基于GPIB通信的电容测试仪表校准方法研究

基于GPIB通信的电容测试仪表校准方法研究

姚金平

深圳市中测计量检测技术有限公司      广东省深圳市    518000

摘要：本文以安捷伦工业4980A电容测试仪表为例，介绍了校准系统的组成方式以及各个模块的功能。最终形成的校准方法为：分别使用万用表、电容测试仪表对某个电容元器件的参数进行测量，将相关的数据上传至电脑后，进行系统性的比较，最后由电脑端根据差值发布调节指令，最终实现对基于GPIB通信的电容测试仪表的校准。

关键词：GPIB通信；电容测试仪表；校准调节

1.基于GPIB通信的电容测试仪表简析

本研究使用的电容测试仪表为安捷伦工业4980A电容测试仪表，由法澜克仪器设备（深圳）有限公司销售，属于精密LCRZ电桥电容测试表。该仪表设备的主要性能如下：

①额定工作频率介于20Hz～20MHz之间，仪表在正常情况下能够提供4位分辨率显示；

②仪表的基本精度对高低阻抗的高精度重复性测量，基本精度可达到0.05%；

③直流偏置内置工况具体值为40V；

④测试信号的强度达到20Vrms；

⑤偏置电源提供的额定工作电流为40A直流；

⑥测试期间，仪表每间隔5.6ms便会完成一次测量，速度达到“高速”标准；

⑦其他重点参数为：可达到201points list sweep的标准。

总体而言，安捷伦工业4980A电容测试仪表的性能具有较强的适配性，已经广泛应用于各类工业元器件的测量。据英飞凌科技（无锡）有限公司发布的研究数据，由于该仪表的额定工作频率上限较高，故能够适用低阻抗及高阻抗情况，且均能够提供非常快的测量速度，测量结果的准确性普遍较高。在进行具体测量时，安捷伦工业4980A电容测试仪表的工作原理为C-V模式，即较为常见的电容-电压测试模式，不仅能够围绕大量半导体参数（以MOSCAP结构、MOSFET结构为主）开展测量工作，还能够对其他类型的半导体器件及工艺进行特征分析（比如BJT双极结型晶体管、Ⅲ-V族化合物器件等）。总之，安捷伦工业4980A电容测试仪表性能良好、在工业生产中应用范围广，具有典型性，可用于研究。

2.基于GPIB通信的电容测试仪表自动校准系统构成及校准方法

2.1电容测试仪表自动校准系统的硬件构成

2.1.1电容测试仪表自动校准系统所需硬件设备

开展基于GPIB通信的电容测试仪表自动校准方法研究之前，应该完成校准系统的设置[1]。硬件分布情况如下：

①安装Key-sight Connection Expert（键盘链接专家）的台式或笔记本电脑一台。此种软件是一种具有较强兼容性、能够自动识别与电脑相连的多种仪器设备的软件，成功连接后，操作人员可以通过操控电脑的方式，实现对电容测试仪表的控制与性能检测。

②一根常规的USB线（82357B）或是GPIB线。GPIB线需要连接专用的插头，但现阶段，USB插口由于插入方便、数据信息传输稳定性高、速度快等优势，已经成为设备之间连接的首选串口。本研究开展期间，使用的数据传输线的特点为，连接安捷伦工业4980A电容测试仪表的一端为专用接口，连接电脑的一端为USB接口。

③专用于通信的GPIB线（连接特定的串口）。

④Agilent 3458A数字多用表，性能良好、精度及数字转换能力极高，能够提供校准实验室精度水平的测量以及快速测试系统的吞吐量。

⑤16380A标准空气电容套件（额定工况介于1～1000pF之间）。

⑥安捷伦工业4980A电容测试仪表。

2.1.2主要硬件的连接方式

采用“三角形两两连接”的模式。三个主要硬件设备分别是电脑、安捷伦工业4980A电容测试仪表、Agilent 3458A数字多用表。三个设备两两之间均采用GPIB线型连接，或是采用星型连接。

2.2电容测试仪表自动校准的方法

按照上述方法完成主要硬件的连接后，技术人员启动所有设备，之后进行调试。各项设备都能够正常运行并实现数据信息的无障碍、即时传输之后，理论上应该形成了具有如下功能的多个模块。具体而言：

（1）数据采集模块。电脑和Agilent 3458A数字多用表可以对安捷伦工业4980A电容测试仪表的电容信息、所处环境信息进行实时检测，且获取到的相关数据会在第一时间被传递至安全检查模块。为了使数据采集模块更好地开展工作，需要在电脑内部指定磁盘空间（或是外接具有存储功能的U盘、移动硬盘等），用于存放数据，构建数据库。如此一来，形成的效果是，数据采集模块与数据库之间实现“数据存取”的访问逻辑，数据库内存有标准绝缘电阻测试仪测量范围数据、标准电容损耗测量范围数据、标准温度数据、标准相对湿度数据。

（2）安全检查模块。该模块的核心设备即为Agilent 3458A数字多用表，主要围绕对电容数据、电压数据、电压频率数据、电容箱测量范围数据、适用电压数据、适用电压频率数据、标准绝缘电阻测试仪测量范围数据、标准电容损耗测量范围数据、标准温度数据和标准相对湿度数据

[2]进行检测，之后将各项数据上传至电脑，得到从电脑控制端传递而来的执行检测信号或是禁止检测信号之后，可以将检测信号传输到电容监测模块。

（3）电容监测模块。该模块的主要作用为：围绕安捷伦工业4980A电容测试仪表检测电容时产生的数据（电容检测仪表屏幕中显示的具体值）以及电容元器件的实际电容值进行监控、自动比对。为了提高比对结果的准确性，电容监测模块监测到的信息中，需要包含电容量数据、电容损耗数据、测试频率数据。获得上述数据之后，进一步传递到电脑之中，由分析软件（或人工方式）开展分析。

（4）数据分析模块。电脑中的数据分析模块可以由专用的分析软件（具有数据对比功能的软件即可）组成，也可以通过人工比对实现。其中的原理是相同的——以人工对比为例，Agilent 3458A数字多用表对电容元器件进行监测时，会得到误差微弱到可忽略不计的精准电容值，该值作为“标准值”，在电脑Excel表格中单独列出。安捷伦工业4980A电容测试仪表对相同电容元器件监测到的电容值同样上传至电脑，由操作人员通过“直接复制”的方式，列到Excel表格的另一处，包括电容损耗数据、测试频率数据在内的其他数据均按照上述方法，上传至电脑中并被列入Excel表格，之后便可进行比对。完成比对之后，可通过多种方式计算出比对差值（这个差值需要分正、负），之后将含有正负号的差值输送到电容测试仪表自动校准调节模块。

（5）电容测试仪表自动校准调节模块。调节模块主要由电脑和安捷伦工业4980A电容测试仪表组成——基于上文提到的Key-sight Connection Expert软件，在整个自动校准系统中，电脑具备对安捷伦工业4980A电容测试仪表的全方位控制功能。因此，在获取上述比对差值之后，电脑端可以根据具体差值，实现对安捷伦工业4980A电容测试仪表检测电容元器件时的误差进行调整。其中，“正号（﹢）”表示将设备“设定向上调节”，需要生成上调的命令；反之则生成向下调节的命令。

结语：综合上文所述各个模块的功能，得出的电容测试仪表自动校准方法的基本原理为：由Agilent 3458A数字多用表、安捷伦工业4980A电容测试仪表首先围绕同一个电容元器件的各项参数进行实时测定。将得到的结果上传至电脑后，可直接输入软件自动比对，也可人工手动比对，进而计算出二者的差值。该“差值”实际上便是安捷伦工业4980A电容测试仪表的失准偏差范围。在Key-sight Connection Expert软件的帮助下，电脑实际上具备了对安捷伦工业4980A电容测试仪表的控制功能。在此基础上，电脑端围绕差值，向电容测试仪表发布调节指令，最终实现对电容测试仪表的调节、校准。

参考文献：

[1]段文浩,马鑫,耿卫国. 便携式微小电容测试仪的设计[J]. 火箭推进,2019,45(02):85-88.

[2]邓长开,唐明津,胡义平. GPIB通信在电容测试仪表校准中的应用[J]. 电子与封装,2017,17(04):39-44.