eng
Выпуск #7/2011
А.Герасимов, О.Захаров, В.Недорезов, В.Петров
Измерение статических параметров прецизионных гибридных микросхем ЦАП
Измерение статических параметров прецизионных гибридных микросхем ЦАП
Просмотры: 2530
Прецизионные гибридные интегральные схемы цифроаналоговых преобразователей (ГИС ЦАП) широко применяются в системах сбора и обработки информации, измерительной аппаратуре, автоматизированных системах управления и др. При производстве прецизионных ЦАП необходимо специальное метрологическое оборудование, характеристики которого на порядок выше, чем у измеряемых изделий. В связи с этим в научно-исследовательском институте электронно-механических приборов (НИИЭМП, Пенза) была разработана установка "УИСП-70" для измерения статических параметров прецизионных ГИС ЦАП, выпускаемых предприятием.
В настоящее время НИИЭМП поставляет микросхемы ЦАП в металлостеклянных и металлокерамических корпусах с планарным расположением выводов (рис.1). Предприятие выпускает 16- и 18-разрядные ЦАП с выходом по току (рис.2а) и напряжению (рис.2б) – К427ПА5Т, 427ПА4, К427ПА4Т, 427ПА2 и К427ПА2Т. Благодаря применению прецизионной резистивной матрицы, формируемой методом вакуумного напыления, эти ЦАП отличаются сверхпрецизионными характеристиками. Переключение резистивной матрицы выполняет бескорпусная интегральная схема, которая монтируется на резистивной плате по гибридной технологии.
Выпускаемые сегодня институтом ЦАП по точностным характеристикам, пожалуй, превосходят ЦАП, изготавливаемые как по полупроводниковой, так и по гибридной технологиям, а по техническим характеристикам не уступают аналогам ведущих зарубежных фирм (см. таблицу).
Немалую роль в обеспечении таких параметров сыграла установка "УИСП-70", выполненная на основе современной элементной базы с использованием современной вычислительной техники и современных программных продуктов (рис.3). Предназначена она для замены устаревшей системы разработки 1980-х годов. Функционально "УИСП-70" состоит из трех блоков: измерительного, блока контактирующих устройств и персонального компьютера, соединенного с измерительным блоком через модуль интерфейса, который реализует гальваническую развязку между компьютером, измерительной схемой и схемой управления ГИС ЦАП (рис.4).
Установка позволяет измерять параметры ЦАП как в обычной среде, так и в термокамере, для чего к ней подключают контактирующее устройство. Все операции – подготовительные, непосредственного измерения, обработки данных, статистической обработки результатов – выполняются автоматически под управлением компьютера в соответствии с главным меню (рис.5).
Компьютер задает команды контроллеру ЦАП, который в соответствии с ТУ на измеряемый тип ГИС ЦАП устанавливает значения его напряжения питания, напряжения логических уровней, полярность опорного напряжения, а также обеспечивает измерение его токов потребления. Работой узлов измерительной схемы упраляет контроллер АЦП. Коммутатор обеспечивает подачу напряжения нуля и опорных напряжений на вход измерительного АЦП, что позволяет осуществить калибровку измерительного тракта, а также выходного сигнала измеряемого ЦАП. Выходные данные АЦП через контроллер передаются компьютеру, который выполняет окончательную обработку данных и выводит результаты измерений в виде таблицы (рис.6).
Для установки "УИСП-70" характерны следующие пределы допустимых значений относительной погрешности измерения:
дифференциальной нелинейности (ELD) в заданной точке характеристики преобразования в диапазоне от -0,01 до 0,01% от полной шкалы – не более ±0,0001% и в диапазоне от 0,01 до ±0,05% от полной шкалы – не более ±(0,02ELD +0,0001)%;
нелинейности (EL) в заданной точке характеристики преобразования в диапазоне от -0,01 до 0,01% от полной шкалы – не более ±0,0001% и в диапазоне от ± 0,01 до ±0,05 % от полной шкалы – не более ±(0,05EL + 0,0001)%;
преобразования в конечной точке (ЕG) в диапазоне от -0,02 до 0,02%, – не более ±0,005%;
коэффициента преобразования (ЕO) в диапазоне от -0,2 до 0,2% – не более ±0,002%;
напряжения смещения нуля UOO в диапазоне от -10 до 10 мВ – не более ±(0,0005UOO+10 мкВ) мкВ;
тока смещения нуля IOO в диапазоне от -20 до 20 нА – не более ± 2 нА и в диапазоне от -800 до 800 нА – не более ± 10 нА;
выходного тока IDRH ЦАП с выходом по току в диапазоне от -4 до 4 мА – не более ±0,04 мА;
токов потребления ICC по цепям питания 15 В, -15 В и 5 В в диапазоне от -40 до 40 мА – не более ±(0,015ICC + 10 мкА) мА.
К другим метрологическим характеристикам установки "УИСП-70" относятся:
подача на измеряемую ГИС ЦАП напряжения питания UCC1 = 15 В, UCC2 = -15 В, UCC3 = 5 В в диапазоне ±10% с относительной погрешностью не более ± 0,5%;
независимое измерение значения напряжения питания UCC с дискретностью 5%;
подача на измеряемую ГИС ЦАП опорного напряжения UREF 10 или -10 В с относительной погрешностью не более ± 0,1%;
подача на измеряемую ГИС ЦАП уровней логического нуля в диапазоне от 0,1 до 0,8 В и логической единицы в диапазоне от 2,4 до 5,0 В.
Установка обеспечивает вывод протокола полученных результатов измерений в текстовый файл на жесткий диск компьютера или на бумажный носитель через принтер. Изоляция между цепью питания и зажимом "земля" в обычных условиях выдерживает действующее значение испытательного напряжения переменного тока 1500 В с частотой (50 ±1) Гц в течение 1 мин. Сопротивление изоляции между цепью питания 220 В и зажимом "земля" блока измерения – не менее 20 МОм.
Максимальная мощность потребления от сети электропитания при измерениях ≤ 300 ВА, время установления рабочего режима не менее 1 ч. Среднее время наработки на отказ ≥ 4000 ч.
Средний срок службы установки ≥ 8 лет, продолжительность непрерывной работы установки без времени установления рабочего режима ≥8 ч, время перерыва до повторного включения ≥ 1 ч.
Эти результаты получены на выборке в 25 микросхем серии К427ПА4Т.
Габариты установки – не более 540520170 мм, масса блока измерений – не более 15 кг.
Установка "УИСП-70" дополнительно комплектуется термокамерой типа КТХ-0,015-60/
125 РУКЮ.411521.02 РЭ собственного производства, позволяющей измерять параметры изделия в диапазоне температур -60…125°С (рис.7–10). Нестабильность температуры в рабочем объеме камеры не превышает ±0,2°С.
Таким образом, разработана и проведена метрологическая аттестация установки для прецизионных измерений гибридных ЦАП серии К427ПА.
В настоящее время проводятся работы по включению установки "УИСП-70" в Государственный реестр средств измерений. ⦁
Выпускаемые сегодня институтом ЦАП по точностным характеристикам, пожалуй, превосходят ЦАП, изготавливаемые как по полупроводниковой, так и по гибридной технологиям, а по техническим характеристикам не уступают аналогам ведущих зарубежных фирм (см. таблицу).
Немалую роль в обеспечении таких параметров сыграла установка "УИСП-70", выполненная на основе современной элементной базы с использованием современной вычислительной техники и современных программных продуктов (рис.3). Предназначена она для замены устаревшей системы разработки 1980-х годов. Функционально "УИСП-70" состоит из трех блоков: измерительного, блока контактирующих устройств и персонального компьютера, соединенного с измерительным блоком через модуль интерфейса, который реализует гальваническую развязку между компьютером, измерительной схемой и схемой управления ГИС ЦАП (рис.4).
Установка позволяет измерять параметры ЦАП как в обычной среде, так и в термокамере, для чего к ней подключают контактирующее устройство. Все операции – подготовительные, непосредственного измерения, обработки данных, статистической обработки результатов – выполняются автоматически под управлением компьютера в соответствии с главным меню (рис.5).
Компьютер задает команды контроллеру ЦАП, который в соответствии с ТУ на измеряемый тип ГИС ЦАП устанавливает значения его напряжения питания, напряжения логических уровней, полярность опорного напряжения, а также обеспечивает измерение его токов потребления. Работой узлов измерительной схемы упраляет контроллер АЦП. Коммутатор обеспечивает подачу напряжения нуля и опорных напряжений на вход измерительного АЦП, что позволяет осуществить калибровку измерительного тракта, а также выходного сигнала измеряемого ЦАП. Выходные данные АЦП через контроллер передаются компьютеру, который выполняет окончательную обработку данных и выводит результаты измерений в виде таблицы (рис.6).
Для установки "УИСП-70" характерны следующие пределы допустимых значений относительной погрешности измерения:
дифференциальной нелинейности (ELD) в заданной точке характеристики преобразования в диапазоне от -0,01 до 0,01% от полной шкалы – не более ±0,0001% и в диапазоне от 0,01 до ±0,05% от полной шкалы – не более ±(0,02ELD +0,0001)%;
нелинейности (EL) в заданной точке характеристики преобразования в диапазоне от -0,01 до 0,01% от полной шкалы – не более ±0,0001% и в диапазоне от ± 0,01 до ±0,05 % от полной шкалы – не более ±(0,05EL + 0,0001)%;
преобразования в конечной точке (ЕG) в диапазоне от -0,02 до 0,02%, – не более ±0,005%;
коэффициента преобразования (ЕO) в диапазоне от -0,2 до 0,2% – не более ±0,002%;
напряжения смещения нуля UOO в диапазоне от -10 до 10 мВ – не более ±(0,0005UOO+10 мкВ) мкВ;
тока смещения нуля IOO в диапазоне от -20 до 20 нА – не более ± 2 нА и в диапазоне от -800 до 800 нА – не более ± 10 нА;
выходного тока IDRH ЦАП с выходом по току в диапазоне от -4 до 4 мА – не более ±0,04 мА;
токов потребления ICC по цепям питания 15 В, -15 В и 5 В в диапазоне от -40 до 40 мА – не более ±(0,015ICC + 10 мкА) мА.
К другим метрологическим характеристикам установки "УИСП-70" относятся:
подача на измеряемую ГИС ЦАП напряжения питания UCC1 = 15 В, UCC2 = -15 В, UCC3 = 5 В в диапазоне ±10% с относительной погрешностью не более ± 0,5%;
независимое измерение значения напряжения питания UCC с дискретностью 5%;
подача на измеряемую ГИС ЦАП опорного напряжения UREF 10 или -10 В с относительной погрешностью не более ± 0,1%;
подача на измеряемую ГИС ЦАП уровней логического нуля в диапазоне от 0,1 до 0,8 В и логической единицы в диапазоне от 2,4 до 5,0 В.
Установка обеспечивает вывод протокола полученных результатов измерений в текстовый файл на жесткий диск компьютера или на бумажный носитель через принтер. Изоляция между цепью питания и зажимом "земля" в обычных условиях выдерживает действующее значение испытательного напряжения переменного тока 1500 В с частотой (50 ±1) Гц в течение 1 мин. Сопротивление изоляции между цепью питания 220 В и зажимом "земля" блока измерения – не менее 20 МОм.
Максимальная мощность потребления от сети электропитания при измерениях ≤ 300 ВА, время установления рабочего режима не менее 1 ч. Среднее время наработки на отказ ≥ 4000 ч.
Средний срок службы установки ≥ 8 лет, продолжительность непрерывной работы установки без времени установления рабочего режима ≥8 ч, время перерыва до повторного включения ≥ 1 ч.
Эти результаты получены на выборке в 25 микросхем серии К427ПА4Т.
Габариты установки – не более 540520170 мм, масса блока измерений – не более 15 кг.
Установка "УИСП-70" дополнительно комплектуется термокамерой типа КТХ-0,015-60/
125 РУКЮ.411521.02 РЭ собственного производства, позволяющей измерять параметры изделия в диапазоне температур -60…125°С (рис.7–10). Нестабильность температуры в рабочем объеме камеры не превышает ±0,2°С.
Таким образом, разработана и проведена метрологическая аттестация установки для прецизионных измерений гибридных ЦАП серии К427ПА.
В настоящее время проводятся работы по включению установки "УИСП-70" в Государственный реестр средств измерений. ⦁
Отзывы читателей
