仪表放大器参数特性分析与测试方法研究

仪表放大器参数特性分析与测试方法研究

王凌翔  王晓光  聂飞

国家管网集团联合管道有限责任公司西气东输分公司武汉管理处

摘要：在测量系统中，仪表放大器的应用十分广泛，对其进行测试和筛选能够有效地剔除其中的不合格品和早期失效产品，防止给系统造成进一步损失。目前仪表放大器暂无相应的测试标准，通常将其作为运算放大器接入运放环中进行测试，导致部分电性能参数难以测试和筛选。本文首先分析测试设备设计目标，其次对仪表放大器参数特性分析，最后就系统功能模块设计研究，以供参考。

关键词：仪表放大器；参数特性；集成电路测试

引言

仪器仪表作为一种测量工具，它最早被用来测量粮食的数量。但是，随着科技的进步，人们对仪器的要求也随之提高。在工业不断发展的大背景下，许多高校会在仪器仪表方面投入大量的资金，购买先进的机械设备，以提升实验的效率，从而推动教学质量提高。同时，部分高校也会从国外引进先进的技术，以确保实验的质量和效率。除此之外，仪器仪表计量检测的管理工作也至关重要。

1测试设备设计目标

目前，仪表放大器系统的功能性测试方式比较繁琐，在测试过程中需要使用多种标准信号源。同时，在对仪表放大器系统输出信号进行验证时需要使用多种信号检测设备。测试过程中还需要测试人员手动切换输入信号和采集信号的端口。针对以上仪表放大器系统功能性能测试耗时费力的问题，本文设计了1种集成化仪表放大器系统测试设备。该测试设备同时具备多种标准信号输出功能和多种信号的采集功能，能够在很大程度上节省仪表放大器系统的测试成本、减少测试时间、提高测试效率。该测试设备设计目标包括：①能够通过上位机实现对输出信号的控制；②能够实时对仪表放大器系统的输出信号进行采集，并进行显示和存储。测试设备需要满足的各项性能指标如下。①输出信号。脉冲信号频率大于1000Ｈｚ时误差小于±0.1％；微电流输出误差应小于±0.5％；直流电流信号输出误差应小于0.25％；电压输出信号应小于0.25％。②采集信号。直流电流采集误差小于0.25％；低压电压信号采集误差小于0.25％；高压信号采集误差小于0.25％。③可靠性与稳定性。测试设备需要满足连续72ｈ以上长期、稳定运行。

2仪表放大器参数特性分析

仪表放大器内部主要由运算放大器构成，因此部分电气参数与运算放大器相似，但是二者也有较多的不同。仪表放大器的大部分参数与运算放大器参数相同，如输入偏置电流、输入失调电流、输出摆幅、静态电流等，但与运算放大器相比，仪表放大器多了增益误差和增益非线性度参数，少了开环增益参数，这是由仪表放大器的内部结构决定的。仪表放大器的这些特点，使其很难像运算放大器那样采用接入运放环的方法进行测试。一方面，由于仪表放大器的许多参数如增益误差、电源电压抑制比、共模抑制比等需要在不同的放大倍数下进行测试，而运放环电路通常由ATE厂家提供，难以对放大倍数进行调节；另一方面，采用运放环回路时，部分关键参数如输出失调电压、增益误差、增益非线性度等均无法进行测试。以往简单的测试方法通常将仪表放大器的1脚和8脚短路，然后将其视为运算放大器进行测试。这种方法虽然能够测试得到一些参数，但会导致不同放大倍数的参数以及关键电性能参数等均无法进行测试。

3系统功能模块设计

3．1仪表参数配置模块

仪表参数配置模块的主要作用是提供一组对用户开放的可修改的参数项，这些参数项不完全是必填项，但却可以涵盖与一个仪表通讯可能需要的所有的数据项。用户在填写这些参数项之前，必须了解仪表的通讯规则和数据解析规则，并了解这些规则所对应的参数项的数值或是选项。当用户将仪表的参数项填写或选择完成后，数据会传递给仪表模板建立模块，仪表参数配置模块的工作完成。

3.2重视电子仪器仪表的维修和保护工作

在进行电子仪器设备计量检测工作时，经常会出现读数不准确、机械故障等现象。故此，相关管理人员要对其故障进行分析，找出对应问题的根本原因。尤其需要对仪表仪器的关键部件进行反复检查，直至查找出故障的原因，然后再根据高校实验室本身的实验条件和需求进行检修。在解决电子仪器设备的故障后，操作人员要再对整个仪器仪表进行再检查，以保证其与原始资料和数据的一致性。其次，随着信息化技术的不断发展，相关管理人员可以对电子仪器设备进行实时的、动态的监控，对故障进行提前警示，提高电子仪器仪表的稳定性。根据以上内容不难看出，电子仪器设备的计量检测工作和相关管理工作与信息化技术相结合，会是今后高校乃至该行业的重要发展趋势。另外，由于电子仪器的质量可能会存在一定的问题，且使用寿命有限，因此，对其进行定期的维护与监控，可以提高仪器仪表使用周期，以此达到计量检测工作日益高精度、高可靠性的目的。

3.3项目生成模块

当所有的采集站点配置完成后，即可使用项目生成模块，将所有的采集站点固化，并在数据库中生成对应的仪表数据保存表格，使数据采集站点可以和数据库进行通讯，并为项目建立对应的查询菜单。这样可以使系统分为后台功能开发和项目前端实施两个部分，而这两个部分是没有必然的关联的。这样后台功能开发不必考虑具体的项目，更多地关注系统的质量、可靠性和稳定性;而项目的前端实施则可以是不具备系统开发能力的项目实施人员。这样就降低了系统实施的成本，增加系统的通用性和易用性。

3.4通信模块

通信模块由电源卡和以太网卡组成。电源卡用于为以太网卡供电。以太网卡用于与上位机通信，同时实现与信号输出模块和信号采集模块的控制器卡的通信。通信模块接收上位机发出的命令并传递给信号输出模块和信号采集模块的控制器卡，同时接收这2个控制器卡发出的信息并传递给上位机。

3.5提高仪器仪表设备的可持续发展性

近些年来，可持续发展道路已成为国家建设中受到大力提倡的一条重要途径。因此，仪器仪表计量检测行业要想实现长期、稳定发展，必须走可持续发展之路。在设计、制造仪器仪表计量检测设备时，相关工作人员必须遵循绿色、环保、节能原则，落实到行业生产、监督工作的每个环节中。在进行仪器仪表的设计时，相关工作者要选择可循环利用的材料，并积极研究仪器仪表的节能技术，力求所研制的仪表仪器计量检测设备能够拥有更高程度的绿色性和高效性，以此实现仪器仪表设备性能、节能效果等指标共同达到要求。最后，相关部门对刚出厂的仪器仪表的计量检验水平进行评价时，不应只停留在考虑仪器性能的层面，还要重视其对环境的影响，是否与绿色、节约能源的发展之路相统一。

结语

仪表放大器内部主要由多个运算放大器构成，其部分参数与运算放大器有着显著区别，使用运放环测试法难以实现对仪表放大器全参数的测试。通过对仪表放大器的结构原理和参数特性进行分析，提出了一种新的测试解决方案，设计了一种仪表放大器测试电路。该方法直接基于集成电路自动测试设备ATE的资源对仪表放大器进行测试，为解决失调电压测量精度不足的问题，引入了一台外接的一块高精度数字多用表，经过相应的硬件和软件调试后，最终实现了对仪表放大器全参数高精度的测试。该方法能够很好地完成对仪表放大器的测试和筛选，从而保证其使用的质量与可靠性，具有良好的实际应用价值。

参考文献

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[3]赵桦,章慧彬.基于JC-5600ATE的单/双电源运算放大器测试方法[J].电子与封装,2014,14(04):14-16.