钽电容自动测试系统

　　钽电容器是一种较新型的电解电容器，自从五十年代问世以来，即以其优异的性能，如体积小、单位体积电容大(是铝电解的3倍)，漏电流少(钽电解要比铝电解小数量级)，工作温度范围宽和性能稳定可靠等特点，为各行各业广泛采用，随着电子设备需用量的不断增长，用量趋势递增，国际钽电容市场销售每年增长14％。随着电子设备需用量的极大增长，以及大规模集成电路的发展，钽电容的应用范围还将不断扩大。  

　　由于钽电容的优异性能及其应用范围的不断扩大，市场对高效率、高质量的钽电容进行老化试验和测试的自动测试系统有了迫切的需求。本钽电容自动测试系统与GB 7213-87(等效IEC384-15-84)《电子设备用固定电容器第十五部分：分规范非固体或固体电解质钽电容器》国家标准能紧密结合，目的是为了解决钽电容测试自动化，提高钽电容测试的可靠性，提高测试效率，减少人为差错，使钽电容测试水平在符合国家标准的基础上提供一种新的测试装置。而且，我们组建的钽电容自动测试系统全部采用自己研发的可程控仪器和系统软件，包括PCIGPIB总线控制接口板、(与PC机组建成GPIB,总线控制器)、可程控漏电流测试仪、可程控多路开关、LCR测量仪、被测件箱。

　　当今世界上基于PC的自动化解决方案的数量，正以每年20％的速度增长。这是因为越来越多的自动化任务，包括开环和闭环控制，运动控制等已经加入到典型的PC任务(如数据处理和人机界面)的范围内。通过将所有的功能集成于PC这个统一开放的平台上，可以减小安装空间和节省电缆，将复杂的通讯连接简单化。而钽电容自动测试系统就是利用PC的强大数据采集和数据处理功能，以及PC的大容量的存储空间，将复杂的数据记录传输至集中控制和处理单元。它还可以将非常复杂，容易出错的控制变得简单，准确。

　　国际上有很多测试总线，其中GPIB(General Purpose Interface Bus)总线(国外也有称为IEEE488总线，或IEC625,总线)是主要的并已获得广泛应用的总线之一，它实现了把世界上不同制造厂商生产的各种可程控仪器用专用电缆互连而组成总线式自动测试系统。国外已大量应用GPIB总线自动测试系统，国外的可程控仪器95％配置了GPIB接口，国内有很多测试设备也有GPIB接口或可改造成为带GPIB接口的仪器，这些资源正在有待于被激活，省钱省时地组建成基于GPIB总线的自动测试系统。

　　本系统能快速、准确地对40个钽电容在不同测试频率、不同测试电压、不同极化电压、不同测试温度的条件下进行容量、损耗和漏电流自动测试，以提高钽电容的测试效率和测试质量，避免了手工测试的误操作或数据记录的笔误。因此，本系统也可以推广应用测量铝电解电容等其它类型的电解电容器，可支持和带动电容器测试行业技术发展，本系统无论在生产厂家、科研部门或计量部门都可以应用，它也可以提升电容器生产和测量的技术，有显著的社会效益。

　　 一、钽电容自动测试系统的硬件系统组成

　　钽电容自动测试系统是一种基于GPIB总线的自动测试系统，包括GPIB总线和带有GPIB接口的可程控仪器。它是由插有PCI GPIB总线控制接口板的PC机1(以下简称GPIB控制器)、可程控漏电流测试仪2、可程控多路开关3、LCR测量仪4、被测件箱5和打印机6组成，GPIB总线分别连接GPIB控制器1、可程控漏电流测试仪2、可程控多路开关3和LCR测量仪4，可程控漏电流测试仪2连接可程控多路开关3，LCR测量仪4连接可程控多路开关3，被测件箱5与可程控多路开关3连接，GPIB控制器1又连接打印机6。

　　由于近年来PC机发展很快，主板不再装有ISA插槽，因此本系统GPIB控制器的特点是采用基于PCI总线的GPIB,总线控制接口板，具有听、讲、控等功能，符合IEEE488．2标准和SCPI协议，支持Windows 9X操作系统。至于PC机的配置，除主板需有空余的PCI插槽外，能满足运行Windows 98操作系统的硬件配置即可。

　　可程控漏电流测试仪用于测试铝、钽等电解电容器的漏电流，仪器内部有可程控直流电压源、可程控数字电流表和直流数字电压表。

　　本系统可程控漏电流测试仪的特点如下：

　　（1) 带GPIB接口，具有听／讲功能，GPIB接口符合IEEE488．2标准和SCPI协议，可以接收PC机命令，也可以将测量值发送给PC机；

　　（2) 漏电流仪的充电、测量、放电状态可程控切换；

　　（3) 充、放电时间可程控选择，有0．5、l、2、3、4、5、6、7、10、30、60~999s和手控共12档；

　　（4) 数字量显示、输出。极化电压、漏电流分别用四位数码管显示，极化电压的显示为0~200．0V一档，漏电流的显示分为99．99μA、999．9 μ A、9．999mA、99．99mA四个量程，自动跳档。

　　输出极化电压准确度：

　　0~50V 2％满量程±10字；

　　50V~200V 2％满量程±10字；

　　数字电压表准确度：

　　0~200V 1%满量程±10字；

　　数字电流表各量程准确度：

　　1%满量程±10字。

　　可程控多路开关、采用"NJ29可程控多路开关"，NJ29配备了五种不同的继电器插卡，基本满足不同用户对切换电压、切换电流、切换速度、切换通道数的需求，适用于组建以GPIB为总线的各种自动测试系统中。本系统采用二块高灵敏度卡，总共有80个通道，继电器触点为单刀双掷型，接触电势小于5μV，触点寿命1×106。

　　LCR测量仪采用"ZL5智能LCR测量仪"，ZL5的主要特点是基本测量准确度为0．05％、测试速度快达12次／s。为适应各种元件不同的测试条件，测试频率(12Hz~l00kHz)和测试电压(5mV~1．275V)都可以编程选择，四端测量技术(开尔文原理)的采用保证了测量连接线较长时ZL5也有很高的测量准确度，ZL5带有的GPIB接口和分选接口更是满足了组建自动测试系统及生产自动分选的需求，并可以以串联等效或并联等效电路的形式同时显示被测件的主量LCR及副量QDR的值。LCR测量仪为适应多种测试需要，提供了四种显示方式：被测件的实际值、LCR的百分偏差、LCR的偏差及料斗号。在本系统中，为了防止电解电容充放电后有残余的高压(大于60V的直流电压)损坏ZL5，在测量端增加了气体放电管，有效地保护了ZL5。

　　系统选用打印机的打印幅面为A3或A4尺寸，通用型的市售产品针式打印机或喷墨打印机，打印机接口可以是Centronix接口，也可以是USB接口。本系统组建时选用HPll20C喷墨打印机。GPIB控制器将各种数据进行采集处理后、可按预定的格式打印输出。

　　二、系统功能

　　钽电容测试的主要内容为：在多路开关的转换下，分别对40个钽电容的容量、损耗、漏电流进行测试，测试数据的存档和数据处理。

　　本系统的自动测试过程为：GPIB控制器上的系统软件通过GPIB总线向可程控多路开关发出命令，确定工作通道，向可程控漏电流测试仪发出命令，要它输出规定的极化电压，按设置的时间进行充电，并测量其漏电流值，再按设置的时间进行放电，然后向可程控多路开关发出命令，切换工作通道，向LCR测量仪发出设置测试频率、测试电压及测量容量、损耗等命令，PC机将各种数据进行采集处理、打印输出。

　　三、软件设计

　　目前，常用的编写自动测试程序的软件平台有VB，Lab Windows／CVI和Lab View等开发软件。VB具有易于联接组成大的应用程序以及通用性较好等特点。本系统采用VB6．0开发，系统软件与GB 7213-87(等效IEC384-15-84)《电子设备用固定电容器第十五部分：分规范 非固体或固体电解质钽电容器》国家标准能紧密结合，应用软件对可程控多路开关及可程控漏电流测试仪的控制命令符合IEEE488．2标准和SCPI协议，具有数据储存、编辑功能，并能与Excel文件相互转换，为测试数据的整理、分析与处理提供了方便。具有GPIB控制器功能的PC机是整个系统的。

　　系统测量开始首先进行登录，只有知道密码的工作人员才能进入系统进行自动测量或数据管理。登录以后，系统初始化时将系统设置为用户原先设置的系统内容：为漏电流仪设置极化电压、充放电时间、漏电流限定值；为智能LCR测量仪设置测量元件、测量电压、测量频率；为多路开关设置所要测量的通道号；用户输入的元件资料和标准值；仪器的GPIB地址等。

　　初始化完成后，系统进入主界面，此时可以进行人机对话，根据用户的不同需要，点击各个菜单系统、测量模式、仪器调零、数据管理、综合查询、系统设置和帮助。如果用户要对系统设置的内容做修改，可点击"系统设置"修改系统选项。系统设置完毕后，若要进行自动测试，共有三种自动测试模式可供选择。 点击"测试模式"，选择好自动测试模式后，程序进入自动测试界面，在此界面上部显示所有系统内容，用户如果确定后，可点击"测试"键开始自动测试：

　　自动测试程序1是进行漏电流和容量测量，程序先将多路开关切换到设置的漏电流通道号后，漏电流仪将设置的极化电压加到被测的钽电容两端，按设置的充电时间对钽电容进行充电，充电完毕后漏电流仪2测量钽电容的漏电流，接下来漏电流仪按设置的放电时间对钽电容进行放电，放电完毕后，漏电流仪测试钽电容两端电压，如果电压值大于系统设置的安全电压值时，系统将使漏电流仪对电容再次放电，当放电电压低于安全电压后，接下来，多路开关切换到LCR测量仪通道，LCR测量仪对该钽电容进行容量和损耗的测量，系统对所测得的数据按设置的要求进行处理和保存，并同时显示在测试界面上。完成这一过程以后，多路开关切换到下一通道，重复以上过程对一批(40个)电容器的漏电流、容量、损耗进行自动测量；

　　自动测试程序2是进行漏电流测量，其过程与程序l的前半段相同，先对钽电容充电，然后测量其漏电流值；

　　自动测试程序3是进行容量和损耗测量，其过程与程序1的后半段相同，先对钽电容放电，当放电后钽电容两端的电压值低于安全电压值后，测量钽电容的容量和损牦。 当漏电流值超出限定值，或电压值越，系统都会报警。系统在测试过程中，能自动显示和存储测试记录和所设置的参数，并按要求进行分析处理测试数据，在测试结果中将用黄色显示不合格项，结果一目了然。同时，系统还与ACESS、EXCEL相关联，将测试结果和参数保存到ACESS数据库和EXCEL工作簿中，以便用户对数据做各种处理。用户还可以根据各种设置的参数自如的查询历来的测试数据资料，并可预览或通过打印机按一定格式打印输出测试记录。

　　另外，系统在运行时还提供帮助菜单，使用户能方便地使用系统。

　　四、提高系统性能的主要措施

　　由于系统是通过可程控漏电流测试仪对钽电容进行充放电和测量它的漏电流值，而钽电容的容量和损耗是由智能LCR测量仪测量的，因此系统在自动测试过程中，通过NJ29可程控多路开关将钽电容两端切换到可程控漏电流测试仪的测试端或智能LCR测量仪的测试端，而这种切换是非常频繁的，系统要正常工作，就要求各仪器的测试端之间要彻底隔离，采用自动测试，本系统软件能严格控制操作时序，避免了人为操作错误。

　　由于可连续测量40路钽电容器，NJ29可程控多路开关要在被测钽电容器与可程控漏电流测试仪及智能LCR测量仪之间进行80路的切换，且系统带有外接航空插件，可供温控箱连接用，所以其连接线较多，引线误差较大，还有开关触点及接线端子的电阻、热电势的影响。因此，我们对系统的连接线全部采用屏蔽线隔离，并尽可能采用四端测量技术。另外，我们在对系统误差做大量的试验基础上，利用智能LCR测量仪的校零功能，用外阻抗适配器对系统引线误差进行校准，使系统引线误差的影响减到。

　　本自动测试系统在软件和硬件上都采取了提高可靠性设计的措施，以保护系统中的仪器不被冲击或损坏。由于钽电容器极化电压可达200．0v，若设置放电时间短，在电容两端电压较高时，切换到智能LCR测量仪去测容量和损耗时，就有可能将智能LCR测量仪损坏。因此，系统采用了在电容放电结束后再测电容两端的电压，由自动测试软件来控制，以确保电容器两端电压在切换到智能LCR测量端低于系统设定切换限制值。否则，令其再次放电或不让其进入测试容量小损耗的通道，以使仪器更安全可靠。在智能LCR测量端并联了气体放电管，以增加一层保护屏障，达到双重保护功能。

　　自动测试系统在测试过程中必然会有大量的测试数据产生，用户往往需要对这些数据进行二次加工，如存储、保存、检索和打印等。在设计自动测试系统时，不仅应考虑测试数据的准确性，更要考虑测试完以后数据二次加工的方便性。因此，用户除了直接从测试系统中得到数据外，还能与Excel文件相互转换，便于测试数据的整理、分析与处理。考虑到测试将会有大量的数据要保存，为了便于查询，用户可根据具体情况按一定的时间段或数据量将数据库导出保存，当要查询时，可将数据库导入进行查询。可根据委托单位、工程代号、测试日期等，以及组合条件进行查询。此外，系统软件还可进行误差修正，以提高系统的准确性。

　　系统采用以引导性、询问性为主的软件操作界面，以便于测试工作者操作。

　　五、结束语

　　钽电容器是一种量大面广的元件，它在电子、仪表、家电、通信、航天、信息等各行各业的使用越来越多。本系统的研制成功能满足钽电容器行业自动测试的需要，提高了钽电容器的测试效率和测试质量，具有广阔的市场前景。