增大电流和压力测量的压力测量自动测试设备的设计-全文
0 前言
自动测试设备用于测试分立器件、集成电路和混合信号电路的直流参数、交流参数和功能。主要通过测试系统软件来控制测试设备的各个单元对被测器件进行测试，以确定被测器件是否符合器件规格。
1 自动测试设备组成
自动测试设备主要由精密测量单元（PMU）、器件电压源（DPS）、电压电流源（VIS）、参考电压源（VS）、音频电压源（AS）、音频电压表（AVM）、时间测量单元（TIMER）、继电器矩阵、系统总线控制板（BUS）、计算机接口卡（IFC）等部分。系统框图如图1所示。
本文主要介绍电压源和电流源部分的设计原理和实现。
2 电压源和电流源的基本原理
电压电流源是自动测试系统中不可缺少的部分。可对被测器件施加精确的恒压或恒流，并可回测其相对电流值或电压值。因此，电压源和电流源主要有以下两种工作模式：
（1)压力电流测量（FVMI）模式。在FVMI模式下，驱动电压值通过数模转换器（ADC）提供给输出驱动器；驱动电流由采样电阻采样，通过差分放大器转换成电压值，再由ADC读回电流值，簧片值可以根据负载设定，钳位电路在这里起到限流保护的作用，当负载电流超过规定值时钳位值，VIS输出成为恒流源，输出电流为钳位电流：测试系统根据钳位值自动选择测量流量范围。
(2)新增电流电压测量(FIMV)模式。在FIMV模式下，驱动电流值通过数模转换器(DAC)提供给输出驱动器；电压由ADC读回.钳位值可以根据负载设置，钳位电路在这里起到限压保护的作用，当负载电压超过钳位值时，VIS输出成为恒压源，输出电压为钳位电压. 测试系统根据钳位值自动选择压力测量范围。
图2是电压源和电流源的逻辑框图。
3 电压源和电流源的设计细节
电压电流源的基本电路如图3所示，左半部分为电压电流源的加压电流电路，右半部分为测试电路。
该电路由主运算放大器、电流扩展电路、量程电阻、反馈回路和差分运算放大器组成。该电路简单实用。继电器 K1 用于在压力和电流之间切换。K1开路时用于施加电压，K1闭合时用于施加电流。K8是电流和压力测量的开关。K8 开路时，用于测量施加电压时的电流。当 K8 闭合时自动测量设备，用于在施加电流的同时测量电压。运算放大器U3作为减法电路连接以控制钳位电压。主运放U1后接电流扩展电路，由推挽形式组成，增加电路的输出电流。量程网络由多个不同等级的电阻组成，测试量程可通过继电器K2～K7切换。反馈回路由运算放大器组成的跟随器组成。测试电路采用差分电路形式自动测量设备，提高测试精度，降低电路共模增益。
该电路的优点是压力电流测量电路和电流增加压力测量电路很好地集成在一起。只需一个继电器即可在压力和电流增加之间切换，节省了压力电流测量和增加电流。每次压力测量都需要一套电路，繁琐，但也节省了大量元件。
4 工作原理
4.1 测试原理
下面以FIMV（加电流和压力测量）为例来说明电路的原理。在 FIMV 模式下，电路被简化，如图 4 所示。
由于电路引入了负反馈，U1形成同相求和电路，U2形成电压跟随器。设 R1=R2=R3=R4=R。
由于UN1=UP1，由公式(1)(3)我们可以得到：VIN=UO1-URO。即量程电阻两端的电压值等于输入由于U2的P2端虚拟中断，所以大部分流过RO的电流流入RL，所以电路可以提供稳定的电流，只要测试URO端的电压，就可以得到可测试施加电流下的负载，从而实现加电流的电压测量。
测压和测压基本类似，这里不再赘述。
4.2 钳位的实现
该电路可以通过程序设置的钳位电压或电流值进行限压或限流保护。当电路检测到的电压或电流超过设定值时，电路会自我保护。自保护过程如下：当施加电流并测量电压时，控制钳位DAC的输入值并改变量程电阻，设置输出钳位电压，然后电流增加模式为切换到压力模式，测得的电压值回到钳位电压值。当施加压力进行电流测量时，量程电阻切换到最大量程，压力模式切换到增加电流模式。通过控制钳位DAC的输入值和改变量程电阻，
4.3 范围计算
测试不同的电压或电流值需要不同的量程值，以保证测试结果的准确性。因此，需要在测试前选择量程，量程的选择可以通过程序来实现。
压力流量测量时量程选择计算公式为：
式中MAX_V为主运放的最大输出电压，FV为外加电压值，Ri为设定钳位电流值，RF为量程电阻。实际Rf值是计算出的Rf的下一级（比如计算出的Rf=1.6k，那么实际的R应该是1k（如果下一级是1k）。
添加电流和压力测量时量程选择的计算公式为：
式中MAX_V为主运放的最大输出电压，Rv为设定的钳位电压值，Fi施加的电流值，Rf为量程电阻。Rf 的实际值是计算出的 Rf 的下一级。
5 电路的改进
在该电路中，输出端直接连接到负载。测试小电阻时，会因线损而产生测试误差。因此，在实际设计中，可以采用开尔文桥接法将输出端连接到负载。接线（电路输出的两端用一对“施加线”和“感测线”连接到负载）。
6 实验结果
在实际测试中，运放可以选择低失调电压、低温漂的高精度运放，如OP07。采样电阻采用2ppm低温漂移、0.01%高精度电阻。运放电源采用双24V电源，电流扩展电路采用双36V电源。电压和电流源的范围可以从 0V 到 21V，电流范围可以从 0mA 到 200mA。电压测量和电流测量精度大于0.1%（DAC和ADC均为16位数据位）。实验结果表明，该电压源和电流源应用速度快，测量速度快，精度高，适用于集成电路参数的快速检测。
