Баннов В.Я., Захаров О.И., Недорезов В.Г., Петров В.К., Трусов В.А., Юрков Н.К.
МЕТОДИКА И УСТАНОВКА ИЗМЕРЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРЕЦИЗИОННЫХ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Прецизионные гибридные интегральные схемы предназначены для преобразования цифрового двоичного кода в аналоговый сигнал (ток или напряжение) в системах сбора и обработки информации, измерительной аппаратуре, автоматизированных системах управления и др. В НИИ электронно-механических приборов (НИИЭМП) в настоящее время выпускаются 16 и 18 разрядные ЦАП с
цифро-аналоговых преобразователей (ГИС ЦАП) выходом по току и напряжению (К427ПА5Т, 427ПА4, К427ПА4Т, 427ПА2 и К427ПА2Т). Микросхемы изго-
тавливаются в металлостеклянных и металлокерамических корпусах с планарным расположением выводов и являются полностью заменяемыми (рисунок 1).
а)
Рисунок 1 - ЦАП в металлокерамическом (а) и металлостеклянном (б) корпусах
Данные изделия имеют в настоящее время, пожалуй, самые прецизионные характеристики из всех существующих отечественных ЦАП, изготавливаемых как по полупроводниковой, так и гибридной технологиям (таблица 1) . Сверхпрецизионные характеристики ЦАП, выпускаемых НИИЭМП, обеспечиваются за счет прецизионной резистивной матрицы (изготавливаемой НИИЭМП), которая формируется методом вакуумного напыления. Переключение резистивной матрицы осуществляется ключами, Таблица 1
Технические характеристики ЦАП отечественных и
выполненными в виде бескорпусной интегральной схемы, которая монтируется на резистивной плате по гибридной технологии.
Гибридные ЦАП, выпускаемые НИИЭМП, по своим техническим характеристикам не уступают аналогичным образцам ведущих зарубежных фирм (таблица 1).
На рисунке представлены принципиальные схемы ЦАП с выходом по току и напряжению (рисунок 2).
зарубежных фирм
Параметры Норма параметра
4 27ПА2 427ПА4 К4 27ПА2АТ К427ПА4АТ ЬТС1821 К4 27ПА5АТ БАС113 9
Число разрядов 16 16 16 16 16 18 18
Погрешность преобразования в конечных точках, % о о 5 ±0,05 ±0,05 ±0,024 ±0,024 ±0,05
Дифференциальная нелинейность, % ±0,0015 ±0,0015 ±0,0008 ±0,0008 ±0,0015 ±0,0002 ±0,0002
Нелинейность, % ±0,003 ±0,003 ±0,0015 ±0,0015 ±0,0015 ±0,0002 ±0,0002
Время установления, мкс 5 20 5 20 2,0 (тип) 8
Температурный коэф. смещения, мкВ/°С ±15 ±5
Температурный коэф. дифференциальной нелинейности, 1-10-6/°С ±1 ±1 ±1 ±1 ±0,5 ±1
Температурный коэф. нелинейности, 1-10- 6/°С ±1 ±1 ±1 ±1 ±0,5 ±0,5
Диапазон температур, °С -60 ■ 85 -60 ■ 85 - о ■I- 8 5 - о ■ 8 5 4 0 ■ 8 5 - о ■ 8 5 -60 ■ 85
Рисунок 2 - Принципиальные электрические схемы ЦАП с выходом по току (а) и напряжению (б)
При производстве прецизионных гибридных ЦАП необходимо применение специального метрологического оборудования, имеющего метрологические характеристики на порядок лучше, чем характеристики измеряемых изделий. В связи с этим на предприятии в этом году была завершена разработка установки измерений статических параметров ГИС 16, 18 разрядных ЦАП «УИСП-7 0» и атте-
стата измерения статических параметров прецизионных ЦАП. Данная установка разработана для
замены установки разработки 80 - х годов прошлого столетия, технически и морально устаревшей, обеспечивающей измерения параметров 16 разрядных ЦАП, а также для обеспечения измерения параметров 18 разрядных ЦАП. Новая установка разработана на современной элементной базе, с использованием современной вычислительной техники и современных программных продуктов. Общий вид разработанной установки представлен на фотографии (рисунок 3).
Рисунок 3 - Общий вид установки измерения статических характеристик ЦАП «УИСП-7 0»
Функционально установка состоит из трёх частей: измерительного блока, контактирующего
устройств и персонального компьютера.
Структурная схема стенда представлена рисунке 4.
«УИСП - 7 0» позволяет выполнять измерения
параметров изделий как в нормальных условиях, так и при помещении измеряемых изделий в термокамеру. Для этого стенд подключается к контактным устройствам через устройство подключения.
Измерение параметров изделий блок измерений выполняет автоматически под управлением компьютера, входящего в состав установки. Подключение компьютера выполняется через модуль интерфейсный (входит в состав блока измерений), который реализует гальваническую развязку между компьютером, измерительной схемой и схемой управления ГИС ЦАП.
Контроллер ЦАП устанавливает напряжения питания, напряжения логических уровней, полярность опорного напряжения по командам, полученным от компьютера, в соответствии с требованиями ТУ на измеряемый тип ГИС ЦАП, а так же обеспечивает измерение токов потребления измеряемого ЦАП.
Контроллер АЦП обеспечивает работу узлов измерительной схемы. Коммутатор обеспечивает подачу на вход измерительного АЦП напряжения нуля и опорных напряжений, что позволяет выполнять калибровку измерительного тракта, а так же выходной сигнал измеряемого ЦАП. Контроллер принимает выходные данные АЦП для передачи их в компьютер. Компьютер производит окончательную обработку данных и вывод результатов.
Рисунок 4 - Структурная схема установки
Рисунок 5 -
Все операции подготовительные, измерительные и обработка данных осуществляются через компьютер, он также осуществляет статистическую обработку результатов измерений. Управление операциями выполняются через главное меню.
Проведена метрологическая аттестация разработанной установки.
Пределы допускаемой относительной погрешности измерения дифференциальной нелинейности ELD в заданной точке характеристики преобразования не более, %:
в диапазоне от минус 0,01 % до 0,01 % от
полной шкалы ±0,0001;
в диапазоне от 0,01 до ±0,05 % от полной
шкалы ±(0,02ELD +0,0001).
Главное меню
Пределы допускаемой относительной погрешности измерения нелинейности ЕЬ в заданной точке характеристики преобразования не более, %:
в диапазоне от минус 0,01 % до 0,01 % от
полной шкалы ±0,0001;
в диапазоне от ± 0,01 % до ±0,05 % от полной шкалы ±(0,05EL + 0,0001).
Пределы допускаемой относительной погрешности измерения погрешности преобразования в конечной точке ЕО в диапазоне от минус 0,02 % до 0,02 % не более, % ±0,005.
Пределы допускаемой относительной погрешности измерения погрешности коэффициента преобразования Ео в диапазоне от минус 0,2 % до 0,2 % не более, % ±0,002.
Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения напряжения смещения нуля иоо в диапазоне от минус 10 мВ до 10 мВ не более, мкВ ±(0,0005 * иоо +10 мкВ).
Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения тока смещения нуля 1оо:
в диапазоне от минус 20 нА до 20 нА не более, нА ± 2;
Таблица 2
Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения токов потребления 1сс по цепям питания 15 В, минус 15 В и 5 В в диапазоне от минус 40 мА до 40 мА, не более, мА ± (0,015 * 1сс + 10 мкА).
УИСП-7 0 обеспечивает подачу на измеряемую ГИС ЦАП напряжений питания иСС1 = 15 В, иСС2 = -15 В, иССЗ = 5 В в диапазоне ±10% с относительной погрешностью не более, % ± 0,5.
Установка обеспечивает возможность независимых изменений напряжений питания исс с дискретностью 5 %.
Установка обеспечивает подачу на измеряемую ГИС ЦАП опорных напряжений ШЕЕ 10 В или минус 10 В с относительной погрешностью не более, % ± 0,1.
Установка обеспечивает подачу на измеряемую ГИС ЦАП уровней логического нуля "0" в диапазоне от 0,1 В до 0,8 В и логической единицы "1" в диапазоне от 2,4 В до 5,0 В.
Другие технические характеристики
Установка обеспечивает вывод протокола полученных результатов измерений в текстовый файл на жесткий диск компьютера, или на бумажный носитель через принтер, подключаемый к компьютеру.
Изоляция между цепью питания и зажимом «^» выдерживает в нормальных условиях применения в течение 1 мин действие испытательного напряже-
в диапазоне от минус 800 нА до 800 нА не более, нА ± 10.
Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения выходного тока 1БКИ ЦАП с выходом по току в диапазоне от минус 4 мА до 4 мА не более, мА ± 0,04.
Результаты измерений выводится на экране в виде таблицы 2
ния переменного тока частотой (50 ± 1) Гц, действующее значение которого 1500 В.
Сопротивление изоляции между цепью питания 2 2 0 В и з а жи м о м « ^ » б л ока измерения не менее
2 0 МОм.
Максимальная мощность потребления от сети электропитания во время измерения - не более
300 ВА.
Время установления рабочего режима - не менее 1 ч.
Среднее время наработки на отказ - не менее
4000 ч.
Средний срок службы измерителя - не менее 8 лет.
Продолжительность непрерывной работы установки без времени установления рабочего режима не менее 8 ч. Время перерыва до повторного включения не менее 1 ч.
Габаритные размеры и масса блока измерений:
длина, не более 54 0 мм;
ширина, не более 52 0 мм;
высота, не более 17 0 мм;
масса, не более 15 кг.
Установка внедрена в производство ГИС ЦАП в НИИ электронно-механических приборов.
Проводятся работы по включению УИСП-7 0 в Государственный Реестр измерительных средств.