郑荟民

（世健国际贸易（上海）有限公司深圳分公司，广东 深圳 518057）

0 引 言

近年来，以苹果、亚马逊、微软为代表的国际品牌的消费电子产品在国内规模化生产，带动并完善了国内电子产品的生产加工供应链生态系统。同时，华为、小米、VIVO等国内品牌迅速崛起，其产品在国内外的销量不断攀升，供应链系统扩容需求不断加大。非标测试作为生产加工生态系统的重要部分也取得了快速发展的机会，尤其是针对PCB（Printed Circuit Board）、PCBA（Printed Circuit Board Assembly）、FPC（Flexible Printed Circuit）、FPCA（Flexible Printed Circuit Assembly）及其组件生产加工之后的在线测试（In Circuit Test，ICT）和功能测试（Fuction Circuit Test，FCT），国内已经涌现30多家规模厂商，龙头企业年产值10多亿[1]。

电压测试是非标测试中需求最大的测试项，涵盖产品生产中元件、模组和整机的每个阶段。早期众多厂商使用吉时利和是德的标准仪器，或者使用美国国家仪器（National Instruments，NI）的数据采集卡，现在已转向自主研发。在非标测试行业中，电压采集精度和重复测试的稳定性十分重要，关系被测元件是否合格以及元件批量生产时参数的一致性。同时，测试过程中检测电路不能对被测元件产生影响，或者致使待测元件损坏。所以，隔离精密采集器已经成为新趋势。另外，检测系统中集成大量模拟开关或者继电器，总通道数普遍近千个。非标测试设备现场调试时，若频繁出现模拟开关或者继电器损坏情况，此时将检测硬件整板更换成本极高，因此将电压采集模块单独设计更利于系统集成、调试与批量生产。

1 电压测量硬件设计

1.1 电压测量硬件方案

如图1所示，电压采集模块电路由输入信号调理电路、精密参考与模数转化电路、隔离电路以及电源电路组成[2]。

图1 直流电压采集模块电路框图

1.2 信号调理电路

信号调理电路用于将输入的电压信号处理在模数转化器（Analog-to-Digital Converter，ADC）有效的采集范围内，并且具备抑制共模干扰、阻抗转换和ADC驱动的能力。AD8422是一款高精度仪表运放。其中，B级在增益为1 000时共模抑止比达到150 dB，增益误差仅为0.04%，最大输入失调漂移为0.3 μV/℃，最大输入偏置电流为0.5 nA；输入差模阻抗，共模阻抗均为200 GΩ，工作电压最高36 V，带有40 V过压保护功能。它适用非标测试设备信号调理的第一级运放实现电压处理，或者电流转为电压。第二级运放低噪ADA4004-1是一款工作电压的极低电压噪，输入输出信号轨到轨的运放，为AD8422提供基准电压。将它的输出单端电压信号转为差分电压信号，可增强电路对共模干扰的抑制能力。

1.3 精密参考与模数转化电路

精密参考ADR4550为ADC提供5 V电压基准，该电压基准绝对精度±0.02%，B级-40～+125 ℃的最大温漂为2 ppm/℃。由于模数转化器根据该电压基准，按ADC的位数进行等分，决定系统采集的分辨率。AD7175-2是一款250 ksps 24 bit ∑-Δ型ADC，内置驱动器，2.5 ksps输出时无噪声分辨率仍然有20位。

1.4 隔离电路

隔离电路包括电源隔离与数字隔离[3]。数字隔离器用于将ADC及其前端模拟电路与数字器件的微控制器实现物理隔离，避免数字芯片工作过程中通过板间对模拟信号产生影响。ADUM141是4通道数字隔离器，隔离电压达到3.75 kV，最高支持150 Mb/s，适用于ADC输出的SPI接口（Serial Peripheral Interface）隔离。电源隔离器用于将电源大功率等器件与模拟线路隔离，避免电源、地噪声串扰模拟信号，主要通过变压器实现。

1.5 电源电路

电源电路用于为运放、ADC、参考源提供工作电压。此外，针对精密测量电路，电源需要对噪声有较强的抑制能力，这在很多工程师的设计工作中被忽略。正负电源稳压电路、LT3045、LT3090 10 Hz～100 kHz RMS噪声0.8 μVRMS，1 MHz的电源抑止比达到76 dB，为模拟电路提供清洁的电源，抑制电源对系统失调电压的影响，保证测量精度。

2 电路校准与测试

由于模拟电路芯片工艺问题使芯片存在失调电压和增益误差，而电路系统中电阻、电源、共模电压等会使其产生更大的影响，其中失调电压和增益误差会对实际测试产生很大影响：

Y为ADC校准后测试数据，X为ADC输出数据，Gain是系统增益误差，Vos是系统失调电压。因此，在精密测量系统中，测试电路需要进行失调校准和增益误差校准，以保证检测电路的线性度。完成校准后，使用标准激励源逐级产生待测激励，并用安捷伦34401台式6位半数字万用表检测作为标准，ADC校准输出值和误差值见表1。

图2为该电路检测精度，即误差在标准值所占比例均小于±0.2%。

表1 ADC校准输出值和误差值

图2 误差占比图

3 结 论

经上述测试，该采集模块精度为±0.2‰，采集硬件面积小，支持数据隔离传输，便于系统集成，为非标检测系统的硬件迭代保留了较大的发展空间，适合在该行业推广使用。值得一提的是，该采集电路的性能仍有优化的空间。例如，目前使用隔离电源模块时，其纹波及噪声100～150 mV，而LT3439纹波可以控制在20 mV左右；使用金属屏蔽增加测量系统的抗干扰能力，均可提高测量精度。