激光调阻机扩展测量系统的研制--优秀毕业论文.pdf

分分 类类 号号 学号学号 m200970753 m200970753 学校代码学校代码 10487 10487 密级密级 硕士学位论文硕士学位论文 激光调阻机扩展测量系统的研制激光调阻机扩展测量系统的研制 学位申请人 学位申请人 韩韩 栋栋 学 科 专 业 学 科 专 业 数字化材料成形数字化材料成形 指 导 教 师 指 导 教 师 修吉平修吉平 副教授副教授 答 辩 日 期 答 辩 日 期 2012 年年 1 月月 8 日日 a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering development of extended measurement system of laser trimming machine candidate han dong major digitalize material processing supervisor associate prof xiu jiping huazhong university of science and technology wuhan hubei 430074 p r china jan 2012 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 文中除已经标明引用的内容外 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声 明的法律责任由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密 在 年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 i 摘摘 要要 随着信息技术的迅猛发展 各类电子产品的小型化已经是不可逆转的趋势 而厚 膜混合集成电路的发展对电子设备的微型化起到了重要的推动作用 但其自身的制作 工艺决定了厚膜电阻阻值的存在制造误差大的问题 必须对厚膜电阻进行微调才能满 足精度要求 激光调阻机就是一种非常理想的对厚膜电阻进行微调的自动化加工设 备 市场现有激光调阻机无法满足毫欧级电阻以及板上网络电阻的测量与修调需求 本课题针对这一现状设计开发了激光调阻机扩展测量系统 该系统主要包括毫欧电阻 扩展测量仪和网络电阻扩展测量仪 本文围绕上述扩展测量系统进行了以下几个方面 的研究和设计工作 本文首先分析了几种电阻测试的基本方法与原理 从中选定了开尔文连接测试方 法作为本课题的测试方案 并在此基础上提出了激光调阻机扩展测量系统的总体规划 与技术方案 其次分析了常用恒流源电路的基本原理 并提出了高精度的程控大电流 恒流源的设计方案 完成了毫欧电阻扩展测量仪的硬件设计 散热设计及软件设计 满足了激光调阻中毫欧级电阻测量对激励源的要求 然后以电压跟随电路为原型 比 较分析了基于电压跟随的电阻隔离电路设计方案 并完成了网络电阻扩展测量仪的硬 件设计和软件设计 成功实现了对待测网络电阻的隔离 最后 对激光调阻扩展测量 系统进行了总结 关键词 关键词 激光调阻机 开尔文连接 恒流源 电压跟随 电阻隔离测试 ii abstractabstract with the rapid development of information technology all kinds of electronic products are becoming smaller and smaller and this trend cannot be reversed the thick film hybrid ic plays an important part to miniaturize electronic devices but large error of the value of thick film resistance will appear due to its manufacture technique so the thick film resistance must be adjusted to meet the required precision and the laser trimming machine is an ideal automation processing equipment to do this work this project aims at the actuality that the existing laser trimming machine cannot satisfied the demand of milliohm resistor trimming and in circuit network resistor trimming so the extended measurement system of laser trimming machine was developed this system consists of milliohm resistor extended measurement instrument and in circuit network resistor extended measurement instrument this paper does some research and design works around above mentioned instruments as follows at first this paper analyzes the basic methods and principles of resistance measurement and the kelvin 4 wire method was chosen as the test method for this project then the technical solutions and total scheme of extended measurement system were put forward secondly the paper analyzes the basic principles of constant current source and give out the design plan of program controlled constant current source then the hardware design heat dissipation design and software design were also provided thirdly the paper compares some resistance isolation schemes which based on voltage follow circuit and finished the hardware design and software design this system realized the isolation for network resistance successfully at the end of the paper the design of extended measurement system is summarized key words laser trimming machine kelvin connection constant current source voltage follow resistively isolated test iii 目目 录录 摘摘 要要 i abstract ii 1 绪论绪论 1 1 引言 1 1 2 激光调阻机概述 2 1 3 激光调阻机的研究现状 3 1 4 激光调阻机研究的意义 4 1 5 课题的提出及主要研究内容 5 2 激光调阻机扩展测量系统原理及规划激光调阻机扩展测量系统原理及规划 2 1 电阻测试基本原理 7 2 2 开尔文连接测试方法 8 2 3 电阻隔离测试方法 9 2 4 激励源 10 2 5 系统规划 11 3 毫欧电阻扩展测量仪的设计毫欧电阻扩展测量仪的设计 3 1 常用恒流源电路分析 13 3 2 恒流源设计 16 3 3 系统硬件设计 19 3 4 散热设计 30 3 5 软件设计 32 iv 4 网络电阻扩展测量仪的设计网络电阻扩展测量仪的设计 4 1 隔离电路设计 35 4 2 系统硬件设计 43 4 3 软件设计 51 5 结论结论 54 致致 谢谢 55 参考文献参考文献 56 附附 录录 攻读硕士学位期间发表论文攻读硕士学位期间发表论文 60 1 1 1 绪论绪论 1 1 引言引言 随着微电子及信息技术的迅猛发展 各类电子产品在小型化 便携式 多功能 数字化及高可靠性 高性能方面的需求 对元器件的小型化 集成化以至模块化要求 愈来愈迫切 产品的小型化已经是不可逆转的趋势 从上世纪六十年代开始 厚膜混 合集成电路就以其元件参数范围广 精度和稳定度高 电路设计灵活性大 研制生产 周期短 适合于多种小批量生产等特点 与半导体集成电路相互补充 相互渗透 业 已成为集成电路的一个重要组成部分 广泛应用于电控设备系统中 对电子设备的微 型化起到了重要的推动作用 1 而且随着厚膜多层布线技术和先进的组装技术的发展 一块大规模厚膜混合集成电路就可以构成一个系统 这种多功能大规模混合集成电路 具有广阔的发展潜力和市场前景 厚膜混合集成电路 hic 通常是运用印刷技术在陶瓷基片上印制图形并经高温 烧结形成无源网络 其中的厚膜电阻是是采用钯 钌或氧化铊等电阻浆料印刷在陶瓷 基片上制成的一种数十微米厚的厚膜电阻网络 2 在制作膜电阻的过程中 由于制作 工艺 环境条件 基片表面的状况等因素的影响 其电阻值的制造误差高达 15 20 因此 必须对其进行微调才能满足精度要求 由于激光具有高方向性 高单色性 高强度性的特点 非常适合厚膜电阻的修调 工作 其工作原理就是将激光调整到合适的能量密度后 打在厚膜电阻上 对电阻的 导电体进行切割 使电阻的膜层气化蒸发 以改变膜电阻导电体的有效导电面积或有 效导电长度 从而实现电阻的修调 微调时首先对电阻进行测量 把数据传送给计算 机 计算机根据预先设计好的命令使激光按照一定的轨迹和路径切割电阻 随着激光 切割过程的进行 同时实时监测厚膜电阻阻值的变化 厚膜电阻的阻值不断接近目标 阻值 当厚膜电阻达到目标值后激光束关闭 即实现激光调阻过程 由于以上过程都 易于用计算机控制 采用这种方式就可以实现高精度 高效率 自动化的激光调阻过 程 由上所述可知激光修调是一种理想的厚膜电阻修调技术 随着厚薄膜混合电路向 高性能 高可靠 高密度方向发展 厚薄膜电阻的尺寸日益减小 激光修调技术的作 用将日益突出 因而研制出一款激光修调设备是十分必要而且紧迫的 2 1 2 激光调阻机激光调阻机概概述述 激光调阻机一般由五大部分组成 包括电源系统 工控机主控系统 多功能控制 器 机械 面板控制 专用用户软件系统 图 1 1 即是激光调阻机的基本结构框图 图 1 1 激光调阻机的基本结构框图 电源系统为各子系统提供一级电源 一级电源包括线性电源和开关电源 各子系 统再通过二次稳压 滤波电路减少电源的纹波 提高电源的精度 得到各自所需的电 3 源 以便保证检测的精度和系统的稳定性 3 工控机主控系统主要包括激光控制与定位系统 运动控制系统和同轴监视系统 激光控制与定位系统负责精确控制激光束的坐标和激光运行的速度 并能快速地改变 激光的状态 包括激光的功率和激光的开关 运动控制系统负责控制各个方向的机械 移动包括横向 纵向和轴向 同轴监视系统负责实时监视修调状况 方便用户在手动 修调时完成各种操作 4 多功能控制器主要包括电阻测量系统 温度检测系统和矩阵板控制系统 其中电 阻测量系统是激光调阻机的核心子系统之一 精确的测量待调电阻阻值是进行修调工 作的前提条件 它的精度决定了系统对电阻修调的精度 温度检测系统是负责实时测 量热敏电阻的温度 为热敏电阻修调提供参考温度 矩阵板控制系统是用来切换矩阵 板上的采样通道 方便对不同结构的电阻基片上电阻的测量 专用用户软件系统负责提供友好的用户界面和全面的激光调阻机系统操作指令 方便用户根据需要设定各种系统参数 使调阻过程实现自动化 激光调阻机修调电阻的工作流程如下 首先对电阻进行测量 把数据传送给计算 机 计算机根据预先设计好的命令使激光按照一定的轨迹和路径切割电阻 随着激光 切割过程的进行 同时实时监测厚膜电阻阻值的变化 厚膜电阻的阻值不断接近目标 阻值 当厚膜电阻达到目标值后激光束关闭 即完成激光调阻工作 5 1 3 激激光光调阻机调阻机的研究现状的研究现状 激光调阻机是片式电阻及厚膜混合集成电路生产线上不可缺少的高精度高效率 的自动化加工设备 由于它涉及光学 精密机械 计算机控制 高速高精度检测等多 种技术领域 因而具有较高的开发难度 由于国外的电子产业发展较早 同时促进了电子制造产业的发展 因而早在 90 年代初就研制出了激光调阻机 美国 esi 公司和 gsi 公司是目前国际上主要的激光调 阻机生产厂商 其中 esi 公司已在全球范围内安装了 3000 多套激光调阻系统 拥有 大量的厚膜电路激光修调应用经验 6 经过 20 多年行业积累与发展 esi 和 gsi 公司 生产的激光调阻机具有高精度 高效率的特点 功能丰富 具有良好的用户体验 基 本代表了激光调阻机研制生产中各种相关技术的最高水平 例如在电阻测量方面 esi 公司最新型号的薄 厚膜激光调阻机 model 4990 的电阻测量范围可达 0 01 280m 平均测量精度为 0 035 7 gsi 公司的 lt2100 厚膜激光调阻机的电阻测 量范围可达 0 1 1000m 平均测量精度为 0 02 8 4 国内激光调阻机行业起步较晚 目前生产研制激光调阻机的重点企业主要有长春 光华微电子设备工程中心有限公司 武汉华工激光工程有限责任公司 深圳市奥华激 光科技有限公司以及江苏和利普激光科技有限公司 其中长春光华微电子设备工程中 心有限公司是依托长春光学精密机械与物理研究所建立的 他们在 2000 年 11 月成功 研制出第一台国产高效率激光调阻机 在激光调阻机的开发上也积累了较丰富的经 验 目前其生产的 ltr 420 型激光调阻机电阻测量范围可达 0 5 300m 平均测 量精度为 0 02 9 已接近国际先进水平 但从总体上来看 国内的激光调阻机生 产企业的规模较小 研发能力比较弱 企业的核心技术竞争力不足 激光调阻机功能 单一 在整个产品上缺乏创新 产品结构趋同 在精度 效率 功能等方面与国外同 类产品仍有较大差距 目前市场上主流激光调阻机的电阻测量系统技术参数如表 1 1 所示 从中可以看 出低阻和高阻区的测量范围和测量精度都不是很理想 不能满足某些特殊场合应用的 要求 表 1 1 激光调阻机电阻测量系统技术参数 激光调阻机型号 lt2100 ltr420 stf320 电阻测量范围 0 1 1000m 0 5 300m 0 1 500m 测量精度 低阻区 r0 1m 0 02 0 02 m 0 02 0 02 m 0 05 0 02 m 此外 通过对行业中现有的激光调阻机调查研究发现 它们都只适用于对片式电 阻 厚膜电阻和薄膜电阻的微调 而对于已连接到电路中的网络电阻无能为力 所谓 网络电阻 就是已印刷在电路板上 与其他电阻或元器件的连接构成电气网络的电阻 1 4 激光调阻机研究的意义激光调阻机研究的意义 随着微电子技术的发展 厚膜混合集成电路使用范围日益扩大 主要应用于航天 电子设备 卫星通信设备 电子计算机 通讯系统 汽车工业 音响设备 微波设备 以及家用电器等 由此可见 厚膜混合集成电路业已渗透到许多工业部门 10 而激光 修调作为厚膜混合集成电路生产的一个重要的工艺过程 所以激光调阻机的市场需求 是十分庞大的 5 然而 通过对行业中现有的激光调阻机的使用状况的调查研究发现 一方面 国 内目前使用的激光调阻机主要源于进口 价格非常昂贵而且维修不便 另一方面 随 着技术的进步 厚薄膜电路越来越复杂 企业内现有的激光调阻机的功能已经不能满 足使用要求 但是设备更新成本又太高 因此很多企业开始寻求国产的激光调阻机 但是国内生产激光修阻机的厂家很少 而且产品却又各有缺点 有的功能单一 有的 精度不够 有的效率低下 没有功能全面且高精度高效率的激光调阻机产品 精密激光调阻机的产业化 将直接带动国内电子元件的生产水平跨入国际先进行 列 推动我国激光加工设备及以下相关产业的发展 为争取民族高科技产业在世界上 占有一席之地做出一定的贡献 1 推动机械制造及相关行业的发展 精密激光调阻机不同于低端的激光加工设 备 要求结构件 传动机构等精密 轻巧 控制精度要求高 因其技术含量高 利润 也高 因此 足以支持上游零部件制造商改进设计 工艺技术 提高制造水平 提升 产品品质 取得全面进步 2 推动精密光学零件制造及相关行业的技术进步 精密激光调阻机要求激光光 束精细 光斑小 模式好 因此 对光学零件的要求很高 由于有具体的目标和设计 要求 可以指导光学零部件制造厂家技术进步 并给予充足的资金保障 3 降低电子元件的生产成本 提升民族企业的竞争力 由于精密激光调阻机的 产业化 打破了外商的垄断 必然引导外商进行一轮价格战 厂家获得的直接好处是 设备的采购价格降低 维护费用降低 技术支持力度加大 不仅降低了电子元器件的 制造成本 也提升了其新产品研发能力 缩短其新产品开发周期 提高其竞争力 4 打破外国对我国 ic 制造业的封锁 降低我国 ic 制造业的技术门槛 精密激 光调阻机的产业化 可以加快我国对光刻机技术的全面掌握 在军用 ic 制造过程中 采用国产化的产品对老旧进口设备更新 不仅可以提高产品的性能 更重要的是可以 有效防止通过设备维护渠道造成的 泄密 所以 该项目的实施 不仅可大力促进 冶金 机加工 印刷等行业的技术进步与产业升级 将在一定程度上缓解重大冶金技 术装备国产化程度低 主要依赖进口的局面 还可积极带动激光器及光学部件 精密 机械加工 精密仪器仪表 电子元器件 数控软件等上游产业的快速发展 11 面对如此广阔的市场需求 研制一款功能强大且价格低廉的激光调阻机是非常有 意义的 1 5 课题的课题的提出及提出及主要研究内容主要研究内容 对激光调阻市场的需求调查发现 一款功能强大的激光调阻机需要实现单纯电阻 6 调阻 网络电阻调阻 功能调阻等功能 对于单纯电阻调阻 只需对独立的电阻进行 调节 调节至某一固定阻值 即可完成调阻 对于网络电阻调阻 则需对某一印刷好 的厚膜电路中的电阻进行精密调节 需要屏蔽掉网络中其他电阻的影响才能完成修 调 对于功能调阻 主要应用在已经焊接好元器件的电路上 通过调整电路中某个电 阻的阻值使电路中的某个功能参数达到规定的要求 而并不关心被调电阻的最终阻 值 鉴于市场现有的激光调阻机普遍存在以下不足 1 有效调阻范围为 1 10m 暂无法实现对毫欧级电阻的检测与修调 2 不具备对于网络电阻的修调功能 因此提出本课题 拟开展激光调阻机扩展测量系统的研究与设计工作 通过该系 统对原有激光调阻机的功能进行扩展 以实现对毫欧级电阻和网络电阻的调阻 我们 拟研发的这种激光调阻机扩展测量系统的关键技术如下 1 毫欧电阻扩展测量仪 对于毫欧级电阻的修调 电阻的测量技术非常关键 伏安法测电阻是电阻测量的 基本方法 有此可知 只有给待测电阻提供足够大的电流激励 我们才能比较准确的 测得电阻两端的电压 因此设计一个针对不同阻值的多档位高精度恒流源成为该仪器 的关键 其次 在毫欧级电阻的测量过程中 线电阻与接触电阻这些附加电阻是不能 忽略的 它们会影响测量精度 必须考虑采取措施消除它们对测量结果的影响 2 网络电阻扩展测量仪 在厚膜混合集成电路的调阻中经常要针对厚膜电路中某个特定的电阻进行修调 由于在该电路等效的电阻网络中其他电阻的分流作用 无法使用传统测量方法对待调 电阻进行测量 因此必须采用电阻隔离测试技术消除电阻网络的分流作用 采用何种 电阻测量方法是一个待解决的关键问题 7 2 2 激光激光调阻机扩展调阻机扩展测量测量系统系统原理及规划原理及规划 激光调阻系统的最终目的是通过激光修调使厚 薄膜集成电路上的电阻或片式电 阻达到某一精确值 因此高精度的电阻测量系统对于激光调阻系统十分重要 采用不 同的测量方法和不同的连接方式引入的测量误差也不同 得到的测量精度也不同 为 了消除或减小误差 得到高精度的测量结果需要一个好的设计来实现 本章分析了各 种电阻测试技术 并针对本课题需求提出了基本解决方案 2 1 电阻测试基本原理电阻测试基本原理 在电阻测试中我们常采用伏安法和惠斯通单臂电桥法来测电阻 2 1 1 经典伏安法测电阻经典伏安法测电阻 图 2 1 伏安法测电阻 图 2 1 所示为两线伏安法测量电阻的原理图 rt 为待测电阻 r 为接触电阻与引 线电阻之和 v 为具有高输入阻抗的电压表 i 为高精度恒流源 通过测量恒流源电 流 i 流过待测电阻 rt 所产生的电压 u 间接得到电阻值 电压表实际测量到的电阻值 包括被测电阻 rt 接触电阻以及引线电阻 只有当测量的电阻阻值较大 接触电阻与 引线电阻与之相比可忽略不计时 可根据公式 rt v i 算出待测电阻值 但当待测电阻 阻值较小 精度要求较高时 接触电阻以及引线电阻造成的误差则不可忽略 此时无 法精确测出待测电阻实际阻值 8 2 1 2 惠斯通单臂电桥法惠斯通单臂电桥法 图 2 2 惠斯通单臂电桥法 图 2 2 为惠斯通单臂电桥法测电阻的原理图 其中 v1 v2是电压源 rstd是标准 电阻 rt是待测电阻 i 为电流表 当电桥平衡时 流过电流表 i 的电流为零 此时 有 v1 v2 rstd rt 由此可计算出 rt rstd v2 v1 当电流表 i 有足够的灵敏度且标准 电阻 rstd有足够的精度时 此方法可以高精度地检测电阻 但是这种方法无法满足高 速 大量程的测量要求 且不易于用计算机控制 因此不能满足自动化生产的要求 2 2 开尔文连接测试方法开尔文连接测试方法 当待测电阻的阻值比较小时 测试引线的电阻 探针与测试点的接触电阻与待测 电阻阻值相比已经不能忽略时 经典的两线制伏安法将导致测量结果误差增大 此时 可改进其连接方式 采用开尔文连接方式 又称四线法 来进行测试 仍可获得精确 的测量结果 如图 2 3 所示 图 2 3 开尔文连接测试法 9 所谓开尔文连接测电阻法即电阻测量时采用四根线 这四条线分别被称为高电位 施加线 hf 低电位施加线 lf 高电位检测线 hs 和低电位检测线 ls 对于待测 电阻两端的每个测试点都有一条激励线 f 和一条检测线 s 二者必须严格分开且各自 构成独立回路 同时要求检测线 s 线必须连接到具有极高输入阻抗的测试回路上 使 流过检测线 s 的电流极小 近似为零 图 2 3 中 r 表示引线电阻和探针与测试点的接 触电阻之和 由于测试回来具有极高的输入阻抗 流经检测线 s 的电流为零 即在 r3 和 r4上的压降也为零 而激励电流 i 在 r1和 r2上的压降不影响 i 在被测电阻上的压降 因此电压表可以准确测出待测电阻 rt 两端的电压值 从而准确测量出 rt阻值 12 测 试结果和 r 无关 排除了引线电阻和接触电阻对测量结果的影响 有效地减小了测量 误差 通过对以上电阻检测原理的分析与比较 本课题选择了开尔文连接测试方法作为 激光调阻机扩展测量系统的电阻测量方法 2 3 电阻隔离测试方法电阻隔离测试方法 在厚膜混合集成电路的生产工艺中 对厚膜电阻的修调工作是在电路印制后 电 路中的各个电阻已经相互连接成电阻网络 相互影响 用传统的方法无法实现对电路 中某个电阻阻值的单独测量 因此需要某种手段实现电阻的在线测量 隔离测试法是 一种常用的方法 不管实际电路有多复杂 总可把待测电阻 rx 两端的分流元件等效看成与它并联 的 r1和 r2 三者可形成如图 2 4 所示的网络 13 测量时只要设法让 r1或 r2两端的 电位相等 则 r1或 r2中将没有电流通过 等同于断路时的情况 故对 rx测量时 该 支路的分流作用也会消失 从而隔离了电阻网络对待测电阻的影响 这就是隔离测试 的基本原理 图 2 4 等效电阻网络 10 使 r1或 r2两端的电位相等有很多种方法 最简单的就是利用电压跟随器 如图 2 5 所示 就可以使电阻 r1两端的电压相等 当然这是理想情况 在具体实施时 还 有很多实际因素不可忽视 一是实际测量中的激励线 检测线和隔离线一般相对较长 不可避免地存在引线电阻 夹具接触电阻等杂散效应 当测量回路中电流较大或在测 量小电阻时 误差尤为突出 二是实际运算放大器的输入阻抗和开环电压增益并非无 穷大 其两个输入端电压会具有微小的差异 导致 r1两端的电位不会完全相等 实 际对 rx 存在一定的分流作用 会使测试产生误差 因而需要在此基础上进行进一步 的改进才能满足我们的精度要求 图 2 5 电阻隔离测试基本原理 2 4 激励源激励源 以上所述的各种电阻测试方式 都需要提供高精度的恒流源作为激励源 特别是 对于毫欧级电阻的测量与修调 更需要提供大电流激励才能保证测量精度 所以对于 毫欧电阻扩展测量仪 其核心在于设计一个程控大电流恒流源 恒流源电路的基本原理如图2 6所示 其中vs是恒流源输入电压 vo为输出电压 根据运算放大器的虚短原则 则 vf vs 又根据运算放大器的虚断原则 则流过电阻 rl 和rf的电流都应是io io便是设计要求的恒流源输出电流 因为vf io rf 并且vf vs 所以 io vf rf vs rf 此可知 当 rf 一定时 io 与 vs 成正比 当 vs 变化时 io 随 vs 线性变化 14 11 当然这样的电路并不能满足我们的要求 我们需要在此基础上进行修改与完善 首先是恒流源输入电压 vs 的设计 其次是要增大电流的输出能力 最后需要保证电 路的稳定性 图 2 6 恒流源基本原理 2 5 系统规划系统规划 根据以上对电阻扩展测量系统的原理分析 对激光调阻机的扩展测量系统进行了 功能划分 如图 2 7 所示 系统主要包括毫欧电阻扩展测量仪和网络电阻扩展测量仪 两台仪器均可通过 rs485 总线与激光调阻机的主控计算机通信 图 2 7 激光调阻机扩展测量系结构示意图 12 根据对国内外激光调阻机的调研和分析 并结合本课题组对激光调阻机的研究 通过与指导老师的充分论证 本课题拟开发的激光调阻机扩展测量系统的基本功能与 技术指标如下 1 毫欧电阻扩展测量仪 1 电流输出 10a 3a 1a 0 3a 2 电流精度 0 1 3 通讯接口 rs 485 2 网络电阻扩展测量仪 1 跟随能力 10v 500ma 2 跟随精度 0 1 3 通讯接口 rs 485 13 3 3 毫欧电阻扩展测量仪毫欧电阻扩展测量仪的的设计设计 毫欧电阻扩展测量仪的核心在于设计一个程控大电流恒流源 该恒流源为电阻测 量提供激励电流 激励电流的精度将直接影响到电阻测量的精度 3 1 常用恒流源电路分析常用恒流源电路分析 3 1 1 简易恒流源简易恒流源 最常用的简易恒流源如图 3 1 所示 用两只同型三极管 利用三极管相对稳定的 基极 发射极电压 ube作为基准 电流数值为 i vbe r1 这种恒流源优点是简单易行 而且电流的数值可以自由控制 也没有使用特殊的 元件 有利于降低产品的成本 缺点是不同型号的管子 其 ube电压不是一个固定值 即使是相同型号 也有一定的个体差异 同时不同的工作电流下 这个电压也会有一 定的波动 因此该电路不适合精密的恒流需求 15 图 3 1 简易恒流源 3 1 2 压控压控恒流源恒流源 压控恒流源的原理图如图 3 2 所示 在运算放大器的同相输入端施加基准电压 vref 根据 虚短 原理可知 运放放大器的同相输入端电压与反相输入端电压相等 即 vs vref 所以通过负载 rl 的电流为 i vref rs 其大小只与输入电压 vref和参考 电阻 rs 有关 而与负载 rl 无关 14 图 3 2 压控恒流源 这个电路可以认为是恒流源的标准电路 除了足够的精度和可调性之外 使用的 元件也都是很普遍的 易于搭建和调试 只不过其中的 vref还需要用户额外提供 但 是要用它获得高精度的稳恒直流源 必须提供一个高精度的基准电压和高精度的采样 电阻 而且由于运算放大器起着调整控制的作用 其增益直接影响恒流源的精度 必 须选择高增益和低漂移的运算放大器 其次 由于采样电阻与负载串联 当流过的电 流比较大时 调整管上的功耗很大 必须选择大功率的晶体管 而大功率的晶体管需 要较大的基极驱动电流 这就要求运算放大器有较高的驱动能力 由于晶体管发热 整个电路上的元件温度会随之升高 将导致恒流源的温度稳定性变差 16 3 1 3 集成运放型恒流源集成运放型恒流源 图 3 3 为一种负载接地的实用电压 电流转换电路 ro 为采样电阻 该电路引入 了负反馈 a1 构成同相求和电路 a2 构成电压跟随器 输入电压 vi 由电压基准电路 产生的 输入电压 vi 作用于运放 a1 的同相端 运放 a1 控制输出电压 vo1 从而实现 对输出电流的控制 当负载 rl变小时 一方面输出电流 io有变大的趋势 另一方面运 放 a2 的同相输入端电压 vp2会变小 从而运放 a1 的同相输入端电压 vp1也会减小 使 得运放 a1 的输出电压 vo1也减小 这又使得输出电流 io有减少的趋势 若两方面的作 用相互抵消 则输出电流 io不会变化 整个闭环反馈系统处于动态的平衡中 达到了 稳定输出电流的目的 17 利用虚短 虚断的定义及相关公式 我们可以推导出 vi 与 io 的关系 假设 r1 r2 r3 r4 r 由图 3 3 可推出 15 图 3 3 集成运放型恒流源 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 有以上分析可知 该电路的输出电流仅与输入基准电压 vi 和参考采样电阻 ro 有 关 其次该电路工作的闭环状态 仅外接四个电阻就构成了具有深度负反馈的放大器 稳定性很高 再次 改集成运放恒流源具有以下优点 开环增益大 漂移和噪声指标 好 共模抑制比高 输入电压波动对放大器的输出影响很小 综上所述 只需保证输 入基准源和采样参考电阻的精度 就能得到性能优异的恒流源 因此 采样此电路模 型来设计恒流源是一个理想的选择 18 22po vv 221 2 1 2 1 43 3 43 4 pioip vvv rr r v rr r v 111 2 1 2 1 ppo vv r r v ipppor vvvvvv o 2121 2 o i o r v i 16 3 2 恒流源设计恒流源设计 综合分析各种基本恒流源电路的特点后 本课题采用上述集成运放型恒流源作为 毫欧电阻扩展测量仪中程控恒流源设计的基本模型 由于本课题所需的激励源要求 0 3a 1a 3a 10a 四档大电流输出 而图 3 3 中恒流源模型的输出电流大小由运算 放大器的输出能力决定 而运算放大器的输出能力均比较小 显然不能满足本课题要 求 因此 需要对集成运放型恒流源电路进行改进 本课题最后设计的恒流源电路如 图 3 4 所示 a 0 3a 输出恒流源 b 1a 输出恒流源 17 c 3a 输出恒流源 d 10a 输出恒流源 图 3 4 多档位恒流源电路 下面以图 3 4 d 中 10a 输出的恒流源电路为例分析其工作原理及特点 首先这里采用了达林顿管 tip122 构成射极跟随电路来提高其电流输出能力 但 是单个 tip122 工作在放大状态时最大输出电流为 3a 所以需要并联多个 tip122 以 满足更大电流的输出要求 由于每个 tip122 的参数不会完全一致 故通过射极偏置 电阻来实现均匀分流并稳定其输出 其次 在所以的运放输入信号端接了滤波电容 减少了输入信号所引入的噪声 18 保证了恒流源电路的精度与稳定性 在搭建电路测试输出电流的过程中 发现该电路 会产生振荡 故采用密勒补偿原理 在运放 u4a 的输出端与同相输入端并联的电容 c17 成功解决了电路振荡问题 最后对 10a输出恒流源电路的测试结果如表3 1所示 为检测输出电流的稳定性 实验中让该电路持续通电 6 分钟 每隔 1 分钟测量一次输出电流的大小 从表中可以 看出输出电流的精度在长达 6 分钟的持续工作过程中都保持在 0 1 以内 图 3 5 为 其输出电流 时间曲线 从图 3 5 中可以 10a 的输出电流随着时间增加呈减少趋势 这是由于锰铜采样电阻具有正的温度系数 随着工作时间的增加 采样电阻的阻值随 着温度的升高而增大 导致输出电流减小 但在实际调阻过程中 激励电流仅需接通 几十毫秒的时间即可完成调阻 不存在长时间工作发热导致采样电阻阻值变化的情 况 所以精度会更高 表 3 1 10a 输出恒流源测试结果 时间 min 1 2 3 4 5 6 电流 a 10 000 10 001 9 999 9 997 9 994 9 991 图 3 5 输出电流 时间曲线 19 3 3 系统系统硬件硬件设计设计 程控恒流源的系统结构如图 3 6 所示 除上述重点介绍的恒流源模块以为 主要 还包括电源模块 主控模块 通信模块 按键及显示模块和输出控制模块 下面分别 简要介绍个模块的原理及功能 图 3 6 程控恒流源系统框图 3 3 1 电源模块电源模块的选择与设计的选择与设计 在本程控恒流源的设计中 主要有两大电源需求 一是主控模块 它对电源的精 度及稳定性有要求 二是用来提供源电流的模拟部分 它对电源的输出能力有要求 这里至少要满足 10a 的输出能力 主控模块中各元件对供电电源有以下需求 首先是单片机工作需要 5v 的稳定直 流电源 其次是运算放大器需要 12v 和 5v 的直流电源进行双电压供电 还有 rs485 通信中使用的光耦隔离器件也需要 5v 的隔离直流电源 以上各电源均需要以市电为 基础 通过二次变化换得到 为了简化系统设计 项目分别采用了 ac dc 和 dc dc 模 块电源 为了进一步减小输出纹波 在输出端加了一级滤波电路 应用电路如图 3 7 所示 ac dc 模块电源采用了 mornsun 公司的 pcb 板上安装方式的小体积开关模块电源 lh05 10b12 该电源可提供 12v 420ma 的稳压输出 开关频率 150khz 纹波噪声典型 值为 50mv 效率为 79 并具备输出短路 过流 过温保护功能 19 dc dc 模块电源采用了 mornsun 公司的 sip 封装的模块电源 wra0505cks 1w 该 电源接受 4 5v 9 0v 的宽输入电压 提供隔离稳压的 5v 10 100ma 双路输出 且输出可关断 开关频率 300khz 纹波噪声典型值为 25mv 并具备短路保护 低压 20 失控保护功能 20 图 3 7 电源电路 对于模拟部分提供源电流的电源 本项目选择了 mean well 的 rps 60 3 3 基板 型开关电源 该电源输出电压 3 1 3 6v 可调 额定电流 10a 最大负载 36 3w 开关 工作频率 100khz 纹波噪声为 80mv 具体短路 过载 过压保护功能 21 3 3 2 基准电压和采样电阻基准电压和采样电阻 高精度的基准电压和高精度的采样电阻是保证该恒流源精度的两个重要因素 所 以在这两种元件的选取上需要十分慎重 常见的电压基准源主要有齐纳二极管 隐埋齐纳二极管和带隙电压基准三种 其 中齐纳二极管作为基准源时通常采用两端并联式的电路拓扑结构 而隐埋齐纳二极管 和带隙电压基准源则采用三端串联式的电路拓扑结构 表 3 2 比较了这三种电压基准 源的优点 缺点 列出了使用时潜在的问题 22 齐纳二极管是实际上是一只工作在反向偏置区的二极管 也称为稳压二极管 它 是利用 pn 节的反向击穿区具有稳定电压特性来工作的 由于这个稳压状态需要一定 稳压电流来维持 所以需要通过串联一个限流电阻来得到合适的稳定电流 但是齐纳 二极管的稳压值具有一定的分散性 往往是在一个范围内变化 因此不适合在要求高 精度和低功耗的场合下工作 隐埋齐纳二极管是一种比常规齐纳二极管更稳定的特殊二极管 它采用了植入硅 表面以下的结构 比传统齐纳二极管的稳定性和精度更高 但是由于制作工艺的原因 隐埋齐纳二极管在出厂时温度系数的大小和方向未知的 所以在后期也不便做出相应 温度补偿 带隙电压基准是利用一个具有正温度系数的基准电压和一个具有负温度系数的 基准电压配合输出 得到一个温度系数趋近于零的电压基准源 因而带隙电压基准具 有很好的温度稳定性 23 21 表 3 2 三种电压基准源的优缺点 类型 齐纳二极管 隐埋齐纳二极管 带隙电压基准 优点 输入电压范围宽 精度优于 1 输入电压范围宽 精度从 0 01 到 0 1 具有温度补 偿 温度稳定性较好 输入电压范围小 静态 电流小不需要外接电 阻 精度从 0 05 到 1 压差小 温度稳定性好 缺点 静态电流较大 1 10ma 适 合对功耗要求不严的应用 需要外接电阻 精度低 电 流只能流入 压差大 温度 稳定性较差 比带隙电压基准源的静态电 流大 1 10ma 输入电压范围小 存在 调整损耗 潜在 问题 长期稳定性 部分器件不能吸入电流 部分器件不能吸入电流 价格 低 适中 较高 应用 适合对功耗要求不严的应用 适合对功耗要求不严的应用 适合要求功耗小的应用 本课题选用了 ad780 作为电压基准源 ad780 是一款超高精度带隙基准电压源 可以利用 4 0 v 至 36 v 的输入提供 2 5 v 或 3 0 v 输出 它具有低初始误差 低温 度漂移和低输出噪声 并能驱动任意大小的电容 因此非常适合用于增强高分辨率 adc 和 dac 的性能 以及任何通用精密基准电压源应用 独特的低裕量设计有助于利用 5 0 v 10 输入提供 3 0 v 输出 从而使 adc 的动态范围提升 20 其性能优于现有 2 5 v 基准电压源 24 ad780 可以用来提供最高 10 ma 的源电流或灌电流 并且可以在串联或分流模式 下工作 无需外部器件便可提供正或负输出电压 因此适合几乎所有的高性能基准电 压源应用 与某些竞争产品不同 ad780 没有 可能不稳定区域 当电源端使用一 个 1 f 旁路电容时 该器件可以在所有负载条件下保持稳定 本课题所采用的 ad780 应用电路如图 3 8 所示 图中在 ad780 的输出端又增加了一级电压跟随器 对稳压源 起到了隔离 缓冲的作用 并提高了其带负载的能力 图 3 8 电压基准源 22 根据所需输出电流大小及标准电阻值 在 ad780 电压基准源的基础上利用两级反 相比例放大电路对基准电压进行了调整 分别得到 0 2v 0 3v 1 0v 1 2v 的基准 电压 对应的采样电阻阻值为 0 02 0 1 1 4 就分别可得到 10a 3a 1a 0 3a 大小的电流 如图 3 9 所示 为了保证调整范围的精细度 在选取固定电阻 与可调电阻阻值时注意搭配 使电阻可调范围控制在所需电阻阻值的 2 以内 采样电阻又称为电流检测电阻 在功能上主要是做为参考 常用在反馈电路里 以稳定电路输出 用电阻做采样 一般将电阻放置在需要采样电流的位置 通过检测 电阻两端的电压值来反馈 进而确定电路中的电流大小 为保证采样精度 采样电阻 的阻值一般比较小 这样可保证采样电阻不影响原电路中的电流 在采样电阻选择时 首先需要考虑的问题是待检测电流的大小 确保采样电阻正常工作时的功率不超过额 定功率 其次就是考虑采样电阻的精度 采样电阻的精度虽然影响输出精度 但是可 以通过微调得到补偿 最后要重点考虑的是温度系数 它关系到整个系统的温度稳定 性 因此选择低温漂的采样电阻非常关键 25 对于 10a 和 3a 电流的采样电阻 本课题选择了锰铜采样电阻 其精度为 1 温度系数 tcr 可达 30ppm 阻值分别选取为 0 02 0 1 正常工作时的功率 分别为 2w 和 0 9w 对于 1a 和 0 3a 电流的采样 本课题选择了合金采样电阻 精度 为 0 5 温度系数 tcr 仅为 5ppm 阻值分别选取为 1 4 图 3 9 基准电压调整电路 23 3 3 3 主控模块设计主控模块设计 根据本项目程控恒流源的需求分析 需要单片机完成以下工作 按键设定及显示 输出电流切换 测温与散热风扇控制以及与主机通信 由于任务比较简单 这里选择 了市场广泛使用的 atmel 公司的 at89s52 单片机作为主控微处理器 26 at89s52 是一种低功耗 高性能 cmos 8 位微控制器 具有以下标准功能 8k 在系统可编程 flash 存储器 256 字节 ram 32 位 i o 口线 看门狗定时器 2 个数 据指针 三个 16 位定时器 计数器 一个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片内 晶振及时钟电路 另外 at89s52 可降至 0hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件可选择节 电模式 空闲模式下 cpu 停止工作 允许 ram 定时器 计数器 串口 中断继续 工作 掉电保护方式下 ram 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 27 at89s52 在该多档位程控恒流源系统中的应用电路如图 3 10 所示 其中 p10 引 脚用于散热风扇的控制 p26 引脚用于测温传感器 p14 p17 引脚作为看门狗及复位 电路的控制信号 整个 p0 口作为按键及显示电路的接口 见图 3 11 由于 p0 口内部 无上拉电阻 这里应用时需要外接上拉电阻 p20 p23 口则用来控制继电器来切换输 出电流 图 3 10 单片机控制电路 24 图 3 11 按键及显示电路 单片机在强干扰环境中可能会出现死机 程序跑飞等情况 在系统上电或欠压条 件下时还容易出现不确定状态 造成意外动作 因此在环境复杂的工业环境中运行的 系统的抗干扰能力和稳定性显得更加重要 而看门狗电路是提供系统抗干扰能力和稳 定性的一种有效方法 图3 10所示的即是本系统基于x25045芯片的应用电路 x25045 集成了看门狗定时器 电压监视和 eeprom 于单个芯片之内 这种集成简化了硬件 设计 28 看门狗定时器对单片机提供了独立的保护系统 图 3 12 中 sck 为串行时