基于工控机的高可靠光耦合器测试仪的设计.docx
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基于工控机的高可靠光耦合器测试仪的设计
基于工控机的高可靠光耦合器测试仪
的设计
专业电气工程及其自动化
学生姓名
班级BD电气081
学号0820601135
指导老师
完成日期2011年11月13日
摘要
在一些重要领域，都要使用高可靠的电子器件。
高可靠器件是通过一系列的试验来认定的，因此，配合试验用的测试仪是不可缺少的设备。
而微机的出现就给试验测试仪开辟了一条广阔的道路。
本课题由工厂的实际应用出发，研制出用于测量多品种高可靠光耦合器静态参数的自动测试仪器。
本文首先对课题的来源、课题的意义以及课题研究的目的做了简要说明，然后对高可靠光耦合器静态参数的测试原理和检测方法做了详细阐述。
重点讲述了测试仪的硬件设计和软件设计。
在硬件方面介绍了工控机及其板卡的选用；自制信号处理板、继电器矩阵开关板和自制部件的设计和制作。
软件设计方面介绍了在C语言开发环境下的编程；参数测试的实时控制程序编程；存取数据的方法和测试软件的主程序编程等。
在文章的最后对本课题的研究工作做了总结和展望。
测试仪已通过有关单位的计量合格。
自投入生产线以来，工作稳定，运行正常。
关键词：
测试仪，工控机，光耦参数，C语言，实时测试
1绪论
1.1课题的来源和意义
1.1.1测试仪器的重要性
在国防现代化建设中，装备所使用的每一个器件都要经过测试后才能选用。
因此，对于器件的预想研究、型号研制、生产制造和使用维护的全寿命都离不开测试技术，并且测试技术最终要通过测试仪器设备和测试系统表现出来。
测试设备不仅是器件研制的重要手段，产品制造的质量保证工具，也是保障产品可靠性的不可缺的要素。
测试仪器设备的优劣将直接影响到装备的工作完好性和效能，实际上已成为现代国防装备的重要组成部分，并对装备形成的技术能力和保障能力起到重要的作用。
测试仪器设备及系统已成为国防、航天等重要领域的科研生产装备、产品的一部分。
在大规模的工业生产中，测量仪器设备作为信息采集、测量、处理和控制的重要基础手段，已广泛应用十国民经济各行各业，特别是工业的自动化生产，要求在线的、快速的测量设备。
我国在“十一五”规划中，就对测量仪器给与进一步的重视，指出测试是电子信息产品设计、制造过程中的关键环节，是检测电子信息产品性能、质量与安全的必要手段，电子测量仪器是信息产业的重要组成部分。
在国民经济中，测量仪器仪表是“倍增器”，对国民经济有着巨大的辐射作用和影响力。
测量仪器仪表对工业具有先导作用，同时也是改造传统工业的必备手段。
美国商业部国家技术和标准研究院（NIST>提出的报告称:
90年代测量仪器仪表工业产值只占工业总产值的4%，但它对国民经济（GNP）的影响面却达到66%。
电子测量仪器产业的特点是小批量多品种，尽管仪器行业的产值在国民经济总产值中的比重并不算大，但是它在信息化社会中对经济发展的“杠杆”和“倍增”作用却十分巨大。
它的发展在相当大的程度上代表着一个国家的科技水平、综合国力和国际竞争力。
1.1.2课题的来源
在一些重要的领域，如国防、航天等，都要使用高可靠的电子器件。
高可靠器件是通过一系列的试验来认定的。
试验之前，往往还先对同批产品进行抽样，然后对抽样产品进行诸如振动，冲击，高温，低温，耐久性等各种试验。
不同的试验方式方法，给出不同的质量评定等级。
每做一次试验都要有测试仪器对样品的试验前和试验后进行测试，并按规定来判定该组样品做的该次试验是否合格。
各项试验全部合格，才能向使用方提供合同规定的高质量产品。
所以，配合试验用的测试仪器就成为试验过程中不可缺少的重要设备。
与生产用测试仪器相比，试验用测试仪器的要求更高，试验用测试仪不仅在精度、稳定度等性能上要比生产用的高，它还应具有数据的记录、保存、分析的功能。
而微机的出现就给试验测试仪开辟了一条广阔的道路。
我们国家制定不同质量等级试验方式方法，它都包含在目前已发布的各种标准之中，工厂贯彻标准，就成了生产高可靠器件的重要标志。
苏州半导体总厂有限公司是总装备部、国防科工委、信息产业部定点研制和生产军用器件的企业。
它生产的GO系列、GH系列等各种光电祸合器，贯彻国家标准GB4589.1-89《半导体器件分立器件集成电路总规范》[32]，是高可靠器件。
高可靠光电祸合器的生产中，器件参数的检测是该器件质量可靠性过程的必经步骤。
测试设备的优劣将直接影响到产品的质量、批量和稳定性。
以往，光祸器件参数的测试方法主要依靠手工测试的方式完成，检测结果容易受到人为因素的影响和限制。
同时，人工的测试方法，检测速度较慢，不能适应大批量快速检测的要求。
对十高可靠光祸，检测参数多，精度高，检测设备稳定性要好，并目_对每个器件的测试数据要有跟踪、分析、比较、汇总等一系列要求，普通的测量仪器仪表很难实现。
随着工控机的发展，采用标准的总线和模板结构，具有可靠性、实时性、扩充性「21」等特点，将测量仪器和计算机技术相互融合，成为功能强大的自动测试系统。
早90年代，苏州半导体总厂就成功研制了光电器件的测试仪。
根据当时市场情况，测试仪采用非工控机的个人电脑（PC机）作为测试主体，由PC机的打印口外扩自主开发的A/D板和I/O接口板实现对光祸参数的测试。
现今，随着光祸品种的增多，技术标准的提高，需要用十测量多品种多性能的光祸测试仪器。
因此，本课题在原有研制成果的基础上，采用市场上性价比较高的台湾凌华工控机作为测试仪的硬件平台，根据相关器件的国家标准，研制以工控机为平台的多品种高可靠光祸静态参数测试仪。
本测试仪与原有仪器相比，系统标准化程度高，互换性和互操作性好;提高了测试的稳定性和精度;有利十今后的更新和升级换代。
1.2测试仪器的发展
1.2.1传统测试仪器概述
传统测试设备主要由硬件构成，一般功能较少，测试任务简单，其所有功能都在出厂前以硬件的形式固化下来，用户很难对其功能做出改变。
通常由信号输入部分、内部处理单兀以及显示部分构成。
它不能与其他仪器设备进行通信联系，而只能用于现场测量，测量结果不能存储、处理、再显示。
另外，传统设备难以升级换代，且开发研制周期长，经费投入大。
随着科学技术和生产的发展，对电子测量提出了越来越高的要求，这种功能简单的测试仪器显然不能满足人规模测试的要求。
传统测试仪器主要包括模拟式仪表和数字式仪表，它们代表了测试仪器的两个发展时代。
模拟式仪表是以电磁感应定律为理论基础，多为指针式仪表，其原理简单，功能单一，准确度低。
数字式仪表以集成电路技术为基础，把模拟式仪表的精度、分辨率、测试速度等提高了几个数量级，并且为测试仪器向现代智能化方向发展作了准备。
20世纪60年代以来，电子计算机的应用，在各领域引起了一连串深刻的反响。
测试内容日趋复杂，测试工作量急剧增加，对测试设备的功能、性能、测试速度、测试准确度等方面的要求也口益提高。
在这种形势下，传统的测试仪器及方法已经很难满足要求，发展自动测试技术成为必然的出路。
对自动测试的迫切需要主要表现在以下方面:
①测试任务复杂、工作量大、对测试系统的功能性能要求越来越高
②要求测试速度快。
③要求测量的准确度高。
④要求长期进行定时或不间断测试。
⑤危险测试的要求。
1.2.2现代测试仪器
现代科学技术发展口新月异，尤其是计算机技术的飞速发展促进了测试仪器的进步，计算机硬件及其软件技术的渗入，改变了传统的测量理论、测量技术和测量方法，测试工业从此进入了一个新的时代。
实际上，由于高新技术的渗入，现代测试仪器已经不单单是一台简单的仪器，而是嵌入了计算机的各种功能，方便实用的自动测试系统。
其基本结构从硬件平台结构可分为两种基本类型:
一种是以单片机（或专用芯片）为核心组成的单机系统，其特点是易十做成便携式仪器。
另一种是以个人计算机为核心的应用扩展型测试仪器。
以计算机为核心的现代测试仪器不仅能够实现简单的测量任务，并且能对采集信号进行分析，显示、存储以及输出，同时现代测试仪器已不只具有单一功能，而是越来越向多任务，多功能方向发展。
现代测试仪器作为自动测试系统可以充分发挥计算机作用，增加测试功能和提高测试性能，甚至可以完成很多人工测试无法完成的任务「1」。
但要注意，即使采用了自动测试系统，也有提高系统水平的问题，例如软件和信号处理水平就可能相差悬殊。
此外，在组建自动测试系统时，应尽量采用国际通用的标准总线和接口，软、硬件尽量使用开放式模块化结构，使组建的系统标准化程度高，互换性和互操作性好，与世界上众多仪器兼容，并便十修改、更新和升级换代。
因此，伴随未来测试要求的不断提高，测试仪器必然走向集成化的发展道路。
另外，随着计算机、网络技术与通信技术的高速发展与广泛应用，出现了将自动测试技术和它们相结合的网络化测试技术。
网络化测试系统实现了大型复杂系统的远程测试，是信息时代测试的必然趋势。
1.2.3光耦合器测试仪器国内国外情况
目前市场上的光耦测试仪有两种，一种是通用型的测试设备，只用来检测光耦的好坏。
此种设备光耦测试功能简单、并与其他的无缘器件一起测试。
如由台湾的捷智科技股份有限公司生产的型号为JET-300在线测试机，就可测量在线光耦的好坏。
又如汇能电路板故障在线检测仪HN2000MX/C，它对光耦的测试检测功能要丰富些，既可实现光电耦合器在线功能测试又可以在离线情况下对光耦的主要直流参数进行测试，解决由于器件参数的变化难以发现的故障变化。
又如由华峰公司研制的型号为STS3202A光电耦合器老化试验系统，可用于光耦生产过程的老化。
另一种是针对专用于测量光耦参数的仪器。
传统的用于生产的光耦合器测试仪能够完成规定的性能试验项目，例如安徽某厂的GO-1型光耦测试仪，它是数字显示的光耦合器参数测试装置，它可以准确测量光耦合器的输入特性、输出特性和传输特性等，可测量的参数有九项之多，可测量的品种有多种。
这种类型的测试仪器能够完成测试项目，但是整个试验过程包括操作、测量、读数、记录和填写试验报告，完全需要人工完成。
由于试验的内容和测量的数据比较多，人工操作方式难免会造成试验时间长，工人劳动强度大，测量精度差，工作效率低，甚至会出现漏测虚报现象。
此种仪器用于少批量光耦生产和实验用光耦检测可以，但大批量的光耦生产就很难完成。
又有科研单位研制成功数字光耦合器快速测试仪，它是针对光耦合器应用过程中对其隔离性能及动态特性的测试需求，使用ADuc841微控制器设计了一种测试仪器[2]。
它采用DC-DC变换器输出高电压测试光耦舍器的隔离性能和使用变频、变宽的脉冲串测试其动态特性。
该测试仪已用于I／O卡的生产过程，该测试仪能够快速测试光耦的隔离电压及其动态特性。
随着微机控制技术的发展，有些科研单位研制成功了基于工控机控制的光耦合器测试仪。
这些测试仪可以自动完成试验数据的采集、分析和处理。
具有的功能如下：
①保证整个系统具有良好的实时性，满足现场测试试验要求。
②保证整个测试过程的可靠性。
③实现对测量数据的计算机数据库管理。
1.3本课题的研究内容
本课题是根据工厂的实际应用要求出发，研究和制造一台测量多品种高可靠光电耦合器的专用测试设备。
用来测量高可靠光电耦合器在生产过程中的各阶段静态参数。
根据航天、航空领域对测试设备的要求，测试仪器须具有高性能、高可靠性、可扩展性和升级性。
因此，对本测试仪器的研究内容如下：
①测试功能
测试仪可测量的高可靠光耦器件品种有14项，其中包括四光耦（四个光耦封装在一个管壳内）的测量。
每种光耦可测量的参数有6项，分别为VF、IR、ICEO、VCES、BVCEO、CTR、CTRmin/CTRmax（只有四光耦具有）、ICEO1（不同品种的ICEO}，测量误差在2.5%以内，并随着生产的进程，进行不同阶段的测试。
测试仪器智能化，测试数据要有跟踪、存储、汇总、打印、数据处理等功能。
②测试效率
为了提高整个测试仪的测试效率，应该采用自动化测试方案。
这样不仅可以缩短测试时间，提高生产率，而且可以消除人为因素的影响，提高测量精度，避免重复、单调、枯燥的操作。
③实时控制
实时控制是以直接监督工作方式、在工作进行中执行控制，同时修正行动，改正问题偏差[4]。
实时控制要求对硬件具有直接控制功能，软件编辑简洁、精确，可以直接有效及时地控制整个系统。
④稳定性与可靠性
测量系统的可靠性是指在规定条件和规定时间内，完成规定功能的概率，它用产品的可靠度、寿命及维修度与有效度来表示[21]。
作为一个在生产线上、实际运行的测量系统，没有可靠性便不能投入使用。
一般来说，一个测量系统的可靠性不可能无限的提高，因此结合必要性和可能性提出指标，在设计时应采用现有的，最简单的，被实践验证过可行的方法、元件等，采用模块化思想设计测量系统的各个组成部分，减少模块之间的耦合度，以达到保证测试仪长时间、可靠、稳定工作的目标。
⑤经济性
测试仪的设计，还必须考虑系统实现的成本。
对于测试系统实现所需的元件、方法等在同等条件下采用最为合理，经济的方案，在满足检测精度、效率、可靠性的前提下，用最为经济的方法完成开发任务，避免资金的过多投入，达到经济、实用的目的。
本章小结
本章介绍了课题的来源和意义。
本课题由工厂的实际应用出发，研究和制造用于测量多品种高可靠光电耦合器静态参数的测量仪器。
测试仪根据有关国家标准，符合重要领域设备的可靠性、开放性、可扩展性原则。
力求体现现代测试技术的要求。
2光耦测试仪工作原理的研究
2.1光耦合器概述
2.1.1什么是光耦合器
光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电耦合器，简称光耦[23]。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
图1光耦合器
光耦合器一般由三部分组成：
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
2.1.2光耦合器的性能及类型
由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。
发光管和光敏管之间的耦合电容小、耐压高，故共模抑制比很高。
输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。
此外，因其输入电阻小，对高内阻源的噪声相当于被短接。
因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。
现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。
光耦合器的类型：
光耦合器有管式、双列直插式和光导纤维式等封培育形式，其种类达数十种。
主要有通用型（又分无基极引线和基极引线两种）、达林顿型、施密特型、高速型、光集成电路、光纤维、光敏晶闸管型（又分单向晶闸管、双向晶闸管）、光敏场效应管型。
此外还有双通道式（内部有两套对管）、高增益型、交-直流输入型等。
国外生产厂家有英国ISOCOM公司等，国内厂家有苏州半导体总厂等。
2.1.3光耦合器的静态参数
光耦合器的技术参数如下：
1正向压降VF
当流过发光二极管的正向电流为规定值时，二极管两端所产生的电压降。
2反向电流IR
当发光二极管加反向电压为规定值时，二极管两端所产生的反向电流值。
③集电极-发射级击穿电压BVCEO
发光管截止，光敏管集电极与发射极之间在指定条件下的最高耐压。
④截止电流（有时称暗电流或漏电流）ICEO
发光管截止，光敏管在规定的电压条件下，集电极与发射极之间的反向截止电流。
⑤饱和压降VCES
发光二级管通过规定电流时，光敏管导通状态下集电极-发射极间饱和压降。
⑥电流传输比CTR
当光敏管输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。
此外，还有发光管耗散功率PD、光敏管射极-集电极电压VECO、集电极电流Ic、光敏管耗散功率Pd、输入级与输出级之间的绝缘电阻以及在传输数字信号时还需考虑上升时间下降时间tON/tOFF、延迟时间和存储时间等参数。
下表列出常见的光耦合器主要参数。
表1常见光耦合器参数
型号（规格）
厂牌
CTR（If=10mA）
（%）
BVCEO
（V）
BVCBO
（V）
VCE（sat）
（V）
tON/tOFF
（uS）
VISOAC
[RMS]
min
Max
TLP521-1
TOSHIBA
50
600
55
7
0.4
2/3
2.5KV
PS2501
NEC
80
600
80
7
0.3
3/5
5.0KV
KP1010
COSM0
50
600
35
6
0.2
18/18
5.0KV
PC817
SHARP
50
600
35
6
0.2
18/18
5.0KV
H11A817C
FSC
200
400
35
6
0.2
18/18
5.3KV
2.2光耦合器静态参数的测试原理
根据标准SJ2215-82《半导体光耦合器测试方法》，拟定本测试仪器测试原理[31]。
①正向压降VF
正向电压是指当发光二极管通过正向电流为规定值时，二极管两端所产生的电压降。
测试原理如图2。
图2正向压降的测试原理
测试步骤：
1）在器件详细规范的环境温度Ta下，将被测器件接入测试系统中。
2）发光二级管加恒定规范规定的电流。
3）光敏管开路。
4）在发光二极管两端测得正向电压VF。
②反向电流IR
反向电流是指当发光二极管加反向电压为规定值时，二极管所产生的反向电流值。
测试原理如图3。
图3反向电流的测试原理
测试步骤：
1）器件详细规范的环境温度Ta下，将被测器件接入测试系统中。
2）发光二级管加规范规定的反向电压。
3）光敏端开路。
4）测量二极管的反向电流IR。
③集电极-发射级击穿电压BVCEO
发光管截止，光敏管集电极与发射极之间在指定条件下的最高耐压。
测试原理如图4。
图4反向击穿电压的测试原理
测试步骤：
1）在器件详细规范的环境温度Ta下，将被测器件接入测试系统中。
2）光敏管加恒定规范规定的电流。
3）发光二级管开路。
4）在光敏管集电极和发射级测得的电压值。
注：
有时采用定电流测电压的方法。
3截止电流ICEO
发光二极管截止，光敏管在规定的电压VCE条件下，流过光敏管的反向截止电流。
测试原理如图5。
图5截止电流的测试原理
测试步骤：
1）器件详细规范的环境温度Ta下，将被测器件接入测试系统中。
2）发光二级管开路。
3）光敏管加规范规定的电压。
4）测量光敏管的反向电流Iceo。
⑤饱和压降VCES
发光二级管通过规定电流时，光敏管导通状态下集电极-发射极间饱和压降。
测试原理如6。
图6饱和压降的测试原理
测试步骤：
1）器件详细规范的环境温度Ta下，将被测器件接入测试系统中。
2）发光二极管加规范规定的恒定电流。
3）光敏管集电极加规范规定的恒定电流。
4）测量光敏管集电极和发射极间的电压值。
⑥电流传输比CTR
当光敏管输出电压保持恒定时，它等于光敏管输出电流IC与发光二极管输入电流IF的百分比。
CTR=IC/IF×100%，测试原理如图7。
图7电流传输比的测试原理
测试步骤：
1）器件详细规范的环境温度Ta下，将被测器件接入测试系统中。
2）发光二极管加恒定的规范规定的电流。
3）光敏管加规范规定的恒定电压。
4）测量光敏管的集电极电流。
5）计算集电极电流/二极管电流。
2.3光耦合器测试仪的工作原理
本测试仪器实际上是由工控机所组成的检测、数据处理系统。
随着工控机的发展，其采用标准的总线和模板结构，将测量仪器和计算机技术相互融合，实现生产过程中的测试自动化仪器仪表[1]。
这种自动化仪表，应用工控机对生产过程中的各种参数进行检测，将检测结果存储、显示或打印，绘制成表格或曲线；并能根据需要对检测的数据进行处理。
2.3.1测试仪工作原理
根据光耦单项参数的测试原理，得到光耦合器测试仪的工作原理。
原理框图见图8。
主机为仪器的控制中心，它对外部部件实现总的控制，控制过程如下：
主机控制开关矩阵，将测试条件加载到器件的相应引脚上，并构成符合测试原理的测试馈路。
由信号处理电路实现参数到规定量程电压信号的处理，再由采集卡完成电压信号的采集、处理和存取等功能。
图8光耦测试仪的原理框图
2.3.2信号处理电路的工作原理
信号处理电路主要功能是将不同量程的电压和电流，利用运算放大器电路转换成符合A/D输入量程的电压。
在设计时，运算放大器的选取由其重要，不同的量程、不同的精度和用途，选择运算放大器的种类和型号也不同。
1、集成运算放大器的原理
①集成运放的应用原理
集成运放可工作与线性区和非线性区，在信号处理电路中，集成运放经常工作与线性区。
作为一个线性的放大元件，它的输出信号和输入信号之间满足以下关系：
其中Vo为输出信号，VΣ'和VΣ分别为同相输入端和反向输入端信号，Vod为集成
运放的开环放大倍数。
通常Vod很大，为了使其工作在线性区，大都引入深度负反馈，以减小运放的净输入，保证输出电压不超过线性范围。
理想运放工作在线性区时，可以得出两条重要结论[25]。
⏹运算放大器同相输入端与反向输入端的电位相等。
⏹理想运放的输入电流等于零。
②集成运放的功能和特点
集成运放是通用性很强的有源器件，它不仅可以用于信号的运算、处理、变换和测量，还可以用来产生正弦波和非正弦波信号，它的应用几乎渗透到电子技术的各个领域，成为组成电子系统的基本功能单元。
⏹集成运放具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特点，在形成应用电路时，所实现的深负反馈使电路具有性能稳定及频带较宽等方面的优越性，是分立元件电路所无法比拟的。
⏹利用“虚短”和“虚断”的概念分析、设计其线性电路十分方便。
我们无需考虑集成运放的诸多内部参数，只要利用电路的运算关系，通过简便的分析计算，就可以确定电路元件的参数。
⏹根据电路设计要求寻求具有相应性能指标的集成运放。
2、电压信号测量原理
光耦自动测试仪测量的参数（直流电压和直流电流）都将直接或间接变换成直流电压信号，所以仪器的最后测量指标均为直流电压。
直流电压信号处理电路是保障仪器技术指标的关键[24]。
由于测量分辨率要求较高，所以设计为多量程测量。
对测量仪器的一个基本要求就是要测量信号时尽可能不使信号失真，要求输入阻抗高。
在量程范围内的电压信号可以直接输入电压跟随器，由于电压跟随器的输入阻抗很大，因此仪器输入阻抗满足要求。
同时为了减少输入端带来的噪声，选用双绞屏蔽线为输入线，提高抗干扰能力，为高精度测量打下良好基础。
3、电流信号测量原理
光耦的静态参数中电流虽有不同的量级，但测量的方法是相同的，都采用电流电压变换电路实现
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