Ускоренные испытания цифроаналоговых преобразователей и системы их мониторинга и управления

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

УДК 681.518.5

Г. А. Солодимова, А. В. Светлов, А. С. Ишков, Р. А. Лемаев, Б. Ф. Цыпин

УСКОРЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И СИСТЕМЫ ИХ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ

Аннотация.

Актуальность и цели. Широко использующиеся в измерительных и управляющих системах микросхемы цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) являются перспективными изделиями. Однако широкое применение в технике указанных изделий требует поддержания их технических параметров на неизменно высоком уровне. Одним из способов обеспечения надежности микросхем является организация системы производственного контроля параметров ЦАП, которая является важной научно-технической задачей. Цель работы -разработка современного автоматизированного рабочего места инженера-испытателя, позволяющего выполнять ускоренные испытания микросхем.

Материалы и методы. Измерение параметров ЦАП выполняется с использованием стандартных средств измерений, а также оригинальных методик оценки соответствия параметров ЦАП установленным в технической документации значениям.

Результаты. Разработано автоматизированное рабочее место инженера-испытателя для проведения ускоренных испытаний ЦАП на надежность с применением прецизионной элементной базы и современных средств измерений для получения высоких метрологических характеристик.

Выводы. Разработка автоматизированного рабочего места инженера-испытателя позволила значительно повысить качество проведения ускоренных испытаний ЦАП за счет оперативного получения данных и возможности мониторинга за ходом проведения испытаний.

Ключевые слова: гибридные ЦАП, автоматизация испытаний, надежность.

G. A. Solodimova, A. V. Svetlov, A. S. Ishkov, R. A. Lemaev, B. F. Tsypin

ACCELERATED TESTING OF DIGITAL-ANALOG CONVERTERS AND MONITORING AND CONTROL SYSTEM THEREOF

Abstract.

Background. Widely used in measuring and operating systems the DAC chips are promising products. However, broad application of the specified products in equipment demands maintenance of their technical parameters at permanently high level. One of ways of ensuring reliability of chips is to organize a system of production control of the DAC parameters, which is an important scientific and technical task. The work purpose is to develop a modern automated workplace of a test engineer allowing to carry out accelerated testing of chips.

Materials and methods. Measurement of the DAC parameters is carried out using standard measuring instruments and the original techniques of conformity assessment of the DAC parameters to the values established in technical documentation.

Results. The authors have developed an automated workplace of a test engineer for carrying out the accelerated testing of DAC for reliability with application of the

136

University proceedings. Volga region

№ 2 (34), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

precision element base and modern measuring instruments for obtaining high metrological characteristics.

Conclusions. Development of the automated workplace of a test engineer allowed to considerably increase the quality of DAC accelerated testing due to prompt data acquisition and possibility of monitoring the course of testing.

Key words: hybrid DAC, automation testing, reliability.

Сложность современной аппаратуры и важность решаемых с ее помощью задач заставляют предъявлять к ее надежности высокие требования. Известно, что чем сложнее аппаратура, тем труднее обеспечить ее надежную работу. Единственным выходом из этого положения является использование высоконадежных компонентов. При создании информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) широко используются цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), с помощью которых осуществляется связь цифровых устройств и блоков ИИУС с аналоговыми исполнительными узлами и механизмами. Повышение скорости и точности обработки информации ужесточает требования, предъявляемые к техническим характеристикам ЦАП. В настоящее время в ИИУС, используемых в таких областях, как радиолокация, сейсморазведка, гидроакустика, нашли применение прецизионные ЦАП с числом двоичных разрядов 18 и более, нелинейностью на уровне 0,00020,0008 %.

Повышение технического уровня ЦАП связано с совершенствованием двух основных технологий производства ЦАП - полупроводниковой и гибридной. Причем ЦАП, изготовленные по гибридной технологии, обладают более высокими техническими характеристики по сравнению с полупроводниковыми ЦАП, так как позволяют в наибольшей степени использовать преимущества интегральных полупроводниковых схем и тонкопленочных элементов. Примерами современных образцов ЦАП являются микросхемы типов К427ПА5Т (18-разрядный функционально полный ЦАП с выходом по напряжению), 427ПА4 (16-разрядный умножающий ЦАП с выходом по напряжению), 427ПА2 (16-разрядный умножающий ЦАП с выходом по току), серийно выпускаемые ОАО «НИИЭМП» (г. Пенза) [1].

Основным требованием, предъявляемым к ЦАП, является неискажающее преобразование формы сигнала, что достигается прежде всего линейностью действительной характеристики преобразования. Электрические параметры ЦАП устанавливаются, регламентируются и определяются государственными и отраслевыми стандартами. Согласно [2] все эти параметры разделяются на три группы: общие, статические и динамические параметры.

К первой группе относятся: число разрядов n, относительная разрешающая способность RN и разрешающая способность RA. Под числом разрядов понимается количество символов кода, необходимое для того, чтобы в выбранной системе счисления выразить номинальное число квантов [2], и при двоичной системе счисления это двоичный логарифм максимального числа кодовых комбинаций N на входе ЦАП [3]. Относительная разрешающая способность и разрешающая способность определяются соответственно как обратная величина номинального числа квантов и номинальное значение кванта q, под которым подразумевается абсолютное значение разности между выходными аналоговыми величинами ЦАП, соответствующими смежным кодам

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 137

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

[2]. Все параметры этой группы не измеряются, а приписываются каждому конкретному типу ЦАП.

Рис. 1. Внешний вид микросхемы К427ПА2

К важнейшим статическим параметрам относятся: погрешность

в конечной точке характеристики преобразования; погрешность коэффициента преобразования; смещение; нелинейность и дифференциальная нелинейность [1].

К третьей группе нормируемых параметров цифроаналоговых преобразователей относятся динамические параметры: время установления и время установления при скачке опорного напряжения [4].

Таким образом, качество прецизионных ЦАП характеризуется множеством технических параметров. В связи с этим в условиях серийного производства сложно учесть многообразие факторов, влияющих на надежность выпускаемых ЦАП, поэтому дать гарантию, что выпускаемые изделия являются надежными, можно только при проведении непосредственных испытаний ЦАП на надежность [5].

Методика проведения испытаний следующая. Микросхемы помещаются в камеру тепла, в которой устанавливается необходимый температурный режим. Повышенная температура приводит к ускоренной деградации материалов, из которых изготовлен ЦАП [6]. При проведении испытаний устанавливается динамический электрический режим, при котором используется параллельное возбуждение, когда на микросхемы подаются необходимые питающие напряжения и соответствующий входной сигнал. К выходам микросхемы подключается максимальная токовая нагрузка. Проверка электрических параметров микросхем ЦАП проводится через 96, 168, 240, 500, 1000 ч и далее через каждые 1000 ч [7], для этого испытуемые микросхемы извлекаются из камеры, и после выдержки в нормальных климатических условиях в течение 2 ч проводится проверка их электрических параметров. Микросхемы считаются выдержавшими испытания, если внешний вид, герметичность, электрические параметры соответствуют установленным требованиям.

Для проведения испытаний на надежность требуется большое количество испытательного оборудования, средств измерения и автоматизации [8]. Проблема повышения эффективности процесса испытаний на надежность может быть решена с использованием автоматизированного рабочего места

138

University proceedings. Volga region

№ 2 (34), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

(АРМ) инженера-испытателя, созданного на базе персонального компьютера, снабженного интерфейсом для связи со средствами измерений, внесенными в государственный реестр средств измерений, и другим испытательным оборудованием. АРМ инженера-испытателя содержит стойку, внутри которой расположены ее составные компоненты, позволяющие проводить испытания до 20 однотипных ЦАП одновременно. Разработанное АРМ ин-женера-испытателя обеспечивает подачу напряжения постоянного тока на испытуемые изделия от четырех независимых источников питания в диапазоне от 1 до 36 В при максимальном токе нагрузки каждого источника питания 10 А.

АРМ (рис. 2) состоит из следующих основных частей: камера тепла, импульсный генератор, источники питания, двухканальный осциллограф, панель управления.

Рис. 2. АРМ инженера-испытателя для проведения испытаний ЦАП Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 139

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

Камера тепла предназначена для получения заданных значений температур и для коммутации испытуемых ЦАП с источниками питания и генератором. В рабочем объеме камеры тепла за счет циркуляции воздушного потока обеспечено равномерное температурное поле. Температура в рабочем объеме камеры тепла задается с помощью нагревателя, управляемого с помощью стандартного измерителя-регулятора температуры типа «Термодат 10К2», встроенного в панель управления АРМ. В качестве первичного измерительного преобразователя используется платиновый термометр сопротивления. При достижении необходимой температуры установка переходит в режим автоматического поддержания заданного температурного режима.

Панель управления предназначена для задания требуемых режимов испытаний и управления работой установки. С помощью переключателя осуществляется контроль выходного напряжения каждой испытуемой микросхемы. Импульсный генератор формирует сигналы, значения которых соответствуют ТТЬ-уровням. Испытуемые ЦАП в требуемом программой испытаний количестве устанавливаются на контактные платы для связи с источниками питания и импульсным генератором в соответствии со схемой на рис. 3.

Рис. 3. Схема включения микросхем ЦАП типа К427ПА4 при проведении испытаний

Электрическая нагрузка ЦАП задается с помощью импульсного генератора и четырех независимых источников питания. При проведении испытаний одновременно на все цифровые входы микросхем подается напряжение U01 с генератора кодовых сигналов. Для визуализации напряжения U01 и выходного аналогового напряжения U (рис. 4) используется двухканальный осциллограф. В случае выхода из строя испытуемого ЦАП изменится его выходной сигнал, что и будет отображено на экране осциллографа.

140

University proceedings. Volga region

№ 2 (34), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

2,4 В < иш < Ucc3

0 < UL < 0,8 В

Т = (0,64 ± 0,1) мс т = (0,37 ± 0,1) мс

9,5 В < Uoh < 10,5 В -10,5 В < Uql < -9,5 В

Рис. 4. Входные (а) и выходные (б) сигналы ЦАП

В случае превышения температуры внутри камеры на 4 °С выше заданного значения предусмотрено автоматическое отключение питания нагревателя с одновременным включением аварийного звукового сигнала. Информация о температуре в камере тепла, значениях напряжений, времени испытаний, а также другая информация передается на ПЭВМ с помощью интерфейса типа RS-485. Данный тип интерфейса был выбран из-за протяженности измерительных кабелей, длина которых доходит до 80 м и более. ПЭВМ служит для обработки полученной информации о ходе проведения испытаний, архивирования полученных данных, выдачи протокола измерений.

С помощью разработанного АРМ инженера-испытателя проведены кратковременные испытания на безотказность микросхем типа К427ПА5Т, К427ПА2, К427ПА4. В соответствии с программой испытания проведены в предельно допустимом электрическом режиме эксплуатации при повышенной температуре среды, равной +85 °С в течение 500 ч, при этом параметрами (критериями) годности при оценке гамма-процентной наработки до отказа и интенсивности отказов испытуемых ЦАП являются: смещение, погрешность коэффициента преобразования, погрешность в конечной точке характеристики преобразования, нелинейность и дифференциальная нелинейность.

Погрешность коэффициента преобразования бпРБ в процентах при внешнем источнике напряжения, равном 10 В, вычисляется из соотношения [9]:

8прб -

UПШ + q - U0,0 - 2UВХ 100 UFSR

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 141

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

где U00 - действительное значение напряжения на выходе ЦАП при входном коде 00...00; Uптт - действительное значение напряжения на выходе ЦАП при входном коде 11.11; UFSR - номинальный диапазон преобразования; q - номинальное значение единицы младшего значащего разряда; иВХ -напряжение внешнего источника опорного напряжения.

Значение дифференциальной нелинейности 5Лд в заданной точке характеристики преобразования в процентах определяется выражением [9]:

ЭЛД-

(U - Ui-1) - q

U

100.

FSR

где Ui - действительное значение напряжения на выходе ЦАП при заданном коде; Ui _1 - действительное значение напряжения на выходе ЦАП при смежном от заданного коде.

Значение погрешности в конечной точке характеристики преобразования 5П в процентах определяется выражением

5П = UП _UНОМ-100%,

П Ufsr

где Un - действительное значение напряжения на выходе ЦАП при входном коде 11.11; UH0M - номинальное значение напряжения на выходе ЦАП при входном коде 11.11.

Результаты измерений параметров-критериев годности микросхем типа К427ПА2, полученные при проведении кратковременных испытаниях на безотказность, приведены в табл. 1.

По данным табл. 1 испытания и измерения характеристик микросхем ЦАП показали высокую стабильность значений параметров критериев годности и их соответствие с большим запасом требованиям по надежности.

Использование разработанного АРМ позволяет осуществлять мониторинг испытаний ЦАП на надежность, а применение прецизионной элементной базы и современных средств измерений обеспечило получение высоких метрологических характеристик. Например, отклонение температуры от заданного значения в камере тепла составляет не более ±3 °С, погрешность установки напряжения питания - не более ± (0,006^,. + 0,01 В). Такая реализация АРМ позволяет максимально задействовать имеющееся на испытательных станциях предприятий оборудование без проведения масштабной модернизации приборного парка и существенных финансовых затрат.

Эффективность применения АРМ оценивается следующими показателями:

- уменьшение на 1 % погрешности при измерениях параметров испытуемых ЦАП и уменьшение влияния субъективного фактора в процессе испытаний;

- повышение точности задания режимов испытания, а также мониторинг параметров испытуемых воздействий и запись результатов испытаний на различные виды электронных носителей;

- сокращение на 4 % количества занятого персонала испытательной станции.

142

University proceedings. Volga region

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 143

Результаты измерения параметров-критериев годности микросхем типа К427ПА2

Таблица 1

Виды и последовательность испытаний Проверяемые параметры, размерность Фактические пределы изменения параметров Соответствие требованиям программы испытаний

Внешний вид Однополярный режим Смещение, нА: ho нА: ±10 не изменился -2,7--0,4

Проверка статических параметров: смещения, погрешности преобразования в конечных точках, нелинейности, дифференциальной нелинейности при повышенной температуре среды Т~( 85±3)°С Погрешность преобразования в конечной точке, % Еа, %: ± 0,05 -0,0100-0,0129

Двухполярный режим Смещение, нА: /00, нА: ±500 -180,6-208,9

Погрешность преобразования в конечной точке, % Eg(i) , %: ±0,05 Есн21, %'. ± 0,05 -0,0194-0,0074 -0,0259 - 0,0034 Соответствует

Температурный коэффициент диф. нелинейности oELD, °С~1: ±1Т0"6 -0,25-10^-0,2-10^

Температурный коэффициент нелинейности аЕь °С~1: ±1  10"6 -0,3-10^-0,22-IQ45

№ 2 (34), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

Таким образом, использование АРМ инженера-испытателя позволяет значительно повысить качество проведения испытаний за счет оперативного получения данных и возможности мониторинга за ходом проведения испытаний на надежность, продолжительность которых может достигать 1000 ч и более.

Список литературы

1. URL: http://niiemp.ru/produktsiya-i-uslugi Официальный сайт ОАО «НИИЭМП». Гибридные интегральные схемы ЦАП и АЦП.

2. ОСТ 11 0583-88. Микросхемы интегральные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей. - М., 1988.

3. ГОСТ 24736-81. Преобразователи интегральные цифроаналоговые и аналогоцифровые. Основные параметры. - М., 1981.

4. ОСТ 11 0078.2-84. Микросхемы интегральные. Цифроаналоговые преобразователи. Методы измерения времени установления. - М., 1984.

5. Иш ков, А. С. Методы прогнозирования показателей надежности радиоэлектронных компонентов / А. С. Ишков, И. В. Костюченков, М. К. Маркелов // Надежность и качество : тр. Междунар. симпозиума. - Пенза, 2009. - Т. 2. - С. 31-32.

6. Иш ков, А. С. Автоматизированная система контроля климатических испытаний радиоэлектронных компонентов / А. С. Ишков, А. И. Тарабрин, А. С. Колдов // Надежность и качество : тр. Междунар. симпозиума : в 2-х т. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2014. - Т. 2. - С. 94-95.

7. ГОСТ 5962-2012. Микросхемы интегральные. Методы испытаний. - М., 2012.

8. Новоселова, О. В. Моделирование интегрированной среды поддержки создания прикладных автоматизированных систем / О. В. Новоселова, Г. Д. Волкова, А. Г. Гаврилов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 1 (29). - С. 81-91.

9. Диянов, А. И. Разработка прецизионных гибридных интегральных схем функционально полных цифроаналоговых преобразователей : дис. ... канд. техн. наук / Диянов А. И. - Пенза, 2006. - 160 с.

References

1. Gibridnye integral’nye skhemy TsAP i ATs [Hybrid integral DAC and ADC chips]. Available at: http://niiemp.ru/produktsiya-i-uslugi Ofitsial'nyy sayt OAO «NIIEMP».

2. OST 11 0583-88. Mikroskhemy integral’nye. Terminy, opredeleniya i bukvennye oboz-nacheniya parametrov tsifroanalogovykh i analogo-tsifrovykh preobrazovateley [Integral chips. Terms, definitions and letter denotation of parameters of digital-analog and analog-digital converters]. Moscow, 1988.

3. GOST 24736-81. Preobrazovateli integral’nye tsifroanalogovye i analogo-tsifrovye. Osnovnye parametry [Integral, digital-analog and analog-digital converters. Main parameters]. Moscow, 1981.

4. OST 11 0078.2-84. Mikroskhemy integral’nye. Tsifroanalogovye preobrazovateli. Metody izmereniya vremeni ustanovleniya [Integral chips. Digital-analog converters. Installation time measuring methods]. Moscow, 1984.

5. Ishkov A. S., Kostyuchenkov I. V., Markelov M. K. Nadezhnost’ i kachestvo: tr. Mezhdunar. simpoziuma [Reliability and quality: proceedings of the International symposium]. Penza, 2009, vol. 2, pp. 31-32.

6. Ishkov A. S., Tarabrin A. I., Koldov A. S. Nadezhnost’ i kachestvo: tr. Mezhdunar. simpoziuma: v 2-kh t. [Reliability and quality: proceedings of the International symposium: in 2 volumes]. Penza: Izd-vo PGU, 2014, vol. 2, pp. 94-95.

7. GOST 5962-2012. Mikroskhemy integral’nye. Metody ispytaniy [Integral chips. Testing methods]. Moscow, 2012.

144

University proceedings. Volga region

№ 2 (34), 2015 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

8. Novoselova O. V., Volkova G. D., Gavrilov A. G. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2014, no. 1 (29), pp. 81-91.

9. Diyanov A. I. Razrabotka pretsizionnykh gibridnykh integral’nykh skhem funktsional’no polnykh tsifroanalogovykh preobrazovateley: dis. kand. tekhn. nauk [Development of precision hybrid integral chips of functionally complete digital-analog converters: dissertation to apply for the degree of the candidate of engineering sciences]. Penza, 2006, 160 p.

Солодимова Галина Анатольевна

кандидат технических наук, главный метролог, начальник научнотехнического центра и метрологического обеспечения, Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов

E-mail: solodimova@mail.ru

Светлов Анатолий Вильевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехники и радиоэлектронных систем, Пензенский государственный университет

E-mail: rtech@pnzgu.ru

Ишков Антон Сергеевич кандидат технических наук, доцент, кафедра радиотехники и радиоэлектронных систем, Пензенский государственный университет

E-mail: ishkovanton@mail.ru

Лемаев Роман Андреевич

кандидат технических наук, начальник отдела, Научно-производственное предприятие «Рубин»

E-mail: lemaev@ro.ru

Цыпин Борис Вульфович

доктор технических наук, профессор, кафедра ракетно-космического и авиационного приборостроения

E-mail: rkap@pnzgu.ru

Solodimova Galina Anatol'evna Candidate of engineering sciences, chief metrologist, head of the scientific and technical center and metrological support, Research Institute of Electronic and Mechanical Instruments

Svetlov Anatoliy Vil'evich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of radio engineering and radio electronic system, Penza State University (40 Krasnaya street,

Penza, Russia)

Ishkov Anton Sergeevich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of radio engineering and radio electronic system, Penza State University

Lemaev Roman Andreevich Candidate of engineering sciences, head of department, Scientific production enterprise “Rubin”

Tsypin Boris Vul'fovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of space-rocket and aircraft instrument engineering

Engineering sciences. Electronics, measuring equipment and radio engineering 145

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

УДК 681.518.5

Ускоренные испытания цифроаналоговых преобразователей и системы их мониторинга и управления / Г. А. Солодимова, А. В. Светлов, А. С. Ишков, Р. А. Лемаев, Б. Ф. Цыпин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 2 (34). - С. 136— 146.

146

University proceedings. Volga region