一鍵式快速LCR參數測試及分析系統設計

引言

傳統測量測試儀器在科研、實驗、教學等方面應用十分廣泛，如無源元件的電感（L）、電容（C）、電阻（R）的各項參數測試就是由LCR數字電橋及相關配套設備來完成的。隨著科學技術的不斷發展，元器件也逐步向著工作頻率高頻化、測試參數多樣化方向發展。隨著元件需要測試參數的增多，由于手動操作傳統測量儀器存在的低效、繁瑣等缺陷，已無法滿足元器件生產企業對測試的要求。一種可由用戶自定義具有高效、靈活的虛擬儀器的出現，能夠很好解決這一問題。LabVIEW（Laboratory VirtualInstrumentation Engineering Workbench）是一種業界領先的工業標準圖形化編程工具，主要用于開發測試、測量與控制系統。它是專門為工程師和科學家而設計的直觀圖形化編程語言。它將軟件和各種不同的測量儀器硬件及計算機集成在一起，建立虛擬儀器系統，以形成用戶自定義的解決方案。由此借助LabVIEW平臺，結合儀器TH2826數字電橋，而設計出新型LCR參數測試系統。

系統組成

整個系統如圖1所示，由電腦、改制鼠標、腳踏開關、通信電纜、TH2826數字電橋組成。TH2826系列元件測試儀，其0.1%的基本精度、22種阻抗參數測試、20Hz～5MHz的頻率范圍可以滿足低EsR的電容器和高Q電感器等元件的測量。其標準配置的RS232C串行接口與電腦通信用來完成數據傳輸及儀器控制等任務。作為快速測試系統的組成部分，腳踏開關與改制鼠標（腳踏開關的常開觸點與鼠標左鍵微動開關并聯）配合完成一鍵式快速測試。

軟件設計

系統軟件主體架構是基于LabVIEW的標準狀態機設計模式，LabVIEW程序同樣也稱為虛擬儀器（VI）。以被測參數較多的電感元件為例，整個測試程序流程圖如圖2所示，由測試準備界面和系統測試界面組成。系統測試界面如圖3所示，其分為三個部分：儀器參數配置及實測數據顯示區、測試數量統計顯示區、測試數據分析區。

流程簡要說明

系統首先顯示測試準備界面，在此界面里輸入被測產品編號，輸入或選擇存儲測試數據的文件名，輸入操作員號，輸入完畢并確認后系統自動進入系統測試界面。程序開始自動從Excel表格調出對應產品編號的每組參數配置、設定的產品規格限值、測試項編號，得出測試步驟數。將被測產品與TH2826數字電橋連接（依次按測試項編號編排順序），踏動腳踏開關系統開始自動測試。以兩個實例說明如下：

實例一：當被測產品只有一個繞組一組測試項，即只有一個測試步驟時，系統流程：接入第一個被測產品，踏動腳踏開關，啟動一配置參數1→測試1→寫文件→轉移（帶返回參數P=1）→等待啟動；接入第二個被測產品，踏動腳踏開關，啟動→測試1→寫文件→等待啟動。相同產品編號的其余被測產品均按以下模式循環運行：踏動腳踏開關，啟動一測試1→寫文件→等待啟動。

實例二：當被測產品有二個繞組三組測試項，即第一個繞組有二組測試項。第二個繞組有一組測試項，共計有三個測試步驟時，系統流程：接入第一個被測產品的第一繞組，踏動腳踏開關，啟動→配置參數→測試1→配置參數2→測試2→轉移（帶返回參數P=3）→等待啟動：接入第一個被測產品的第二繞組，踏動腳踏開關，啟動→配置參數3→測試3→寫文件→轉移（帶返回參數P=0）→等待啟動。按以上步驟循環進行其余被測產品的測試。

儀器參數配置及實測數據顯示

系統自動顯示被測產品編號。儀器十項參數（ISO：偏流源直流隔離功能，ALC：自動電平控制開關）配置、測試項編號、主參數上下限值、副參數上下限值均事先在Excel表格中設定，下面兩行顯示的是主、副參數實測數據。當測試值處在規定范圍內，數據以藍色字體顯示。否則，數據以紅色字體顯示。系統依據產品測試步驟的多少自動調整顯示的步驟數，測試界面最多可以顯示八個測試步驟。當測試完一個產品，再啟動測試另外一個產品時，系統會自動清除前一個產品的所有測試數據。這樣可以清楚顯示新的數據產生過程。

測試數據分析顯示

系統自動跟蹤第一測試步驟的主參數實測值，對其進行直方圖繪制，Pp及Ppk分析。

測試數據直方圖顯示

直方圖又稱質量分布圖，是一種幾何形圖表，它是根據從生產過程中收集來的質量數據分布情況，畫成以組距為底邊、以頻數為高度的一系列連接起來的直方型矩形圖，反映產品質量的分布情況，判斷和預測產品質量及不合格率。利用系統實時采集的數據形成直方圖，相關程序部分如圖4所示。這里用到LabVIEW的通用直方圖VI。程序首先初始化一個含有20個元素的一維數組，在第一測試步驟的條件結構“ctest1”里，將測得的主參數數據轉為一維數組作為通用直方圖Ⅵ的輸入，再進行相應數學變換，即可在測試界面上實時顯示測試數據的分布情況。

測試數據Pp及Ppk分析的實現

SPC（Statistical Process Contr01）即統計過程控制（質量管理體系ISO/TSl6949五大核心工具之一），主要是指應用統計分析技術對生產過程進行實時監控，科學區分出生產過程中產品質量的隨機波動與異常波動，從而對生產過程的異常趨勢提出預警，以便生產管理人員及時采取措施，消除異常，恢復過程的穩定從而達到提高和控制質量的目的。Pp及Ppk稱為過程性能指數，屬于SPC的基本方法，是對生產過程收集的計量型數據的數學描述，具體表達式見文獻。Pp是公差允許的最大變差與過程性能之比，這個指數對過程滿足變差要求的程度提供了度量，不受過程位置的影響。Ppk是考慮過程位置的性能指數。Pp與Ppk總是一同進行評價和分析。形成Pp及Ppk的相關程序部分如圖5所示。這里運用到LabVIEW的標準差和方差VI，程序首先初始化一個一維空數組，在第一測試步驟的條件結構“ctest1”中，將測得的主參數數據連接成一維數組作為標準差和方差Ⅵ的輸入，經過其運算得到數組的均值和標準差，再進行相應數學變換，即可在測試界面上實時顯示測試數據的Pp及Ppk的分析結果。

測試數據的判定及存儲

音訊提示組成快速測試的一部分。在每一測試步驟完成時，如果測試數據在規定范圍內，系統驅動電腦主機蜂鳴器發出音訊，操作員無需觀察顯示器上的數據即可了解測試結果。系統將測試數據自動存儲在指定的文件中，自動加入當前日期、時間、數據名稱等信息，將不在范圍內的數據用紅色標注。

結束語

針對手動操作傳統測量儀器低效、繁瑣等問題，本文提出了一種基于虛擬儀器技術的LCR參數測試方案。將參數配置、產品規格限值等事先以Excel表格形式保存，通過LabVIEw軟件的調用，運用帶參數返回技術設計，無需人工額外操控儀器，僅使用腳踏開關啟動，系統即可自動完成各步驟之間的轉換，從而實現高效快速測試、數據直方圖顯示及在線數據Pp及PPk分析等功能。

參考文獻：

[1]陳錫輝，張銀鴻LabVlEw 8.2程序設計從入門到精通[M]北京：清華大學出版社，2007

[2]常州市間惠電子有限公司TH2826/A高頻LCR數字電橋說明書[M]tonghui.com.cn，Dec 2008：14

[3]克萊斯勒、福特和通用汽車公司，統計過程控制[M]，第2版AIAG.org，2005：131-134

[4]Baidu百科，直方圖定義[EB/OL]，http：//balke.baldu.com/view/60840.htm

[5]2005-2009 Nationallnstruments Corporation LabVlEW幫助（371361F-0118）[M]ni.com，June2009