加速度計和三軸陀螺儀。它能夠同時測量裝置的加速度、角速度和傾斜角度等運動參數，為篩選裝置提供全面的運動監測功能。以上部分相互協作，構成了一個完整的微控制器系統。根據裝置應用需求和功能要求，設計選擇了ATmega328P微控制器芯片，并在結構設計圖中進行布局和連接，以實現裝置檢測電子元器件所需的功能和性能。

3 軟件設計

■3.1 電壓控制

根據待檢測的電子元器件的規格和特性，設計電池的低電壓閾值為3.5V，此時，使用一個電壓分壓電路將電池電壓降低到可測量范圍，再通過ADC 將電壓轉換為數字信號。電壓分壓公式見式(1)。

式中，Vin為輸入電壓（電池電壓），Vout為輸出電壓（用于ADC 輸入的測量電壓），R1為上方電阻的阻值，R2為下方電阻的阻值。ADC 轉換公式見式(2)。

式中，Vin為輸入電壓（經過電壓分壓電路得到的測量電壓），DV為ADC 轉換后的數字值，ADCMV為ADC 的最大可表示值，Vref為ADC 的參考電壓。得出電壓值后，將采樣得到的數字電壓信號與設定的電壓閾值進行比較。如果電壓小于等于3.5V，則認為電池電壓正常；否則，認為電池電壓低于閾值，當檢測到電池電壓低于設定閾值時，觸發報警機制。

■3.2 電路放大

在設計利用篩選裝置進行電子元器件檢測裝置的過程中，設計電路放大是為了增強信號的強度或者去除不需要的頻率成分，以便更好地進行后續的信號處理和判斷[4]。電路放大公式見式(3)。

式中，Vout為輸出電壓，Vin為輸入電壓，A為放大器的增益。假設在利用篩選裝置對電子元器件進行檢測期間，輸入信號需放大2 倍，則增益A為2，放大器的輸出電壓則是輸入電壓的兩倍。

■3.3 電路濾波

設計電路濾波的目的是去除或減少信號中的不需要的頻率成分，使得輸出信號更加純凈、穩定和符合需求，并保留需要的信號成分[5]。濾波器傳遞函數計算公式見式(4)。

式中，Vout為輸出電壓，Vin為輸入電壓，ω為頻率，ωc為濾波器的截止角頻率。通過選擇合適的截止頻率，可以控制濾波器的頻率響應，只保留低于截止頻率的信號成分，從而實現對高頻信號的濾除。在濾波器設計中，通過調整截止頻率的大小，可以決定濾波器的通帶和阻帶范圍。對于低通濾波器，信號的幅度降低到濾波器增益的一半比例，低于截止頻率的信號將通過濾波器被保留，而高于截止頻率的信號則將被濾除。

■3.4 PID 故障診斷與報警

在PID 控制中，故障診斷和報警是其主要功能，在篩選裝置出現異常或故障時，利用PID 故障檢測法，能夠及時檢測、診斷并提供相應的報警信號。PID 故障診斷與報警的實現流程見圖3。

圖3 PID 故障與診斷報警的實現流程圖

開始節點表示開始執行PID 故障診斷與報警的流程。隨后，開始監測PID 控制器的輸入和輸出信號，通過設定報警閾值，可比較輸入和輸出信號之間的差異。報警閾值的具體數值，則根據控制對象的特性、目標設定和安全性要求等進行確定。接下來，將輸入信號與輸出信號進行比較，通過計算誤差檢查兩者之間的差異。誤差可以是輸入信號與輸出信號之間的偏差，通過判斷誤差是否超過預設的報警閾值，可以確定是否存在故障或異常情況。如果誤差超過閾值，則說明存在故障，并進入發出報警信號的步驟。如果誤差未超過閾值，則說明系統正常，直接結束流程。

4 集成測試

■4.1 測試準備

通過利用篩選裝置對ECAP1C0G331 電容器進行檢測，在確定ECAP1C0G331 電容器的外觀、型號和標識等內容均未發現問題后，對其進行電氣性能和應力篩選，以確保其質量和可靠性。針對電氣性能問題，采用容量測量的方法進行測試。首先，使用電容測試儀或對ECAP1C0G331 電容器的實際容量進行測量，并與規定容量值進行比較。隨后，通過將ECAP1C0G331 電容器連接到電壓源和負載電阻，并施加規定的額定電壓，觀察電容器是否能夠正常承受并穩定工作。應力篩選測試的目的在于研究電容器在特定應力環境下的可靠性和穩定性。通過將電容器置于溫度循環測試設備中，在規定的溫度范圍內進行循環變化。設置溫度變化周期為-40℃～+85℃，在每個溫度點上，觀察電容器的電氣性能，如容量和損耗因素，以評估其性能表現。

■4.2 測試結果

利用篩選裝置對ECAP1C0G331 電容器進行容量測量的結果為328μF，與規定容量值330μF 有輕微差異。在電壓耐受測試中，測試結果顯示通過，表明電容器能夠正常承受規定的額定電壓。在應力篩選測試中，其溫度變化周期見表1。

表1 溫度周期變化測試數據

由表1 測試數據可知，隨著溫度的升高，電容器的電容值逐漸減小。反映出電容器的溫度特性即隨著溫度的變化，電容器的電容值也會相應變化。在-40°C～60°C 的溫度范圍內，電容值變化不是非常顯著。從325μF～327μF 的變化范圍相對較小，說明電容器在該溫度范圍區間的電容值變化較小，具有較好的穩定性。綜合來看，在整個溫度測試范圍內，電容器的一致性都相對較高，均超過99%。意味著在不同溫度下進行循環測試過程中，電容器的測試數值變化較小，該篩選裝置具有較好的穩定性。

5 結束語

該篩選裝置考慮了不同類型的電子元器件、篩選標準和測試需求，裝置能夠根據預設的篩選標準，對電子元器件進行分揀和篩選，剔除不合格的元器件，并保留符合要求的元器件。此外，篩選裝置在執行篩選過程中，能夠保持穩定的性能和準確的判別能力，一定程度上能夠為電子制造企業提供可靠的元器件檢測解決方案。通過對該篩選裝置進行集成測試，驗證了該裝置的穩定性和有效性。裝置能夠準確判斷電子元器件的質量及性能，并及時報警識別故障，有助于提高產品質量、降低故障率。