利用篩選裝置進行電子元器件檢測裝置設(shè)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(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心組成部分，其質(zhì)量和性能對產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要[1]。然而，在電子元器件制造過程中，由于生產(chǎn)工藝、材料差異以及制造設(shè)備的變化等因素，不可避免地存在一定數(shù)量的不合格元器件。此類不合格元器件，容易導(dǎo)致產(chǎn)品故障、性能下降等問題，甚至?xí)：Φ接脩舻陌踩?。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(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性[2]。本文通過設(shè)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(xiàn)代技術(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計入手，設(shè)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(wěn)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(yè)提供一種可靠的元器件檢測解決方案。

1 篩選裝置結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)成。篩選裝置設(shè)計總結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 篩選裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

輸入層是與檢測裝置進行交互的數(shù)據(jù)界面，通過該界面用戶可以輸入檢測要求、參數(shù)設(shè)置等，并獲取檢測結(jié)果?？刂茖邮菍嶋H執(zhí)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(zhí)行器等設(shè)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]?？刂破饔糜诳刂坪Y選裝置的動作和參數(shù)。執(zhí)行器根據(jù)控制信號移動、旋轉(zhuǎn)或操作對裝置進行篩選。輸出層可以顯示檢測結(jié)果、報警信息或其他相關(guān)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(shù)據(jù)、發(fā)送控制指令并處理檢測結(jié)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?？刂茖影ㄓ布蛙浖蓚€部分。硬件控制部分由微控制器、集成電路芯片等組成，負(fù)責(zé)連接服務(wù)器與其他部分，并執(zhí)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(xiàn)設(shè)備的自動化控制和監(jiān)控故障問題。供電系統(tǒng)提供電源給整個檢測裝置，以確保各個部分正常工作，穩(wěn)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(shè)計

利用篩選裝置進行元器件檢測的裝置設(shè)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(fù)責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)，Intel Core i7-10700K 擁有16 線程，可以同時執(zhí)行多個任務(wù)。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(shù)據(jù)分析和故障判斷等任務(wù)，提高系統(tǒng)效率和響應(yīng)速度。存儲器采用DDR4-3200，用于存儲程序代碼、數(shù)據(jù)和臨時變量。I/O 接口用于與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，包括GPIO、ADC/DAC 和通信接口。計數(shù)器74LS193 用于計時、延時和頻率測量等功能。74LS193 計數(shù)器具有多種工作模式，可以實現(xiàn)不同的計數(shù)方式和功能。它可以作為二進制、BCD 和十進制計數(shù)器，可編程預(yù)置計數(shù)器以及頻率分頻器等。其在使用期間非常靈活，能夠適應(yīng)不同需求的計時、延時和頻率測量應(yīng)用。中斷控制器8259A 處理外部中斷信號，實現(xiàn)對外部事件的響應(yīng)。集成電路中，電源管理單元負(fù)責(zé)管理電源供應(yīng)和控制低功耗模式。裝置采用MPU-6050 傳感器作為外部設(shè)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(shù)，為篩選裝置提供全面的運動監(jiān)測功能。以上部分相互協(xié)作，構(gòu)成了一個完整的微控制器系統(tǒng)。根據(jù)裝置應(yīng)用需求和功能要求，設(shè)計選擇了ATmega328P微控制器芯片，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計圖中進行布局和連接，以實現(xiàn)裝置檢測電子元器件所需的功能和性能。

3 軟件設(shè)計

■3.1 電壓控制

根據(jù)待檢測的電子元器件的規(guī)格和特性，設(shè)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(zhuǎn)換為數(shù)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(zhuǎn)換公式見式(2)。

式中，Vin為輸入電壓（經(jīng)過電壓分壓電路得到的測量電壓），DV為ADC 轉(zhuǎn)換后的數(shù)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(shù)字電壓信號與設(shè)定的電壓閾值進行比較。如果電壓小于等于3.5V，則認(rèn)為電池電壓正常；否則，認(rèn)為電池電壓低于閾值，當(dāng)檢測到電池電壓低于設(shè)定閾值時，觸發(fā)報警機制。

■3.2 電路放大

在設(shè)計利用篩選裝置進行電子元器件檢測裝置的過程中，設(shè)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(xù)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(shè)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(shè)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(wěn)定和符合需求，并保留需要的信號成分[5]。濾波器傳遞函數(shù)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(yīng)，只保留低于截止頻率的信號成分，從而實現(xiàn)對高頻信號的濾除。在濾波器設(shè)計中，通過調(diào)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(xiàn)異?；蚬收蠒r，利用PID 故障檢測法，能夠及時檢測、診斷并提供相應(yīng)的報警信號。PID 故障診斷與報警的實現(xiàn)流程見圖3。

圖3 PID 故障與診斷報警的實現(xiàn)流程圖

開始節(jié)點表示開始執(zhí)行PID 故障診斷與報警的流程。隨后，開始監(jiān)測PID 控制器的輸入和輸出信號，通過設(shè)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(shù)值，則根據(jù)控制對象的特性、目標(biāo)設(shè)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(yù)設(shè)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(fā)出報警信號的步驟。如果誤差未超過閾值，則說明系統(tǒng)正常，直接結(jié)束流程。

4 集成測試

■4.1 測試準(zhǔn)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(biāo)識等內(nèi)容均未發(fā)現(xiàn)問題后，對其進行電氣性能和應(yīng)力篩選，以確保其質(zhì)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?qū)CAP1C0G331 電容器的實際容量進行測量，并與規(guī)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(fù)載電阻，并施加規(guī)定的額定電壓，觀察電容器是否能夠正常承受并穩(wěn)定工作。應(yīng)力篩選測試的目的在于研究電容器在特定應(yīng)力環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。通過將電容器置于溫度循環(huán)測試設(shè)備中，在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進行循環(huán)變化。設(shè)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(xiàn)。

■4.2 測試結(jié)果

利用篩選裝置對ECAP1C0G331 電容器進行容量測量的結(jié)果為328μF，與規(guī)定容量值330μF 有輕微差異。在電壓耐受測試中，測試結(jié)果顯示通過，表明電容器能夠正常承受規(guī)定的額定電壓。在應(yīng)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(shù)據(jù)

由表1 測試數(shù)據(jù)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(yīng)變化。在-40°C～60°C 的溫度范圍內(nèi)，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(qū)間的電容值變化較小，具有較好的穩(wěn)定性。綜合來看，在整個溫度測試范圍內(nèi)，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(huán)測試過程中，電容器的測試數(shù)值變化較小，該篩選裝置具有較好的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

該篩選裝置考慮了不同類型的電子元器件、篩選標(biāo)準(zhǔn)和測試需求，裝置能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的篩選標(biāo)準(zhǔn)，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(zhí)行篩選過程中，能夠保持穩(wěn)定的性能和準(zhǔn)確的判別能力，一定程度上能夠為電子制造企業(yè)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(wěn)定性和有效性。裝置能夠準(zhǔn)確判斷電子元器件的質(zhì)量及性能，并及時報警識別故障，有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低故障率。