基于Agilent E4980A的LCR自动测试系统设计

杨孟涛 金红伟 蔡苇

(1.重庆科技学院机械与动力工程学院，重庆 400331;2.农业部农业机械试验鉴定总站，北京 100122)

功能材料的电学性能参数测试是一项重要的基础工作，通常用于测试功能材料的电感、电容、电阻、损耗因数等物理量。实践工作中，往往需要全面准确地掌握功能材料的这些特性，以便对其进行分析改进［1］。之前这类测试工作都是由人工在测试仪器上设定不同的测试条件(频率、电压、温度梯度)，逐步操作测试仪器并记录测试结果，然后对测试数据进行人工或计算机辅助分析与处理，而由人工操作完成整个测试过程的工作效率极低。为了克服上述缺点，实现功能材料电学性能参数的测试与数据分析的自动化、智能化，非常有必要开发基于阻抗分析仪(LCR)的全自动测试系统［2-3］。

本次研究开发一套基于Agilent E4980A的LCR自动测试系统。系统融合了计算机系统强大的软硬件资源，突破传统测试仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。系统显著提高了测试效率，可以长期进行定时或不间断的测试，整个测试过程为全自动无人值守［4］。系统已投入使用三年多，效果良好。现对系统开发实践经验予以总结介绍。

1 系统电气硬件系统

Agilent E4980A是一款用于元器件接收检验、质量控制和实验室使用的通用LCR仪表。Agilent E4980A可在宽频和宽幅测试信号电平范围下对LCR元件及半导体器件进行评估和测试，也可提供在任何频率下基本精度为 ±0.05%(C)、±0.000 5(D)的C-D测量，且在每个范围内分辨率可达七位数。GP-IB/LAN/USB接口是Agilent E4980A上的标准接口，并支持自动测试［5-7］。图1所示为自动测试系统的电气原理图。

在本系统中我们采用USB接口实现计算机和之间Agilent E4980A的通讯响应，通过该接口将设定的测试条件写入Agilent E4980A，然后由计算机实时读取各功能元件的测试结果。

图1 系统电气原理图

AC140是具有8路光电隔离输入及8路大功率继电器输出的一款端子板型号。本系统中我们使用的是板卡的K0—K7输出接点，每个接点都有2个接线端子，分别对应8个大功率继电器的常开开关接点。这8个继电器最多可以一一对应完成8个功能元件的测试任务。当联通AC140输出端相应的继电器接点后，Agilent E4980A就可以依次完成相应的功能元件测试任务［8］。

AC6612是采用PCI总线的一款通用A/D、D/A板卡，支持即插即用。AC6612具有16路单端模拟输入，2路12位DA及32路开关量(16路输入及16路输出)。本系统应用AC6612的开关量输出功能，AC140作为AC6612的配套端子板，它们之间通过40线扁平电缆插座连接16路开关量输入、输出端，计算机通过AC6612实现对AC140的实时控制。

神港JCD-33A系列0.2级通用性控制仪表，采用了最先进的加热冷却双PID算法，其特点是无超调、无欠调，且输入用户为自由组态，双设定值，具手动或自动通讯功能，可实现回路断线报警。配置具备RS-485通讯功能的C5附件后，通过RS-485转向RS-232转换器实现与计算机的通讯功能，采用Modbus通讯协议。JCD-33A可采集温控箱内温度，该温度值由温控箱内的Pt100传感器来测试，经由JCD-33A变送处理显示。计算机实时读取此温度，同时将测试系统设置的温度梯度中每一测试温度值发送至JCD-33A。

温控箱调温范围为-60～150℃，可连续调节，通过压缩机制冷，通过红外线加热管加热。系统工作时，通过神港JCD-33A加热或冷却的双PID算法来自动控制压缩机和加热管的工作，可以保证温控箱内的功能元件按测试系统温度梯度准确达到每个温度点。实践中需要测试功能元件在整个温度梯度下的电学参数变化，我们通常从低温到高温依次梯度升温以完成测试流程。

2 系统软件控制系统

2.1 测试系统控制流程

图2所示为测试系统控制流程图。将功能元件置入温控箱，按下“开始测试”按钮，则由系统将界面上设置好的测试条件写入Agilent E4980A和JCD-33A。

通过JCD-33A控制温控箱到达初始温度，然后Agilent E4980A将给定的电压施加在测试功能元件上，并按给定第一频率点逐一测试功能元件的电学参数，各个功能元件的测试转换通过AC140的继电器输出接点的通断交替实现。完成第一个频率点测试后，根据设定的条件转换Agilent E4980A的测试频率，再依次测试其他频率点的元件。

图2 测试系统控制流程图

通常从低温到高温依次进行梯度测试。通过JCD-33A加热或冷却的双PID算法，来自动控制压缩机和加热管的工作，使温控箱温度达到下一测试温度，最后依次通过Agilent E4980A完成给定电压以及每一频率点下各功能元件电学参数的测试。继续升温后，在所设置的每个温度梯度点完成各元件的电学参数测试和采集。当达到结束温度点时，保存测试结果，程序自动退出。

2.2 测试系统软件程序

用Visual Basic语言进行系统软件的编写。限于篇幅，在此只讨论其中最重要的Agilent E4980A测试参数的写入和测试结果的读取部分。程序语句如下:

2.3 用户操作界面

图3所示为LCR自动测试系统控制主界面。

图3 测试系统控制主界面

由图中主界面左上角功能元件的电学性能参数趋势图曲线看出，元件的介电常数随测试频率增加略有减小。在测试温度梯度范围内，元件的介电常数存在峰值(1～100 kHz)，介质损耗随温度升高而逐渐降低。

图3左侧下方有3个下拉选项框，从左到右分别是测试功能选择框、测试参数设置框、测试结果显示选择框。

(1)测试功能选择框。可以选择测试电容、电阻、损耗因数等，即 CPD、CPRP、CPG 等。

(2)测试参数设置框。软件提供了2组测试参数设定界面供操作。操作时可以根据测试要求设置起始温度、结束温度、温升梯度、温度精度、测试电压、测试直流偏压、测试元件数量、稳定时间、测试频率点数及每个测试频率点的频率值，系统将按照设定的测试参数自动完成整个测试过程。具体的测试条件设定区在主界面右侧中部。

(3)测试结果显示选择框。选择相应的测试频率，在主界面右上方的测试结果显示区实时显示对应频率的测试结果。测试结果显示区在主界面右上部。

在主界面的左下部显示当前的时间、当前温度值。参数设置完成后，点击主界面右下部的“开始测试”按钮，即可自动进入测试过程。测试完成后，自动以EXCEL文本格式保存测试结果，点击“结束测试”按钮，可以随时退出测试。

3 结语

本自动测试系统经过反复调试、优化，运行效果良好。使用三年多来，测试系统展现出了功能全面、操作简便、自动化程度高的优点，整个测试过程全自动无人值守，达到预期要求。本测试系统的开发对于实现功能元件电学性能参数的自动化测试提供了很好的借鉴和参考价值。

［1］明士斌，陈伟，吉国力.多路LCR参数自动测试分析系统的开发［J］.自动化与仪表，2005，20(3):50-52.

［2］邱虹，熊兆贤，吉国力，等.LCR全自动测试系统［J］.实验室研究与探索，2008，27(2):46-49.

［3］曹赞，欧阳思华，李艳奎，等.基于Agilent VEE的LCR自动测试系统［J］.电子测量技术，2010，33(6):92-94.

［4］曹菲，董显林.基于VB和GPIB接口的阻抗分析仪及多功能万用表自动测试系统［J］.计量技术，2006(3):6-8.

［5］Agilent Technologies.Agilent E4980A精密LCR表用户指南［M/CD］.2006-07-01.http://www.agilent.com/find/e4980a/.

［6］吴忠杰，林君，韦建荣，等虚拟测试系统中模块化仪器关键技术研究［J］.仪器仪表学报，2005，26(8):2083-2086.

［7］徐军.虚拟仪器在计量测试中的应用［J］.信息系统工程，2013(1):98-99.

［8］北京双诺测控技术有限公司.AC140使用手册［M/CD］.2008-09-01.http://www.wwlab.com.cn/.