（微电子学与固体电子学专业论文）ptcr参数测试虚拟仪器系统研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 p t c r 材料的主要性能参数的确定，对其理论研究和实际应用都有十分 重要的意义，本文以p t c r 性能参数测试仪器技术为研究内容，根据虚拟仪 馨的发展趋势。预测了虚拟仪器在p t c r 测试领域的作用和发展前景。从 i r i c r 测试规范出发，比较详细地论述了p t c r 几种常用的特性测试方法及 仪器原理，并结合当今新的技术对零功率电阻、电流时间特性、恢复时间、 残余电流等测试方法进行了探讨，提出了新的、计算机自动测试设计方案。 捷出了用交流半波脉冲替代直流脉冲进行零功率伏安特性测量的方法。从拓 矜结构的角度出发，提出p t c r 参数综合测试虚拟仪器的构成形式。 在p t c r 综合测试仪系统结构设计中，分模块论述了设计方法，讨论了 盹机并行口的性能特点，及对整个系统进行控制的方案。借次提出使用译 码器构成单控制总线的思想，并在系统中实现了应用，提高了抗干扰能力， 简化了电路结构。文中对一些比较先进的集成电路的主要特性、应用理论方 法进行了讨论。、 为了提高仪器系统的抗干扰能力和可靠性，文中运用电磁兼容的思想， 缔合p t c r 综合测试仪的设计，从理论和实际两方面，讨论了干扰源、干扰 的传播和抑制方法。f 阐述了接地设计的重要性，e g 容器在电路应用的必要性 和p c b 噪声抑制设计方法。用隔离方法设计了系统中几部分之间的关系，系 绕与计算机之间的关系。电磁兼容设计使整个系统工作协调。) 矿7 虚拟仪器的关键是软件，论文以模块化的方法，分别对仅器界面模块、 骡动程序模块、功能模块进行了讨论和设计。设计了包括单总线驱动、开关 拽制、a d 转换控制、d a 转换、5 0 t t z 同步检测、测量电压量程自动切换、 滴试电源电压设定、放大器增益设定、p c 机软件计时等在内的驱动函数软 件同时对交流信号离散采集算法、直接波峰搜索算法求电流一时问特性等 箕 去进行了探讨。论述了程序蕉块化的可扩展性问题。指出了软件单功能的 形式及功能组合的方法。7 。 本文从实际测试结果中，着重分析了交流半波脉冲和短时间脉冲，在零 功率伏安特性测试中区别。讨论了交流半波脉冲零功率电阻的取值、分析方 法，对比了不同电压脉冲和单个电压脉冲作用下的p 丁c r 电阻值变化的结果， 该方面的内容是首次以这种方式研究，对电压效应的测试方法和分析p t c 机 理方面有一定的意义。论文总结了p t c r 参数虚拟测试系统的硬件指标和软 件瘦拟的功能。 耀词：虚拟仪器，p t c r 参数。拓扑结构，电磁兼容，计算机接口，单 控剿总线，驱动软件。 蛾“ 越： 娃i 一 华中科技大学博士学位论文 s t u d y o nt h ev i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m f o rp t c rp a r a m e t e rt e s t i n g d e t e r m i n a t i o no ft h ep r o p e r t i e so fp t c r m a t e r i a l si sv e r yi m p o r t a n tf o r t h e i rt h e o r e t i c a ls t u d ya n da p p l i c a t i o n 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t s o u rs t u d i e so n t h et e c h n i q u ef o rap t c r p r o p e r t yp a r a m e t e r - t e s t i n gl n s t r u m e n t b a s e do nt h e d e v e l o p m e n tt r e n do f v i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) ，w ep r e d i c tt h e i ra p p l i c a t i o na n d f u t u r ep r o s p e c t f r o mt h ep o i n to fp t c rt e s t i n gs t a n d a r d ，s e v e r a lc o l n n l o np r o p e r t yt e s t i n g m e t h o d sa n dt e s t i n gd e v i c e sa r ed i s c u s s e d t h et e s t i n gm e t h o d s ，i n c l u d i n gz e r o p o w e rr e s i s t a n c e ，e l e c t r i cc u r r e n tt i m ec h a r a c t e r i s t i c ( i - t ) ，r e c o v e r i n gt i m e ，a n d r e s i d u a lc u r r e n t , a r ed e s i g n e dw i t ha d v a n c e dt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e ra i d e d m e a s u r i n gs c h e m e i na d d i t i o n ，w ep r o p o s ean e w z e r op o w e r c o n s u m p t i o nv - i c h a r a c t e r i s t i c sm e a s u r i n gm e t h o db yr e p l a c i n gd cs q u a r ew a v ep u l s e 、i t l la c h a l fs i n ew a v ep u l s e ( 5 0 h z ) n 圯v i r t u a li n s t r u m e n ts t r u c t u r ef o ra l lp a r a m e t e r s o f p t c ri sd e v e l o p e di nt h ev i e w p o i n to f t o p o l o g i c a ls t r u c t u r et h e o r y d e s i g n i n gm e t h o d sf o r e a c hm o d u l ef o rm u l t i - p u r p o s et e s t e ro fp t c r p a r a m e t e r a r ed i s c u s s e d f o ri t ss u p e r i o r i t yo fi n t e r f a c eo fp c p a r a l l e lp r i n t e r , s o j ti sa c t e dc o r eo fa l lo ft h es y s t e m w ep r o p o s eam e t h o dt oc o n s t r u c t1 - w i r e c o n t r o l l i n gb u sb yu s i n ge n c o d e r s t l l i sm e t h o di si m p l e m e n t e di nt h es y s t e m w h i c he n h a n c e st h e s y s t e ma n t i d i s t u r b i n ga b i l i t y a n d s i m p l i f i e s i t sc i r c u i t s t r u c t u r e n 圯m a i n l yp r o p e r t ya n da p p l i e dm e t h o do fs o m ea d v a n c e di ca r e c a n v a s s e di nd e s i g no f t h ec i r c u i t i i it l l i sd i s s e r t a t i o n 。也c e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) t h e o r yi s a p p l i e d t oe n h a n c e a n t i - d i s t u r b i n ga b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h ei n s t r u m e n ts y s t e m 1 1 1 ed i s t u r b i n gs o u r c e s ，d i s t u r b a n c ep r o p a g a t i o na n di t sr e s t r a i n i n gm e t h o da r e ， d i s c u s s e df o rb o t ht h e o r e t i c a ls t u d ya n dr e a l a p p l i c a t i o n t h ei m p o r t a n c eo f g r o u n d i n gd e s i g n , c a p a c i t a n c eu s e di nc i r c u i ta n dp c b n o i s er e t r a i n i n gm e t h o d a r ed e s c r i b e d n e r e l a t i o n s h i pa m o n gd i f f e r e n tp a r t so f t h es y s t e m a n db e t w e e n s y s t e ma n dc o m p u t e ra r ed e s i g n e du s i n gi s o l a t i o nt e c h n o l o g y t h ea p p l i c a t i o no f e l e c t r o n m g n e t i cc o m p a t i b i l i t ym a k e s w h o l e s y s t e mw o r k i n g i nb e t t e rh a r m o n y k e yc o m p o n e n to ft h ev i l t l l a li m m a n e n ti s s o f t w a r e t 1 1 i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n td i s c u s s i o na n dd e s i g n a t i o no fs y s t e mm o d u l e s ，i n c l u d i n gt h ei n s t r u m e n t p a n e lm o d u l e ，d r i v e rp r o g r a mm o d u l e ，a n df u n c t i o nm o d u l e w bh a v ed e s i g n e d d r i v e rp r o g r a m sf o rl - 、v i r eb u sc o m m a n d ，r e l a ys w i t c hc o n t r o l ，a d ca n dd a c e o n 订o l ，s y n c h r o n i z e dw i t h5 0 h z ，i n p u tv o l t a g er a n g i n g ，o u t p u tv o l t a g es e t t i n g ， 华中科技大学博士学位论文 g i i ns e t f o rp g a ，a n dt i m ec o u n t e rb yp cs o m v a m w ja l s oa p p r o a c ht h e a l g o r i t h m sf o rc h a n g ea c s i g n a la m p l i t u d ei n t or o o t m e a n - s q u a r e ( r m s ) d i r e c t s q 陋r c h i n g f o r p e a ka m p l i t u d e i nc u r r e n tc u r v ei tc h a r a c t e r i s t i c s 1 1 1 e e i t e n d i b i l i t y o ft h em o d u l ep r o g r a m ，s i n g l ef u n c t i o na n dm u l t if u n c t i o no f s e f t w a r ea r es t u d i e d f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ea n a l y z et h ed i f i e r e n c e si nz e r op o w e r e l ! r e s u m p t i o nv - i c h a r a c t e r i s t i c st e s t i n gb ya ch a l f s i n ew a v e p u l s e ( 1 0 m s ) a n d s h o r t 咖e ( 2 m s ) a n dd i s c u s s v a l u es e t t i n ga n d a n a l y s i sm e t h o d f o ra ch a l fs i n ew a v e p i l s ez e r op o w e rr e s i s t a n c e n i er e s u l t s o fd i f f c r e n tv o l t a g ep u l s ea n ds i n g l e v o l t a g ep u l s ea r ec o m p a r e d n ep r o p o s e dm e t h o dm a yb es i g n i f i c a n tf o rt h e v o l t a g ee f f e c t i v et e s t i n gm e t h o da n dp t cp r i n c i p l ea n a l y s i s b a s e do nt h ea b o v es t u d y , t h eh a r d w a r ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f v t r t u a li i l s 仃啪e n tf o rm e a s u r i n go fp t c r p a r a m e t e r sa n di t sv i r t u a lf u n c t i o na r c p 靶s e n t i nt h ee n do f t h i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：p t c rp a r a m e t e r , v i r t u a li n s t r u m e n t ，t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ， e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) ，p ci n t e r f a c e ，1 - w i r ec o n t r o lb u s ，d r i v e s o f t w a r e 1 ：端镕豁4。，凇 华中科技大学博士学位论文 1绪论 1 ，1 仪器仪表国内外现状及地位 仪器仪表是人类认识自然和改造自然的有力工具，涉及到国民经济的各 行各业。著名科学家王大珩院士论述道川：“仪器仪表是标志现代高新技术 j j t 展的一项前沿科技领域；是实现产业技术改造和技术更新的重要组成部分； 是进行现代科学技术研究和发展的必备技术支柱；是实施产品质量监督与管 理的有力物质保证”。从获得诺贝尔物理奖的统计来看，百分之五十得益于 仪器或测试手段的发明创造，【”。清华大学教授殷纯永发表论文：“没有测 量就没有科学”，仪器科学与技术的领先程度决定了科研和生产的先进程度 和竞争能力，它的发展水平也关系到国家的安全p j 。 1 1 1 、社会对测试仪器的要求 现代技术的发展，多学科技术的交叉综合运用，管理工作的计算机化、 两l 络化，使传统的测试方法、测试目的、测试过程、测试结果的管理等观念 发生了变化【4 】o 1 测试、数据采集、控制之间的界限日趋模糊； 2 测试、维护、诊断、修理、数据处理管理一体化的呼声日高； 3 对研制设计、生产制造、使用维护、库存维修等各环节一体化日趋 迫切； 4 对测试的现场化、远地化、网络化和对测试系统的自校准、自诊断、 自感知提出了新的要求。 测试仪器在某种程度上反映某个领域的发展状况，传统测试仪器越来越 不能满足时代的要求，主要有如下几点： 1 要求测试仪器不仅能单独测几个电量，而且具有控制通道和数据交换 通道能力，以便完成对多个参量测试后。及时处理。 2 微处理器和d s p 技术的飞速发展以及价格的不断降低，改变了传统的 电子设计概念，原来许多由硬件完成的功能现在逐步由运行在微处理器或 d 费芯片上的软件来完成( 如i s p i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) 。 ，良好人机界面的要求促进了传统测试仪器的改造。 i 微计算机的广泛使用，给基于微计算机的测试仪器提供了巨大的市场。 1 1 0 、虚拟仪器的发展 7 0 年代后期以来，随着微处理器的出现及其在各行各业的广泛应用， 给仪器仪表领域也带来了一场技术革命，自动测试系统迅猛发展，到如今， m 潮随燃剥；姒凇# 酸 濂鬣纛。 华中科技大学博士学位论文 ! ! ! ! 墨墨苎皇! 皇! il 搴皇暑! 暑! 鼍竺竺苎! 皇竺皇墨= 詈! 烹! 甍竺竺= 苎竺! 主要有三个阶段p j ： 1 仪器通过专用接口与仪用计算机相连接，组成自动测试系统，此为 第一阶段； 2 第二阶段是智能仪器r ( i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ) ，把微处理器放入仪器内 部，通过内部接口把测试部件与计算机连接起来，此时，仪器以通信方式与 外部计算机相接成自动测试系统； 3 第三阶段是个人仪器( p e r s o n a li n s t r u m e n t ) ，一台计算机控制多个仪 器插件，相互通过计算机总线连接。这种仪器结构经历了台式、框架式到现 在的模块式结构。特别是9 0 年代以来，v x i ( v m eb u s e x t e n s i o nf o r i n s t n m l e n t a t i o n 。p c 仪器的一种标准产品) 的迅速发展，又出现了新的概 念虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 。虚拟仪器是在智能仪器的基础上发展起 来的，但在性能特点上又有新的飞跃。 我们使用的仪器设备一般有生产厂商所定义的，具有固定功能的单个设 各，例如电压表、示波器、数据记录仪等，不具有由用户自定义的灵活性f 6 j 。 1 1 3 、虚拟仪器的特征 虚拟仪器就是加在通用计算机上的一组软件或，和硬件，使用者操作这 台计算机就象是操纵一台他自己专门设计的传统电子仪器p j 。 虚拟仪器的实质是将计算机资源( 处理器、存贮器和显示器等) 和仪器硬 件( a d 变换器、d a 变换器、数字输入输出、定时和信号处理) 与用于数 据分析、过程通讯及图形用户界面的软件有机地结合起来，以实现对检测信 息进行提取、加工、处理与存贮，甚至具有辅助专家推断分析与决策的能力。 不同的仪器仅以模块或插件的形式，作为p c 的附加外部设备而包含在p c 内部或其扩展相箱中。随着插件性能的提高，通用程度的提高，设计仪器由 传统的机架层迭代，变为软件设计组合p j 。 虚拟仪器利用虚拟面板技术和功能强大的处理软件，由一台虚拟仪器可 以模拟多台传统仪器随着计算机软件技术( 特别是面向对象技术) 和多媒体 技术的迅猛发展，虚拟仪器将被越来越多的行业所接受，其应用范围将日益 扩大i s 有人曾经把基于微计算机的仪器十分形象地概述为”软件即设备 ”f t w a r ei si n g 瑚c n t ) 唧，在共同的标准下，使用不同厂商的应用软件及模 块化功能硬件毫无障碍构设自己的测试方案已不是遥远的事，而用户需要做 的事仅仅是运行磁盘中的几个程序i lo 】。比较有名的软件如：l a b v i e w ， l a b w i d o w s 等唧l a b v i e w 是n a t i o n a li n s 仉u n c n t 公司开发的软件，它提 供图形开发调试和运行程序的集成化环境。它是基于c 语言用来进行数据 采集和控制、数据分析和数据表达的 虚拟仪器的典型体系结构如图1 1 所示。主要由一系列硬件( 如现场总 一! ；妇瓣穑漱酸：激囊戳i l 鼗搂黪越囊蕊 华中科技大学博士学位论文 设备、数据采集接口、通讯接口等) 、软件( 如工业自动化软件、测量与 析软件( l a b v i e w 、v i r t u a lb e n c h ) 等) 、p c 机或工作站组成。 测控对象 l f lf 现v x i 由 信号其 场行 调理它 总仪 口 接 线仪数据 口 设 器器采集仪 备电路器 iil 厂 l p c 机工作站 i ll _ i t 自动化软件 溅匿与分析软件 专蘸严 b r d g ev i e 肿l a bv i e w l o o k o u t l a bw i n d o w s 一一- v i r t u a lb e n c h 一一一 i - 图卜1 虚拟仪器体系结构 虚拟仪器是一个新兴的产业，到目前为止还没有制定一个统一的标准。 峨拟仪器又是一个极有潜力的产业，除了发展对此要求的原因外，就目前 藕；毛，我国的许多科研单位、大学、生产部门还是传统的测试仪器占主导地 饯微计算机与测试仪器基本上还处于互不相关的状态。有一大批陈旧的测 两仪器等待改造和更新，性能价格比越来越高的虚拟仪器无疑对广大用户有 默的吸引力【l l 】【1 2 1 。 1 。2 国内外p i e r 测试技术简况 功能材料由于其具有力、声、光、热、电、磁、化学和辐射等特性，而 倍爱人们的青睐，p t c r 是典型的例子。p t c r 材料的主要性能参数的确定， 是与材料的应用密切相关的。从收集到的研究文献来看，主要有：温殿忠等 k鞲分； 华中科技大学博士学位论文 的“p t c 电阻热耗实验仪”研究( 1 9 9 7 年) ，付明等“p t c r 恢复时间测试 仪”( 1 9 8 8 年) 、周东祥等“限流用p t c r 耐雷电波仪的研制”( 1 9 9 8 年) 、 李银祥等“p t c r 残余电流测试仪”( 1 9 9 9 年) 、姜胜林等“冰箱马达启动 用p t c r 综合测试系统的研制”( 2 0 0 0 年) 、董浩斌等“全自动p t c 电流一 时间特性测试仪”( 2 0 0 1 年) 、潘武飞等“耐电压自动测试”( 2 0 0 1 年) 。 从上述结果来看，只有姜胜林等进行了p t c r 综合参数测试研究，使用单片 机控制数据采集，以达到一些功能。从市场上来看，p t c r 的测试仪器仪表， 不管是国内，还是国外产品都很少见。主要有华中科技大学电子科学技术系 长期进行这方面的研究，在p t c r 测试仪器仪表的开发、研制方面处在前列 水平。总的来看，目前，p t c r 测试仪器仪表多为单一参数，且自动化、智 能化水平不高。抗干扰能力差。许多仪表靠人工操作、人工记录数据，人工 绘制图表或输入计算机再处理。 如果研制出这样的系统：配有一定驱动功率的可控电源、一定速度的 a d 、d a 器件、多路切换开关( 强电、弱电都有，实际上就是达到一定的 测试p t c r 的工位数) 、一定精度的可控温度源等硬件。对p t c r 不同参数的 测试。只需要变化软件，在计算机屏幕上就可实现，而不需要更换不同的仪 器。这就是本课题研究的目标p t c r 参数测试虚拟仪器。 1 3 虚拟仪器在p t c r 测试技术应用前景预测 现在，我国的测试技术水平相对发达国家差距较大。计算机的应用、通 讯、网络技术的应用属起步阶段；测试、维护、诊断、修理、数据处理管 理一体化的还有大量的研究课题。 就p t c r 材料测试而言，其主要的性能参数分为电阻温度特性、电 压电流特性和热特性。与这些性能相关的物理量有：电压、电流、电阻、 温度、压力和时间( 频率) 等，这些都是工业标准的物理量测量，这些标准 给虚拟仪器在p t c r 测试领域的应用提供可能性。但是，p t c r 的测试还有一 些特殊的条件要求，如零功率、高功率激励源( 几百伏、几十安) 、稳定的 温度环境等。正是这些特殊要求，使得工业标准的测试仪器仪表不能直接地 应用于p t c r 的测试，同时给虚拟仪器应用于p t c r 测试提供了研究的余地( 这 也是因为虚拟仪器是一个新兴的产业，到目前为止还没有制定一个统一的标 准，也不能直接引用) 。可预见，开发、研制p t c 参数虚拟测试系统，符 合测试发展潮流，也是市场需要 1 p t c r 规模生产的需要 自从p t c r 投入应用以来，范围不断扩大，应用领域不断拓宽。从7 0 年代初开始，国内不少的科研院校开展了p t c r 的研究工作。随着国民经济 的发展，特别是随着彩电、冰箱、电话等高档次的家用电器和汽车等产品的 i 邃鏊娥斌懑簸鋈蕊妻箍塞鑫巍鬟。i 华中科技大学博士学位论文 暂及，对p t c r 元件的需求猛烈增长，年需求量约1 亿只左右。在市场经济 的刺激下，生产p t c r 的工厂、车间如雨后春笋般地涌现。所以，p t c r 的科 研、生产迫切需要效率高、自动化程度好、功能多、便于维护的测试系统。 2 p t c r 理论研究的需要 本课题所涉及的功能材料的测试是指材料性能表征技术。研究表明， l l a t i 0 3 陶瓷的p t c 特性与晶界有很大关系，尤其是晶界的分布、结构和成分。 还有晶粒尺寸对性能也有很大的影响。这些影响因数是可通过某性能参数来 囊征的，通过测试获得真实、有效的p t c r 的参数，可为理论研究提供佐证。 3 p t c r 产品质量控制的需要 ：虽然p t c r 已开始大规模的应用，但其理论研究仍然十分活跃，新的实 肇现象不断发现，新的观点不断提出。有的参数从理论上难以控制，不能定 量地指导生产，为此，p t c r 的生产，通过测试仪器来控制质量。 l4 本论文所做的工作 本课题将以b a t i 0 3 陶瓷p t c r 为基础，研究p t c 参数测试虚拟仪器的模 趸：为推广至其它功能材料测试作准备；研制仪器样机并用于实际测试；发 表相关论文。 1 z4 1 、p t c r 参数测试虚拟仪器模型的研究 徽组成确定：控制核心模块( 工控机) 输出模块( 有数控电源、高低压输出、多路开关，波形输出) 输入模块( 包括a d 、开关量的输入等) 控制模块( 主要是温度控制、开关控制等) 通讯模块 参数设置：输出电压：1 5 0 0 v ( 交流、直流或脉冲根据需要调整) ， 输出电流：o 一5 0 a 输入：电压i o v ( 根据需要调整) ，通道可扩展 鏖拟功能：测试功能计算机屏幕选择，数据、曲线屏幕显示，主要有： 不同测量电压下零功率电阻一温度特性测量( 零功率伏安特性测量) 静态伏安特性测量 ；电流一时间特性测量 耐压特性测量 完成自动温度控制 计算与电压、电流、温度相关的参数 故障诊断功能 可扩展其它功能 华中科技大学博士学位论文 1 4 2 、本论文所研究的内容 1 虚拟仪器模型的提出，模块研究、硬件设计。 2 ，电磁兼容设计问题。 3 控制算法的选取、参数的模拟计算。 4 数据滤波算法问题，干扰的软件处理。 1 4 3 、本论文的安排 本论文为七章，主要内容包括： 第一章绪论，阐述了国内外仪器仪表的地位、作用和意义；虚拟仪器的 发展：从p t c r 测试技术发展和需求，引出了本论文研究的主要内容；预测 了虚拟仪器在p t c r 测试领域的应用前景，给出了研究内容和目标。 第二章从p t c r 测试规范出发，比较详细地论述了零功率电阻的测量； 阐述了全自动电流时间特性测试仪的设计；提出了用交流半波脉冲替代直流 脉冲进行零功率伏安特性测量的方法；对恢复时间、残余电流等测试方法进 行了新的设计探讨；最后，从拓扑结构的角度出发，提出p t c r 参数综合测 试虚拟仪器的构成形式。 第三章从p t c r 产品综合测试仪系统结构开始，分模块进行了论述；讨 论了设计方法，提出了使用译码器构成单控制总线的思想并在系统中实现了 应用，提高了抗干扰能力，简化了电路结构。文中对一些比较先进的集成电 路的主要特性、应用理论方法进行了讨论，是整个硬件设计的系统总结。 第四章从电磁兼容的角度，结合p t c r 综合测试仪的设计，从理论和实 际两方面，讨论了干扰源、干扰的传播和抑制方法；阐述了接地设计的重要 性，电容器在电路应用的必要性；用隔离方法设计了系统中几部分之间的关 系，系统与计算机之间的关系电磁兼容使整个系统工作协调 第五章以虚拟仪器软件设计方式，模块化的方法，分别对仪器界面模块、 驱动程序模块、功能模块进行了设计。同时对程序模块的可扩展性问题进行 了讨论。最后说明虚拟仪器软件功能的形式几功能组合的方式。 第六章总结了p t c r 参数虚拟测试系统的硬件指标和软件能达到的功 能。从实际测试结果中，着重分析了交流半波脉冲和短时间脉冲，在零功率 伏安特性测试中区别讨论了交流半波脉冲零功率电阻的取值、分析方法， 对比了不同电压作用和单个电压脉冲作用的结果，该方面的内容是首次提出。 对电压效应的测试方法和分析f r r c 机理方面有一定的意义。 第七章对全文进行了总结，提出了迸一步研究的问题 附录部分主要介绍相关仪器驱动c 语言函数。 j ， 臻潮哦巍 蓉黼蘧舔强懑镕建菇省。夸一；一 华中科技大学博士学位论文 2p t c r 测试理论及测试仪器拓扑结构 之1p t c r 材料的主要性能参数及主要测试仪器 p t c r 材料的主要性能参数的确定，是与材料的应用密切相关的。从这 一点出发，把p t c r 材料的主要性能参数分为电阻温度特性、电压 电流特性及熟特性。所有的p t c r 测试仪器都是围绕这三大特性进行，是从 巾派生出来的。但实际研制和生产中为检验产品性能和控制质量，对p t c r 进行相关的参数测试。 国家制订有相关的行业标准，如“通信设备电流保护用正测度系数 ( p t c ) 热敏电阻器技术条件”对有关术语和相应的测试方法进行规定1 1 3 】。 一般p t c r 的测试是根据规范和市场需要而设计。目前市场主要有下几类仪 器： 1 阻温特性测试仪：即不同温度条件下，零功率电阻的测量； ”2 不动作特性测试仪； 3 过流动作特性测试仪器； 4 恢复时间测量仪器； 5 耐工频电流( 或电压) 能力试验仪器。 根据测试的参数，将仪器分为衙要温度源和不要温度源两大类。 表2 - 1 是原湖北中邦电子有限公司生产的仪器【1 4 l ： 表2 - 1 、湖北中邦电子有限公司部分p t c r 测试仪器 通讯用彩电消磁马达启动 1 动作时间1 电流参数1 恢复时间 2 不动作电流2 耐电压测试2 耗散功率 3 工频电流冲击 4 耐电压测试 5 冲击电流( l d b ) 另外，伏安特性测试仪、残余电流测试仪也是常用仪器。 盛耧赢盎掘。蕊矗t 姑 i ， 罐“矗。 华中科技大学博士学位论文 i i i i i i i i i i i i i 2 2p t c r 测试规范及测试仪拓扑结构 根据中华人民共和国通信行业标准y d 厂r 7 4 1 - 9 5 通信设备过流保护用 正温度系数( p t c ) 热敏电阻器技术条件对有关p t c r 的技术术语、测试 参数和测试方法等作了规定。作为p t c r 测试仪器设计，必须对此有较深的 认识。 2 。2 1 额定零功率电阻( r 且) 耐冲击电流能力，耐工频电流能力，耐电压能力试验以及各项环境试验 后复测值容许范围，每组样品中自身的电阻变化率之极差6 ： 险二坠一纠2 0 i i 2 2 2 不动作电流( n o n - o p e r a t i n g c u r r e n t ) 不动作电流即额定电流( r a t e dc u r r e n t ) 或保持电流( h o l dc u r r e n t ) 指在 规定的时间和温度条件下，不导致p t c 热敏电阻器阻值超出规定范围的电 流。不动作特性( n o n - o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ) 的定义：在规定的时间和温 度条件下流过p t c 热敏电阻器的额定电流与其阻值之间的关系。 p t c 热敏电阻器在耐冲击电流能力，耐工频电流能力，耐电压能力试验 前，后都应进行不动作特性测试，并应符合表2 2 的要求。 轰2 - 2 不动作电流( t r 姨)9 01 1 0 1 3 01 5 0 温度( )4 0 2 通电时间( m i n )6 0 l r - r 。l 5 0 置。 表中r 按图2 1 用电压表测试样上电 压，用电流表测试样电流，从而得到 阻值，r n 为零功率电阻。不动作特性 测试电路拓扑结构如图2 1 所示。 图2 - 1 不动作特性测试电路韶扑结构 蕊潮幽戳溅锺酸；瓣嚣甄交如隧融。j 一 ， 华中科技大学博士学位论文 i i 2 2 3 动作电流( o p e r a t i n g c u r r e n to rt r i p p i n gc u r r e n t ) t 使p t c 热敏电阻器阻值里阶跃型增加时的初始电流定义为动作电流； 葡动作电流通过p t c 热敏电阻器时，电流由初始值降到下限值所经历时间 称为动作时间( o p e r a t i n g t i m eo r t r i p p i n gt i m e ) ：p t c 热敏电阻器的动作电流 与动作时间之间的关系，称为动作特性( o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ) 过流动作 特性测试拓扑结构如图2 2 。 图2 - 2 过流动作特性测试电路拓扑结构 测试过程为：先将开关s 置2 ，调整r l ，使电流符合动作电流初始值要 求，然后，将s 置1 ，用示波器记录凡( 1 q 左右) 点的电压波形( 即取样 电流) 。再读取电流从初始值降到规定值所经历的时间。 2 2 4 耐电压能力( o v e r - v o i t a g ew i t h s t a n d i n g ) 5 ；耐电压能力即p t c 热敏电阻承受规定的工频电压的能力；而p t c 热敏 哇鹕器承受规定的工频电流或冲击电流的能力称为耐电流能力( o v e rc u r r e n t w 融s t a n d i n g ) ，耐工频电流或电压能力试验电路拓扑结构如图2 3 。 图2 - 3 耐工频电流( 或电压) 能力实验电路拓扑结构 华中科技大学博士学位论文 2 2 5 恢复时间 试验电路拓扑结构如图2 - 4 所示。先将开关s l 置2 ，开关s 2 置1 ，调 整r l 使电流达到要求值。将开关s 1 置l ，持续通电3 0 s ；然后将开关s 2 置3 ，并开始计时，让试验样品自然冷却，测量其阻值恢复到额定零功率电 阻的2 倍所需的时间。 图2 - 4 恢复时间测量电路拓扑结构 2 3 p t g r 性能参数的测试方法及仪器 纵观国内的p t c r 材料发展过程。其经典著作不多，对p t c r 有关性能 测试的研究不多。从p t c r 三大特性来看，要测量的参数无非是电流、电压、 电阻、温度。但由于p t c r 的特殊性，所以测试方法和要求有些特别。尽管 在2 2 规范中提到有关测试方法，但那是原则，实际测试只要在此原则下都 可行，不过实现的方式不同而已。这里有必要将p t c r 有关特性的测量方法 结合当今的先进技术设计、讨论。 2 3 1 电阻温度特性的测量 2 3 i 1 零功率电阻测量问题 零功率电阻值的定义，是在某一规定温度下测量p t c 热敏电阻器的电阻 值，测量时应保持该电阻的功耗低到因其本身的功耗引起的电阻值的变化可 以忽略的程度为此p t c 热敏电阻器零功率电阻值的测量要考虑以下两个 方面的问题l l 剀： l 、测量电流引起的p t c 热敏电阻器温度的升高。应控制在可以忽略的 范围内； 2 、测量时应保证元件两端的电压为恒定值，以消除电压效应造成的误 澜赫醯燃弼囊叠敞4 溺瀛：i 一1 濒& 睡嚣蠹。 华中科技大学博士学位论文 差，电压效应定义是：在一定的温度下，p t c 热敏电阻器的零功率 电阻依测量的电压不同而异，这种现象叫做电压效应。 特别是当温度升高、电阻值发生阶跃变化时，应随时调整电压保持恒定 值。以免被测试p t c r 发热而超出零功率的规定。 ， 。p t c r 的零功率电阻值的常用测量方法有：电压表电流表法、欧姆 蓑法、数字欧姆表法、电桥法、分压法测量电路。就目前而言，使用数字万 。 用表欧姆档直接测量和分压法测量较多。 1 、数字万用表欧姆档测电阻原理 数字万用表多数是使用双斜积分式a d 转换芯片，如i c l 7 1 0 6 、 m a x 7 1 2 9 等。具有抗干扰的能力强、灵敏度高、准确度高、性能稳定等特 点( 1 6 l 【1 7 】，深受欢迎，应用越来越广。常用的数字万用表有3 1 陀位、3 3 4 位、4 1 陀位和5 位等，精度更高的有6 1 2 位、7 1 2 位，不过其价格昂贵， 布太适合于一般场合。目前常用的3 - 1 2 位、4 1 2 位及f i u k e4 5 的5 位双显 台式万用表等测量电阻原理基本一致，即比例法测电阻i l ”，如下图。 i r 0 r x 图2 - 5 数字万用表比例法测电阻原理图 被测电阻r ) c 与基准电阻硒串联后接在电源v + 和c o m 之间。参考电 压输入的v r e f + 与v + 相接，v a z r - 与测量电压输入端跗+ 相接，i n 与c o m 接衽。硒上的压降v 肿兼作基准电压，r x 上的压降v r x 作为输入电压v i n ， 设瓤过硒和r x 的电流为i ，关系如下： 。 生：堡：生坠：生 ，风r 对手3 1 ，2 位表，显示值为： ：鱼1 0 0 0 歉。蠢潮囊潼藏溺黔 凌躲；， 华中科技大学博士学位论文 式中：v r e f = v r o ，则：= 1 0 0 0 = 半1 0 0 0 r 凡 f o 当r x = r o 时显示值为1 0 0 0 ，r x = 2 r o 时满量程。改变硒的值，即可变测量 阻值的档位。由上式可见，测量值只与两个电阻的比值有关，而与参量电压 v r e f 的值无关，这就是比例法测量电阻的优势所在。 一般情况下，v + 到c o m 的之间电压 3 v ，有的档位 1 2 v 。可见是符 合零功率电阻测量的条件要求的。 2 、电压一电流法测量电阻原理 由于计算机的发展，对p t c r 自动测试系统要求越来越高，在测量电阻 方面，使用数字万用表法时，需要将数据自动传给计算机，这就要求数字万 用表具有计算机接口功能。再者，数字万用表多用双斜积分a d 转换技术， 速度较幔( 一般 1 0 次秒) 。为此，用计算机( 或微处理器或单片机) 控制 a d 转换芯片进行测量的方案已经被广泛使用。所以测量电阻一般采用电压 电流法【1 9 】，如图2 - 6 。 ，：堡 r o 矿= ，( r ，+ r o ) r ，一v r = ( v 一1 ) 。 图2 - 6 电压一电流法测量电阻原理图 测电流是通过与被测p t c r 串联电流取样电阻r o ，测其上的电压降， 换算成电流。为了保证覆盖p t c r 电阻几个级次的变化范围，r o 可取几个 不同级次的值，以保证测量电阻的精度。在选取择测量电压v 时，应考虑 零功率电阻的要求 从p t c r 测试要求来看，有两类，一类需要温度源，如阻温特性测试， 不动作电流测试，零功率阻温特性等。另一类不要温度源：如电流 时间，耐压、恢复时间等。笔者认为，在不需要温度源时，测量是在常温下 进行，这时p t c r 电阻值较小，测量电阻时可用定压恒流源进行测量，可消 i 女 筑潮畿麟垃i i d 鞋龌j 疆溶，。i 酶蠢越i 。j 。jj 华中科技大学博士学位论文 滁引线电阻接触电阻等以提高精度；而在高温时，由于电阻比较大，使用分 压法( 电压、电流) 测量为好，但测量稍为复杂。 2 3 1 2 阻一温特性测量的拓扑结构 阻温特性测试是p t c r 用途最广的测试，其关键是：一控温系统， 升