李軒冕

（武漢數字工程研究所 武漢 430205）

1 引言

虛擬儀器突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式，實際上，使用者是在操作具有測試軟件的電子計算機進行測量，猶如操作一臺虛設的電子儀器，虛擬儀器因此而得名［1～3］。

電容器高溫老化設備是電容器篩選的主要設備，目的是在施加一定的溫度等應力條件下，提供必要的電子信號使電容器工作從而使有缺陷的電容器加速失效，以加速暴露電容器的固有缺陷而不破壞它的完整性，從而達到電容器篩選的目的。電容器高溫老化設備需要定期進行現場校準，否則不但不能起到應有的老化作用，反而會因為老化設備性能異常而給正在進行高溫老化試驗的電容器器件注入新的隱患。

當前電容器高溫老化設備的計量包括了基于校準裝置的校準和基于通道末端法的校準兩種方法。兩種方法的操作并不方便，同時也可能無法反映出系統(tǒng)的中間參量的真實情況，存在一定的片面性，從而無法完成對老化設備的真正校準。

2 電容器高溫老化設備結構分析

本研究選擇的電容器高溫老化系統(tǒng)型號為杭州可靠性儀器廠生產的PCD-J型。系統(tǒng)由七個主要部分組成：配電箱、高溫試驗箱、老化試驗電源、系統(tǒng)輔助電源箱、系統(tǒng)控制儀、驅動檢測板和老化試驗板。系統(tǒng)的工作結構框圖如圖1。

圖1 電容器高溫老化設備工作結構

3 校準系統(tǒng)構成

電容器高溫老化設備校準主要包括老化設備的各電氣參量校準以及高溫試驗箱的溫度場校準兩個主要部分。其途徑是應用虛擬儀器技術，設置與電容器高溫老化設備接口匹配的專用計量校準板，同時結合電子負載，通過信號采集與處理直接測量并校準電容器高溫老化設備的各種電氣參數技術指標是否滿足設計要求；通過采集并分析處理放置于高溫試驗箱內的鉑電阻輸送的溫度信號來自動檢定高溫試驗箱的溫度的均勻度、波動度和溫度偏差，從而確保老化設備的可靠性［4～5］。

各參量需要通過交換開關切換、數據采集并傳遞到基于LabVIEW語言編寫的校準軟件中，通過計算機的信號處理、算法分析、數據存儲處理后直接以電子表格的方式顯示給用戶，實現全面、準確高效的校準［6～7］。

虛擬電容器高溫老化設備校準系統(tǒng)的原理如圖2所示，包括了虛擬儀器測試系統(tǒng)、老化試驗電源、老化系統(tǒng)測試電路和高溫試驗箱溫控系統(tǒng)等四個部分，虛擬儀器測試系統(tǒng)結合另外三個部分便可完成校準工作。其中的虛擬儀器測試系統(tǒng)即為電容器高溫老化設備校準裝置，包括了溯源到國家/國防基準的數據采集模塊、溯源到國家/國防基準的外接儀表、基于LabVIEW語言的校準軟件、專用計量校準板、交換開關模塊以及專用連接線等［8～10］。

圖2 校準系統(tǒng)原理圖

4 校準系統(tǒng)硬件部分

電容器高溫老化設備校準系統(tǒng)硬件部分由PXI儀器模塊組部分、專用計量校準板部分、外接儀表部分、以太網通信部分及PC組成，如圖3所示，下面對這幾個部分進行介紹。

圖3 校準系統(tǒng)硬件組成

4.1 PXI儀器模塊組部分

虛擬儀器測試系統(tǒng)的PXI儀器模塊組選擇了NI公司的產品。機箱選用NI PXI-1042一體化8槽機箱。根據計量任務分析，本系統(tǒng)選用NI PXI-8108嵌入式非實時系統(tǒng)控制器，數字多用表模塊選擇NI PXI-4072六位半模塊，交換開關模塊選擇了兩塊NI PXI-2527模塊。

4.2 專用計量校準板

根據電容器高溫老化設備的硬件結構和老化原理，設計并制作符合老化設備接口的專用校準板，主要用于校準電容器高溫老化系統(tǒng)的部分電氣參量。根據需要，在專用計量校準電路板上設計模擬負載電路，并使用排線形式將相關的測試信號引出。測量時數字多用表利用交換開關進行通道間的切換。

4.3 外接儀表

校準系統(tǒng)的外接儀表包括溯源到國家/國防基準的電子負載、兆歐表、鉑熱電阻等。

4.4 以太網通信部分

PXI-6608系統(tǒng)控制器內置以太網接口，使用網線將PXI儀表與PC直接相連，或通過以太網交換機連接，從而實現利用PC對虛擬系統(tǒng)的遠程控制。

5 校準系統(tǒng)軟件部分

虛擬儀器應用軟件集成了儀器所有的采集、控制、數據分析、結果輸出和圖形用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件以至整個儀器都被計算機軟件所代替。所以軟件是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心。設計基于虛擬儀器的校準系統(tǒng)，主要工作就是設計、開發(fā)校準軟件［11］。

5.1 校準軟件框架結構

本系統(tǒng)的主程序模塊共有溫度校準模塊、電源校準模塊和漏電流校準模塊，分別實現對電容器高溫老化系統(tǒng)的高溫試驗箱、老化試驗電源和漏電流測試電路的校準。各個功能模塊既能夠單獨工作，又能夠聯(lián)合統(tǒng)一作為一個系統(tǒng)。系統(tǒng)結構如圖4所示。這樣的設計目的主要是為了有利于對功能模塊的補充和修改。當系統(tǒng)要求增加新的功能或修改現有功能時，只需將新的功能在某一個模塊中進行修改，而不必對其他模塊進行全部修改。

圖4 校準軟件結構

5.2 溫度校準模塊

以溫度校準模塊為例，介紹各校準模塊的設計方法。溫度校準參照了JJF 1101-2003《環(huán)境試驗設備溫度、濕度校準規(guī)范》中的規(guī)定。校準項目包括溫度偏差、溫度均勻度以及溫度波動度［12］。

溫度校準程序的前面板如圖5，不包含菜單欄，工具欄中包含“運行”、“中止”、“暫停”等按鍵。校準時可利用前面板上的“校準操作”、“重要設置”對校準進行參數配置及操作控制。校準結果會實時顯示在“測量結果”欄中。

圖5 溫度校準模塊前面板

溫度校準模塊的程序框圖中對按鍵的響應使用事件結構（Event structure），共有三個事件分支：測量溫度、停止系統(tǒng)、導出記錄至文件。

數據保存部分利用了LabVIEW Report Genera?tion Toolkit，用戶需要安裝Office 2003以上版本，程序才能運行。使用該工具，用戶可以將校準數據保存為EXCEL電子表格。溫度校準的流程如圖6。

圖6 溫度校準流程圖

5.3 漏電流校準模塊

對電容器高溫老化設備漏電流測試電路的校準，可歸結為對直流數字電流表的校準。直流數字電流表的校準方法參考了JJG 1587-2016《數字多用表校準規(guī)范》的規(guī)定。

程序共有五個事件分支：測量電壓、測量漏電流、初始化、停止系統(tǒng)、導出記錄至文件。

5.4 電源校準模塊

對老化設備電源部分的校準，參考了JJF 1597-2016《直流穩(wěn)定電源校準規(guī)范》的規(guī)定。外接電子負載，分別用數字多用表的交流電壓毫伏檔和直流電壓檔在電源前面板測試端點測試電源的紋波和負載效應。

6 結語

基于虛擬儀器技術的電容器高溫老化設備校準系統(tǒng)，經實際應用測試，能夠滿足計量實驗室對電容器高溫老化設備進行校準檢定的要求。本系統(tǒng)可以實現對老化設備的全面校準，并可將校準結果以電子表格的方式保存，這給測試工作帶來了很大的便利，實現了測試儀器與計算機的一體化。本系統(tǒng)已被國防微電子一級計量站采用，使用狀況良好。