基于Agilent E4980A的LCR自動測試系統(tǒng)設(shè)計

楊孟濤 金紅偉 蔡葦

(1.重慶科技學(xué)院機(jī)械與動力工程學(xué)院，重慶 400331;2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定總站，北京 100122)

功能材料的電學(xué)性能參數(shù)測試是一項重要的基礎(chǔ)工作，通常用于測試功能材料的電感、電容、電阻、損耗因數(shù)等物理量。實踐工作中，往往需要全面準(zhǔn)確地掌握功能材料的這些特性，以便對其進(jìn)行分析改進(jìn)［1］。之前這類測試工作都是由人工在測試儀器上設(shè)定不同的測試條件(頻率、電壓、溫度梯度)，逐步操作測試儀器并記錄測試結(jié)果，然后對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行人工或計算機(jī)輔助分析與處理，而由人工操作完成整個測試過程的工作效率極低。為了克服上述缺點，實現(xiàn)功能材料電學(xué)性能參數(shù)的測試與數(shù)據(jù)分析的自動化、智能化，非常有必要開發(fā)基于阻抗分析儀(LCR)的全自動測試系統(tǒng)［2-3］。

本次研究開發(fā)一套基于Agilent E4980A的LCR自動測試系統(tǒng)。系統(tǒng)融合了計算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的軟硬件資源，突破傳統(tǒng)測試儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等方面的限制，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。系統(tǒng)顯著提高了測試效率，可以長期進(jìn)行定時或不間斷的測試，整個測試過程為全自動無人值守［4］。系統(tǒng)已投入使用三年多，效果良好?，F(xiàn)對系統(tǒng)開發(fā)實踐經(jīng)驗予以總結(jié)介紹。

1 系統(tǒng)電氣硬件系統(tǒng)

Agilent E4980A是一款用于元器件接收檢驗、質(zhì)量控制和實驗室使用的通用LCR儀表。Agilent E4980A可在寬頻和寬幅測試信號電平范圍下對LCR元件及半導(dǎo)體器件進(jìn)行評估和測試，也可提供在任何頻率下基本精度為 ±0.05%(C)、±0.000 5(D)的C-D測量，且在每個范圍內(nèi)分辨率可達(dá)七位數(shù)。GP-IB/LAN/USB接口是Agilent E4980A上的標(biāo)準(zhǔn)接口，并支持自動測試［5-7］。圖1所示為自動測試系統(tǒng)的電氣原理圖。

在本系統(tǒng)中我們采用USB接口實現(xiàn)計算機(jī)和之間Agilent E4980A的通訊響應(yīng)，通過該接口將設(shè)定的測試條件寫入Agilent E4980A，然后由計算機(jī)實時讀取各功能元件的測試結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)電氣原理圖

AC140是具有8路光電隔離輸入及8路大功率繼電器輸出的一款端子板型號。本系統(tǒng)中我們使用的是板卡的K0—K7輸出接點，每個接點都有2個接線端子，分別對應(yīng)8個大功率繼電器的常開開關(guān)接點。這8個繼電器最多可以一一對應(yīng)完成8個功能元件的測試任務(wù)。當(dāng)聯(lián)通AC140輸出端相應(yīng)的繼電器接點后，Agilent E4980A就可以依次完成相應(yīng)的功能元件測試任務(wù)［8］。

AC6612是采用PCI總線的一款通用A/D、D/A板卡，支持即插即用。AC6612具有16路單端模擬輸入，2路12位DA及32路開關(guān)量(16路輸入及16路輸出)。本系統(tǒng)應(yīng)用AC6612的開關(guān)量輸出功能，AC140作為AC6612的配套端子板，它們之間通過40線扁平電纜插座連接16路開關(guān)量輸入、輸出端，計算機(jī)通過AC6612實現(xiàn)對AC140的實時控制。

神港JCD-33A系列0.2級通用性控制儀表，采用了最先進(jìn)的加熱冷卻雙PID算法，其特點是無超調(diào)、無欠調(diào)，且輸入用戶為自由組態(tài)，雙設(shè)定值，具手動或自動通訊功能，可實現(xiàn)回路斷線報警。配置具備RS-485通訊功能的C5附件后，通過RS-485轉(zhuǎn)向RS-232轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)與計算機(jī)的通訊功能，采用Modbus通訊協(xié)議。JCD-33A可采集溫控箱內(nèi)溫度，該溫度值由溫控箱內(nèi)的Pt100傳感器來測試，經(jīng)由JCD-33A變送處理顯示。計算機(jī)實時讀取此溫度，同時將測試系統(tǒng)設(shè)置的溫度梯度中每一測試溫度值發(fā)送至JCD-33A。

溫控箱調(diào)溫范圍為-60～150℃，可連續(xù)調(diào)節(jié)，通過壓縮機(jī)制冷，通過紅外線加熱管加熱。系統(tǒng)工作時，通過神港JCD-33A加熱或冷卻的雙PID算法來自動控制壓縮機(jī)和加熱管的工作，可以保證溫控箱內(nèi)的功能元件按測試系統(tǒng)溫度梯度準(zhǔn)確達(dá)到每個溫度點。實踐中需要測試功能元件在整個溫度梯度下的電學(xué)參數(shù)變化，我們通常從低溫到高溫依次梯度升溫以完成測試流程。

2 系統(tǒng)軟件控制系統(tǒng)

2.1 測試系統(tǒng)控制流程

圖2所示為測試系統(tǒng)控制流程圖。將功能元件置入溫控箱，按下“開始測試”按鈕，則由系統(tǒng)將界面上設(shè)置好的測試條件寫入Agilent E4980A和JCD-33A。

通過JCD-33A控制溫控箱到達(dá)初始溫度，然后Agilent E4980A將給定的電壓施加在測試功能元件上，并按給定第一頻率點逐一測試功能元件的電學(xué)參數(shù)，各個功能元件的測試轉(zhuǎn)換通過AC140的繼電器輸出接點的通斷交替實現(xiàn)。完成第一個頻率點測試后，根據(jù)設(shè)定的條件轉(zhuǎn)換Agilent E4980A的測試頻率，再依次測試其他頻率點的元件。

圖2 測試系統(tǒng)控制流程圖

通常從低溫到高溫依次進(jìn)行梯度測試。通過JCD-33A加熱或冷卻的雙PID算法，來自動控制壓縮機(jī)和加熱管的工作，使溫控箱溫度達(dá)到下一測試溫度，最后依次通過Agilent E4980A完成給定電壓以及每一頻率點下各功能元件電學(xué)參數(shù)的測試。繼續(xù)升溫后，在所設(shè)置的每個溫度梯度點完成各元件的電學(xué)參數(shù)測試和采集。當(dāng)達(dá)到結(jié)束溫度點時，保存測試結(jié)果，程序自動退出。

2.2 測試系統(tǒng)軟件程序

用Visual Basic語言進(jìn)行系統(tǒng)軟件的編寫。限于篇幅，在此只討論其中最重要的Agilent E4980A測試參數(shù)的寫入和測試結(jié)果的讀取部分。程序語句如下:

2.3 用戶操作界面

圖3所示為LCR自動測試系統(tǒng)控制主界面。

圖3 測試系統(tǒng)控制主界面

由圖中主界面左上角功能元件的電學(xué)性能參數(shù)趨勢圖曲線看出，元件的介電常數(shù)隨測試頻率增加略有減小。在測試溫度梯度范圍內(nèi)，元件的介電常數(shù)存在峰值(1～100 kHz)，介質(zhì)損耗隨溫度升高而逐漸降低。

圖3左側(cè)下方有3個下拉選項框，從左到右分別是測試功能選擇框、測試參數(shù)設(shè)置框、測試結(jié)果顯示選擇框。

(1)測試功能選擇框?？梢赃x擇測試電容、電阻、損耗因數(shù)等，即 CPD、CPRP、CPG 等。

(2)測試參數(shù)設(shè)置框。軟件提供了2組測試參數(shù)設(shè)定界面供操作。操作時可以根據(jù)測試要求設(shè)置起始溫度、結(jié)束溫度、溫升梯度、溫度精度、測試電壓、測試直流偏壓、測試元件數(shù)量、穩(wěn)定時間、測試頻率點數(shù)及每個測試頻率點的頻率值，系統(tǒng)將按照設(shè)定的測試參數(shù)自動完成整個測試過程。具體的測試條件設(shè)定區(qū)在主界面右側(cè)中部。

(3)測試結(jié)果顯示選擇框。選擇相應(yīng)的測試頻率，在主界面右上方的測試結(jié)果顯示區(qū)實時顯示對應(yīng)頻率的測試結(jié)果。測試結(jié)果顯示區(qū)在主界面右上部。

在主界面的左下部顯示當(dāng)前的時間、當(dāng)前溫度值。參數(shù)設(shè)置完成后，點擊主界面右下部的“開始測試”按鈕，即可自動進(jìn)入測試過程。測試完成后，自動以EXCEL文本格式保存測試結(jié)果，點擊“結(jié)束測試”按鈕，可以隨時退出測試。

3 結(jié)語

本自動測試系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試、優(yōu)化，運行效果良好。使用三年多來，測試系統(tǒng)展現(xiàn)出了功能全面、操作簡便、自動化程度高的優(yōu)點，整個測試過程全自動無人值守，達(dá)到預(yù)期要求。本測試系統(tǒng)的開發(fā)對于實現(xiàn)功能元件電學(xué)性能參數(shù)的自動化測試提供了很好的借鑒和參考價值。

［1］明士斌，陳偉，吉國力.多路LCR參數(shù)自動測試分析系統(tǒng)的開發(fā)［J］.自動化與儀表，2005，20(3):50-52.

［2］邱虹，熊兆賢，吉國力，等.LCR全自動測試系統(tǒng)［J］.實驗室研究與探索，2008，27(2):46-49.

［3］曹贊，歐陽思華，李艷奎，等.基于Agilent VEE的LCR自動測試系統(tǒng)［J］.電子測量技術(shù)，2010，33(6):92-94.

［4］曹菲，董顯林.基于VB和GPIB接口的阻抗分析儀及多功能萬用表自動測試系統(tǒng)［J］.計量技術(shù)，2006(3):6-8.

［5］Agilent Technologies.Agilent E4980A精密LCR表用戶指南［M/CD］.2006-07-01.http://www.agilent.com/find/e4980a/.

［6］吳忠杰，林君，韋建榮，等虛擬測試系統(tǒng)中模塊化儀器關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2005，26(8):2083-2086.

［7］徐軍.虛擬儀器在計量測試中的應(yīng)用［J］.信息系統(tǒng)工程，2013(1):98-99.

［8］北京雙諾測控技術(shù)有限公司.AC140使用手冊［M/CD］.2008-09-01.http://www.wwlab.com.cn/.