利用筛选装置进行电子元器件检测装置设计

奚望，周加耀

（陕西恒太电子科技有限公司，陕西西安，710100）

0 引言

电子元器件作为现代电子产品的核心组成部分，其质量和性能对产品的可靠性和稳定性至关重要[1]。然而，在电子元器件制造过程中，由于生产工艺、材料差异以及制造设备的变化等因素，不可避免地存在一定数量的不合格元器件。此类不合格元器件，容易导致产品故障、性能下降等问题，甚至会危害到用户的安全。为解决上述问题，利用筛选装置进行电子元器件的检测和筛选，可保障产品质量和性能。通过对电子元器件进行分拣和筛选，剔除不合格的元器件，并筛选出符合要求的元器件，能够保障产品的可靠性和稳定性[2]。本文通过设计利用筛选装置进行电子元器件检测的装置，探索了利用现代技术方法提高元器件检测精度和筛选效率的有效途径。从筛选装置的结构设计入手，设计合理的组成模块和连接方式，使得整个装置具有良好的稳定性和可靠性。同时，通过集成测试的验证，评估了该装置的性能和有效性，以期为电子制造企业提供一种可靠的元器件检测解决方案。

1 筛选装置结构设计

利用筛选装置进行电子元器件检测装置由输入层、控制层和输出层等多个部分构成。筛选装置设计总结构见图1。

图1 筛选装置设计结构图

输入层是与检测装置进行交互的数据界面，通过该界面用户可以输入检测要求、参数设置等，并获取检测结果。控制层是实际执行电子元器件检测的核心部分，主要包括传感器、控制器和执行器等设备。传感器用于检测元器件的物理特性或电气特性，如尺寸、电阻、电容等[3]。控制器用于控制筛选装置的动作和参数。执行器根据控制信号移动、旋转或操作对装置进行筛选。输出层可以显示检测结果、报警信息或其他相关信息。各层级通过与其他部分的接口进行通信，获取传感器数据、发送控制指令并处理检测结果。输入层计算机选用AMD Ryzen 9 5900X，其具备高性能的处理器、足够的存储容量和丰富的输入输出接口。控制层包括硬件和软件两个部分。硬件控制部分由微控制器、集成电路芯片等组成，负责连接服务器与其他部分，并执行各种操作和控制指令。软件控制部分则通过控制电压电路并使用PID 控制算法实现设备的自动化控制和监控故障问题。供电系统提供电源给整个检测装置，以确保各个部分正常工作，稳定输出所需的电压和电流，为检测装置提供过载保护功能。

2 硬件设计

利用筛选装置进行元器件检测的装置设计组成见图2。

图2 元器件筛选装置组成图

主处理器Intel Core i7-10700K 是筛选装置进行元器件检测的核心，负责执行指令和处理数据，Intel Core i7-10700K 拥有16 线程，可以同时执行多个任务。对于元器件检测装置而言，意味着可以并行处理多路输入信号、数据分析和故障判断等任务，提高系统效率和响应速度。存储器采用DDR4-3200，用于存储程序代码、数据和临时变量。I/O 接口用于与外部设备进行数据交互，包括GPIO、ADC/DAC 和通信接口。计数器74LS193 用于计时、延时和频率测量等功能。74LS193 计数器具有多种工作模式，可以实现不同的计数方式和功能。它可以作为二进制、BCD 和十进制计数器，可编程预置计数器以及频率分频器等。其在使用期间非常灵活，能够适应不同需求的计时、延时和频率测量应用。中断控制器8259A 处理外部中断信号，实现对外部事件的响应。集成电路中，电源管理单元负责管理电源供应和控制低功耗模式。装置采用MPU-6050 传感器作为外部设备，并将其连接到微控制器，MPU-6050 集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪。它能够同时测量装置的加速度、角速度和倾斜角度等运动参数，为筛选装置提供全面的运动监测功能。以上部分相互协作，构成了一个完整的微控制器系统。根据装置应用需求和功能要求，设计选择了ATmega328P微控制器芯片，并在结构设计图中进行布局和连接，以实现装置检测电子元器件所需的功能和性能。

3 软件设计

■3.1 电压控制

根据待检测的电子元器件的规格和特性，设计电池的低电压阈值为3.5V，此时，使用一个电压分压电路将电池电压降低到可测量范围，再通过ADC 将电压转换为数字信号。电压分压公式见式(1)。

式中，Vin为输入电压（电池电压），Vout为输出电压（用于ADC 输入的测量电压），R1为上方电阻的阻值，R2为下方电阻的阻值。ADC 转换公式见式(2)。

式中，Vin为输入电压（经过电压分压电路得到的测量电压），DV为ADC 转换后的数字值，ADCMV为ADC 的最大可表示值，Vref为ADC 的参考电压。得出电压值后，将采样得到的数字电压信号与设定的电压阈值进行比较。如果电压小于等于3.5V，则认为电池电压正常；否则，认为电池电压低于阈值，当检测到电池电压低于设定阈值时，触发报警机制。

■3.2 电路放大

在设计利用筛选装置进行电子元器件检测装置的过程中，设计电路放大是为了增强信号的强度或者去除不需要的频率成分，以便更好地进行后续的信号处理和判断[4]。电路放大公式见式(3)。

式中，Vout为输出电压，Vin为输入电压，A为放大器的增益。假设在利用筛选装置对电子元器件进行检测期间，输入信号需放大2 倍，则增益A为2，放大器的输出电压则是输入电压的两倍。

■3.3 电路滤波

设计电路滤波的目的是去除或减少信号中的不需要的频率成分，使得输出信号更加纯净、稳定和符合需求，并保留需要的信号成分[5]。滤波器传递函数计算公式见式(4)。

式中，Vout为输出电压，Vin为输入电压，ω为频率，ωc为滤波器的截止角频率。通过选择合适的截止频率，可以控制滤波器的频率响应，只保留低于截止频率的信号成分，从而实现对高频信号的滤除。在滤波器设计中，通过调整截止频率的大小，可以决定滤波器的通带和阻带范围。对于低通滤波器，信号的幅度降低到滤波器增益的一半比例，低于截止频率的信号将通过滤波器被保留，而高于截止频率的信号则将被滤除。

■3.4 PID 故障诊断与报警

在PID 控制中，故障诊断和报警是其主要功能，在筛选装置出现异常或故障时，利用PID 故障检测法，能够及时检测、诊断并提供相应的报警信号。PID 故障诊断与报警的实现流程见图3。

图3 PID 故障与诊断报警的实现流程图

开始节点表示开始执行PID 故障诊断与报警的流程。随后，开始监测PID 控制器的输入和输出信号，通过设定报警阈值，可比较输入和输出信号之间的差异。报警阈值的具体数值，则根据控制对象的特性、目标设定和安全性要求等进行确定。接下来，将输入信号与输出信号进行比较，通过计算误差检查两者之间的差异。误差可以是输入信号与输出信号之间的偏差，通过判断误差是否超过预设的报警阈值，可以确定是否存在故障或异常情况。如果误差超过阈值，则说明存在故障，并进入发出报警信号的步骤。如果误差未超过阈值，则说明系统正常，直接结束流程。

4 集成测试

■4.1 测试准备

通过利用筛选装置对ECAP1C0G331 电容器进行检测，在确定ECAP1C0G331 电容器的外观、型号和标识等内容均未发现问题后，对其进行电气性能和应力筛选，以确保其质量和可靠性。针对电气性能问题，采用容量测量的方法进行测试。首先，使用电容测试仪或对ECAP1C0G331 电容器的实际容量进行测量，并与规定容量值进行比较。随后，通过将ECAP1C0G331 电容器连接到电压源和负载电阻，并施加规定的额定电压，观察电容器是否能够正常承受并稳定工作。应力筛选测试的目的在于研究电容器在特定应力环境下的可靠性和稳定性。通过将电容器置于温度循环测试设备中，在规定的温度范围内进行循环变化。设置温度变化周期为-40℃～+85℃，在每个温度点上，观察电容器的电气性能，如容量和损耗因素，以评估其性能表现。

■4.2 测试结果

利用筛选装置对ECAP1C0G331 电容器进行容量测量的结果为328µF，与规定容量值330µF 有轻微差异。在电压耐受测试中，测试结果显示通过，表明电容器能够正常承受规定的额定电压。在应力筛选测试中，其温度变化周期见表1。

表1 温度周期变化测试数据

由表1 测试数据可知，随着温度的升高，电容器的电容值逐渐减小。反映出电容器的温度特性即随着温度的变化，电容器的电容值也会相应变化。在-40°C～60°C 的温度范围内，电容值变化不是非常显著。从325µF～327µF 的变化范围相对较小，说明电容器在该温度范围区间的电容值变化较小，具有较好的稳定性。综合来看，在整个温度测试范围内，电容器的一致性都相对较高，均超过99%。意味着在不同温度下进行循环测试过程中，电容器的测试数值变化较小，该筛选装置具有较好的稳定性。

5 结束语

该筛选装置考虑了不同类型的电子元器件、筛选标准和测试需求，装置能够根据预设的筛选标准，对电子元器件进行分拣和筛选，剔除不合格的元器件，并保留符合要求的元器件。此外，筛选装置在执行筛选过程中，能够保持稳定的性能和准确的判别能力，一定程度上能够为电子制造企业提供可靠的元器件检测解决方案。通过对该筛选装置进行集成测试，验证了该装置的稳定性和有效性。装置能够准确判断电子元器件的质量及性能，并及时报警识别故障，有助于提高产品质量、降低故障率。