Устройство допускового контроля емкости проводников многослойных керамических плат

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для автоматизации контроля и измерения величины емкости проводников многослойных керамических плат. Целью изобретения является повышение достоверности контроля емкости путем уменьшения влияния емкости монтажа коммутатора на измеряемую величину емкости проводника. Устройство содержит задающий генератор 1, делитель 2 частоты, блок 3 управления АЦП, блок 4 управления, элемент 5 задержки, дифференциальный усилитель 6, быстродействующие коммутаторы 7 и 8, резисторы 9 - 12, стабилитрон 13, резистор 14, повторитель 15 напряжения, транзисторы 16, 17, резисторы 18, 19, транзисторы 20 - 22, триггер 23, операционный усилитель 25, аналого-цифровой преобразователь 27, масштабирующий усилитель 29, блок 30 запоминания, вычислительный блок 31, микропроцессор 32, оперативное запоминающее устройство 33, блок 34 ввода-вывода, дешифратор 35, блок 36 управления коммутатором, триггер 37, транзистор 38, ключи 40 - 42, коммутатор 43, емкость 44 монтажа, зарядные резисторы 45 - 47, контактный блок 48, контролируемые емкости 49 - 51. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСН ИХ

РЕСПУБЛИН

„„80„„1610442

А1 (51) 5 G 01 R 2i/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ °

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗ06РЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4486805/24-21 (22) 26.09,88 (46) 30.11.90. Бил. й- 44 (72) В,Г. Махонин, В.М. Бояринов, А.К. Соболь и Н.С. Глущенко (53) 621.317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1114978, кл. G 01 R 27/26, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДОПУСКОВОГО КОНТРОЛЯ

ЕМКОСТИ ПРОВОДНИКОВ МНОГОСЛОЙНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ПЛАТ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для автоматизации контроля и измерения величины емкости проводников многослойных керамических плат. Целью изобретения является повышение достоверности контроля емкости путем уменьшения влияния емкости монтажа коммутатора на измеряемую величину емкости проводника. Устройст2 во содерж т задающий генератор 1, делитель 2 частоты, блок 3 управления

АЦП, блок 4 управления, элемент 5 задержки, дифференциальный усилитель 6, быстродействующие коммутаторы 7 и 8, резисторы 9 — 12, стабнлитрон 13, резистор 14, повторитель 15 напряжения, транзисторы 16 и 17, резисторы 18 и

19, транзисторы 20 — 22, триггер 23, операционный усилитель 25, аналогоцифровой преобразователь 27, масштабирующий усилитель 29, блок 30 запоминания, вычислительный блок 31 микропроцессор 32, оперативное запоминающее устройство 33, блок 34 ввода-вывода, дешифратор 35, блок 36 управления коммутатором, триггер 37, транзистор е

38, ключи 40 — 42, коммутатор 43, емкость 44 монтажа, зарядные резисторы

45 — 47, контактный блок 48, контролируемые емкости 49 — 51. 2 ил., 1 табл.

1610442

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для автоматизации контроля и измерения величины емкости 5 проводников многослойных керамических плат (МКП), Цель изобретения — повышение достоверности контроля путем уменьшения влияния емкости монтажа коммутатора 10 на измеряемую емкость проводника.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства допускового контроля емкости проводника многослойных керамических плат; 15 на фиг, 2 — график напряжения в точIcax а, б, в, r и д функциональной схемы.

Устройство содержит задающий генератор 1, выход которого соединен 20 с входом делителя 2 частоты и .блоком

3 управления АЦП. Выход делителя 2 частоты соединен с входом блока 4 управления, элементом 5 задержки и блоком 3 управления АЦП, Выход блока 4 25 управления соединен с входом дифференциального усилителя (ДУ) 6, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами быстродействующих диодных коммутаторов (ДК) 7 и.8, 30 положительные входы которых через резисторы 9 и 10 соединяются с шиной

+15 В, а отрицательные входы через резисторы 11 и 12 соединяются с шиНОЙ вЂ” 15 В, Аналоговый Вход ДК 7 сое- 35 динен с общей цепью устройства, аналоговый вход ДК 8 соединен с плюсом стабилитрона 13, который через резистор 14 соединен с шиной +15 В. Аналоговые выходы ДК 7 и 8 соединены между <0 собой и входом повторителя 15 напряжения (ПН) базы транзисторов 16 и 17, Эмиттер транзистора 16 соединен через резистор 18 с шиной +15В, Эмиттер транзистора 17 через резистор 19 сое- 45 динен с шиной -15 В. Коллектор транзистора 16 соединен с шиной -15 В.

Коллектор транзистора 17 соединен с шиной +15 В. Эмиттер транзистора 16 соединен с базой транзистора 20, Эмит- 50 тер транзистора 17 соединен с базой транзистора 21. Коллектор транзисто.ра 20 соединен с шиной +15 В, Коллек тор транзистора 21 соединен с шиной

-15 В. Эмиттеры транзисторов 20 и ?1 (выход ПН 15) соединены с коллектором транзистора 2? и с входом триггера

23 конца измерения через резистор 24 с неинвертирующим входом операционноro усилителя (ОУ) 25, выход ПН 15 соединен с неинвертирующим входом ОУ

25 через резистор 26 с инвертирующим входом ОУ 25, выход которого соединен с входом аналого-циврового преобразователя АЦП 27 и через резистор 28 — с неинвертирующим входом ОУ 25. На базе ОУ 25 резисторов 24, 28 собран

МУ 29. Выход аналого-цифрового преобразователя 27 соединен с входом блока

30 запоминания, выход которого соединен с шиной интерфейса вычислительного блока 31 в составе микропроцессора

32, оперативного запоминающего устройства 33, блока 34 ввода-вывода.

К магистрали интерфейса микропроцессора подключены дешифратор 35 сигнала пуска, выход задающего генератора 1, вход блока управления коммутатором 36, Выход дешифратора 35 сигнала пуска соединен с входом триггера 37 пуска и входом триггера 23 конца измерения, Выход узла 5 задержки запуска соединен с базой транзистора 38, коллектор которого соединен с базой транзистора 22, а через резистор 39 — с шиной +15 8, Эмиттер транзистора 22 соединен с общей шиной ключей 40 — 42 модуля коммутатора 43, к общей шине подключена емкость монтажа коммутатора 44, Выходы ключей 41 — 43 через зарядные резисторы 45 — 47, контактный блок 48 соединяются с контролируемыми емкостями 49 — 51 проводников многослойной керамической платы 52.

Устройство допускового контроля емкости проводников MKII работает следующим образом, МКП предназначены для работы в высокочастотных устройствах, поэтому величина емкости проводников оказывает существенное влияние на качество работы устройств, смонтированных на этих платах, Существующий технологический процесс изготовления МКП не может обеспечить точное значение емкости проводников МКП относительно общей цепи, поэтому возникает необходимость допускового контроля этих емкостей. Количество таких проводниксв вМКП составляет сотни итысячи поэтому возникает необходимость автоматизации процесса контроля емкости проводников MKII. При автоматизации измерения емкости проводников MKII возникает необходимость поочередного подключения контролируемых емкостей 49 — 51

1610442 (фиг, 1) к устройству допускового контроля емкости проводников МКП. Такое подключение производится с помощью программно-управляемого коммутатора

43, обеспечивающего поочередное подключение одного из и-входов проводников МКП к измерительной шине устройства контроля, Поскольку к измерительной шине подсоединяется и ключей коммутатора 43, общая монтажная емкость коммутатора составит

С вЂ” С,- n+ (, где С вЂ” монтажная емкость одного к ключа; и — общее количество ключей коммутатора;

С вЂ” емкость подводящих цепей ком- 20

М мутатора.

Величина емкости одного ключа коммутатора составляет до 5 пФ, Общее количество ключей в коммутаторе составляет до 500. С, составляет до 200 пФ.

Таким образом, емкость 44 коммутатора 43 будет иметь величину м 5 д 500+200п,„= И пФ

Величина измеряемой емкости проводников МКП составляет от 10 до

1000 пФ, т,е. емкость монтажа 44 коммутатора 43 в несколько раз превы- . шает величину контролируемой емкости, что значительно затрудняет применение существующих методов контроля для устранения влияния емкости коммутатора, В предлагаемом изобретении предлагается техническое решение, позволяющее разделить во времени процесс заряда емкости монтажа и контролируемой емкости и по скорости измерения величины тока заряда контролируемой емкости определить ее величину, Заряд емкости монтажа 44 производится до начала цикла заряда контролируемых емкостей проводников МКП

49 — 51 за время действия импульса напряжения, приведенного на фиг. 2 б через открытые транзисторы 20 и 22.

Величина сопротивления зарядной цепи составляет не более 10 Ом.

Постоянная времени заряда составит (RC = 10 ° 2700 10 = 27-10 c°.

Заряд контролируемых емкостей проводников МКП 49 — 51 производится через резисторы 45- 47, величина сопротивления которых составляет 200 кОм.

Постоянная времени заряда составит

c RC: = 2 ° 10 ° 10"10 = 2 ° 10 с, т,е. примерно в 100 раз больше времени заряда емкости монтажа 44, К началу измерения величины тока заряда контролируемых емкостей проводников МКП 49 — 51 емкость монтажа 44 зарядится до напряжения не менее

0,99 U калиброванного по амплитуде импульса напряжения с выхода ПН 15 (фиг, 2в). Погрешность измерения контролируемых емкостей проводников

MKII составит при этом не более 2-31.

Функциональное взаимодействие узлов Г11И 1 формирует прямоугольные импульсы напряжения, форма которых приведена на фиг. 2а. Частота повторения импульсов ГIIИ 1 изменяется по заданной программе от микропроцессора

32 в зависимости от измеряемой емкости. При измерении емкости проводников

MKI1 в пределах 10-50 пФ частота повторения импульсов ГПИ 1 составляет й1 = 5 ° 11) Гц: в пределах 50-200 пФ, 6

f = 10 Гц; в пределах 200-1000 пФ, — 2 10 Гц.

С выхода ГПИ 1 прямоугольные импульсы напряжения поступают на вход делителя 2 частоты (форма напряжения на выходе приведена на фиг, 2в) и на вход логической схемы 3 управления запуском АЦП (форма напряжения на выходе приведена на фиг, 2г). С выхода делителя 2 частоты прямоугольные импульсы напряжения поступают на вход узла 4 управления и на вход логической схемы 3 управления запуском AIQI. На вход узла 4 управления поступают сигналы также с триггера

23 конца измерения и триггера 37 пуска, С выхода блока 4 управления импульс напряжения положительной полярности, равный по длительности десяти периодам ГПИ, поступает на вход

ДУ 6, с выхода которого сдвинутые по фазе на 180 прямоугольные импульсы о напряжения амплитудой не менее 12 В, поступают на управляющие входы ДК 7 и

8. Когда на положительный управляющий вход ДК 7 (точка е) поступает импульс положительной полярности, а на отрицательный управляющий вход ДК 7 (точка ж) импульс отрицательной полярности, диоды ДК 7 открыты и напряжение на выходе ДК 7 (точка к) равно О. В это

1)) 1 044

i11 ° ° *)В >:,i I 1 . A)! òt i) 1).111 „;;;);j В,.)яющий .!!. )) )т))чка,)) .).);.т у)-,а;-т импульс 1 ()":1) l I . 1! )1 и il()1(Я1) нс с ти а на ОтРи

I l 1 сt. J) );)11) управ)!яюший Вход ДК 8 (точ кэ,) по .туиает импульс: положительной

l1(.)Врн" сти, диодь! Дк 8 закрыты, Прн смене фазы импульсов на выходе

ДУ j) Открывается ДК 8, а ДК 7 закрывается. Напряжение на выходе ДК 8 (точка к) будет равно напряжению на стабилитр<)не 13. Таким образом, напряжение на общем выходе ДК 7 и 8 (точка к) будет изменяться от 0 до напряжения стабилизации (Уст) стабилитро- 15 на 13 и будет иметь форму прямоугольных импульсов с амплитудой, равной

U и длительностью, равной длительности управляющих импульсов (фиг.2в), т.е. амплитуда импульсов будет калиб- 20 рована напряжением стабилизации прецизионного стабилитрона. 13.

С выхода ДК 7 и 8 (точка к) прямоугольные импульсы напряжения калиброванной амплитуды поступают на вход 25

1П! 15 базы транзисторов 16 и 17, работающих в режиме эмиттерных повторителей с большим входным сопротивлением, поскольку токи базы транзисторов 16 и 17 протекают в общей цепи в 30 противоположных направлениях. При рав» icTBe параметров транзисторов 16 и 17 разность базовых токов в точке к близка к О, что позволит передавать калиброванные по амплитуде импульсы напряжения беэ искажений, С эмиттеров транзисторов 16 и 17 прямоугольные импульсы напряжения подаются на базы транзисторов 20 и 21, работающих в режиме эмиттерных повторителей с 40 общей нагрузкой. Такое включение транзисторов 20 и 21 обеспечивает низкое сопротивление повторителя 15 напряжения для напряжений любой полярности, При величине сопротивления 45 нагрузки К 100 Ом коэффициент перецачи ПН К 0,98, Низкое выходное сопротивление ПН 15 обеспечивает малое время заряда емкости монтажа 44 через открытый транзистор 22. Калиброванное по амплитуде выходное напряжение ПН 15 обеспечивает необходимую точность тока заряда емкостей проводников MKII 49 — 51, Управление включением транзисторного ключа 22 проиэво- 55 дится от узла 5 задержки запуска, выполненного по <хеме олновибратора, ксТор) )lt запускав ) ñ)) перепним фронтом импу:Ib(.а с вь)х)ла лечит .)я 2 частоты. ()днОВис) )с11 jlp 5 форми1)ует HM)lvJ)hc p форма которого представлена на фиг, 2 б, Длительность импульса одновибратора составляет 1,5 длительности

ГПИ 1, изменение длительности производится по программе отмикропроцессора 32 одновременно с изменением частоты следования импульсов ГПИ 1, С выхода узла 5 задержки запуска прямоугольный импульс напряжения отрицательной полярности поступает на базу транзистора 38, который закрывается, напряжение на его коллекторе возрастает, транзистор 22 открывается на время действия импульса задержки запуска.

За это время емкость монтажа 44 полностью заряжается и в дальнейшем не оказывает влияния на заряд емкостей проводников ИКП. Импульс задержки запуска поступает на вход логической схемы 3 управления запуском АЦП, запрещая прохождение импульсов с выхода

ГПИ 1 на вход АЦП 27.

На третий вход логической схемы 3 поступает импульс с выхода делителя

2 частоты, разрешая прохождение импульсов с ГПИ 1, Таким образом, на выходе логической схемы 3 импульсы запуска АЦП 27 формируются при нали— чии разрешающего положительного импульса с выхода делителя 2 частоты и отсутствии запрещающего отрицательного импульса с выхода узла 5 задержки запуска, т,е, на выходе логической схемы 3 формируется серия из 9 импульсов, которые поступают на запуск

АЦП 21.

Формы входных и выходных импульсов представлены на фиг. 2 а, б, в и r, IIo заднему фронту импульса разрешения измерения с выхода ПН 15 поступает сигнал на триггер 23 конца измерения, который формирует сигнал запрета на вход блока 4 управления. Это позволяет до начала следующего цикла измерения полностью разрядиться монтажной емкости 44 и емкости проводников

ИКП 49 — 51 за время обработки результатов измерения в микропроцессоре 32, так как импульсы с делителя 2 часто— ты не будут поступать на вход ДУ 6.

Перед началом следующего цикла измерения с микропроцессора 32 на вход триггера 23 конца измерения подается сигнал "Сброс", С выхода триггера 23 конца измерения снимается запрет на работу узла

4 управл ния °

161!!442!

О Заряд емкости проводников 1!КП

49 — 51 производится через транзистор

20, резистор 26, ключи 40 — 42 модуля коммутатора 43, резисторы 45 — 47 контактного устройства 48. Ток заряда контролируемых емкостей, протекая через резистор 26, создает на нем падение напряжения, пропорциональное по величине току заряда емкостей проводников MKII 49 — 51. Это напряжение усиливается ОУ 25 и подается на аналоговый вход АЦП 27. Коэффициент усиления ОУ 25 равняется

К вЂ” —, 1 28 с к, ем.

K=(n-1) (Uq-U )-(U<-U„), где и — номер отсчета величины напряжения (фиг. 2д);

U,,U ...,,Un — величина напряжения 35 первого, второго...n отсчетов, Измерение величины U ) U Ц !т производится быстродействующим АцП 27 с временем преобразования не более 40

0,1 мкс в моменты времени, соответствующие переднему фронту импульсов

ГПИ 1.

В таблице приведено изменение напряжений U cL u U h„ для двух разных 45 значений постоянных времени л I5 л

51 46 С50 заряда емкостей проводников MKII, Из данных таблицы видно, что при изменении напряжения от U до

О, i U нелинейность изменения напряжения во времени не превышает

5 l. 55

В пределах К не более 5 Х для U< можно сделать 8 отсчетов,для U а

15 отсчетов. где К вЂ” коэффициент усиления ОУ 25 беэ обратной связи, В предлагаемом устройстве К = 40, 20 что обеспечивает оптимальное зйачение напряжения на вход АЦП 27 (форма напряжения приведена на фиг, 2д), Напряжение на входе АЦП 27 изменяется по экспоненциальному закону. В таблице приведено изменение величины напряжения на входе АЦП 27 во времени, Значение К определяется отношениТакого количества отсчетов вполне достаточно для определения скорости изменения тока заряда емкости проводников ИКП 49 — 51. Иинимально необходимое количество отсчетов должно быть не менее трех. Результат измерения мгновенного значения напряжения в точке отсчета в цифровом восьмираэрядном коде с выхода АЦП 2l поступает на вход быстродействующего БЗУ 30 со временем записи не более 50 10 с, в котором накапливается результат измерения нескольких отсчетов. По окончании цикла измерения результат из БЗУ

30 передается в микропроцессор 32 для обработки результатов измерения по следующему алгоритму. Передача всего массива информации по результатам измерения из БЗУ 30 в микропроцессор 32.

Определение разности двух соседних отсчетов производится вычитанием каждого последующего измерения из предыдущего (2 2 Е 3

gU> = 13, — U и т д, Полученные результаты $ U сравниваются межпу собой, Результаты, отличающиеся не более, чем на 0,05 5 U, складываются и определяется их среднее значение

AUi+ Л Ь+. а а+ AUn ср и

Величина контролируемой емкости обратнопропорциональна скорости изменения тока, выраженного через изменение величины напряжения за время между двумя отсчетами мгновенного значения напряжения

ht

С = К вЂ”вЂ” б "Ср где b,t — - интервал времени между двумя соседними отсчетами равен периоду повторения импульсов

ГПИ 1 и устанавливается программно в зависимости от величины контролируемой емкости.

При измерении емкости проводников ,ИК1! в пределах 10-50 пФ, Ь t

= 0,2 мкс, в пределах 50-200 пФ, P t

1 мкс; в пределах 200-1000 пФ Д с

5 мкс.

К вЂ” коэффициент пропорциональности.

161 0442

Ilo окончании цикла измерения одной емкости проводников MKII и выдачи результатов контроля на печа ь или устP ойство ввода-вывода производится пе5 реход к измерению следующей емкости, Выбор измеряемой емкости проводников

МКП 49 — 51 производится по заданной программе от микропроцессора 32, с выхода которого B магистраль интерфейса 1ð

ЭВИ поступают управляющие сигналы иа модуль управления коммутатором 36, Принятые сигналы управления преобразовываются в сигналы включения заданного номера точки коммутатора 43, !5

Ф ор мул а и з о б р е т ения

1. Устройство допускового контроля емкости проводников многослойных кера- о мических плат, содержащее блок управления, задающий генератор, выход которого соединен с первым входом блока управления АЦП, вход задающего генератора соединен с шиной вычисли- 25 тельного блока и входом блока управления коммутатором, выход которого соединен с управляющим входом высокочастотного коммутатора, выход которого соединен с контактным блоком для 3П подключения контролируемой платы, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности контроля путем уменьшения влияния емкости монтажа коммутатора на измеряемую ем- 35 кость проводника, в него введены делитель частоты, элемент задержки, аналого-цифровой преобразователь, два быстродействующих коммутатора, стабилитрон, повторитель напряжения, два 4р триггера, два транзистора, масштабирующий усилитель, блок запоминания, дифференциальный усилитель и дешифратор запуска, входы которого соединены с инверсными выходаии первого и второго 45 триггеров, а выход соединен с шиной вычислительного блока, прямой выход первого триггера соединен с входом второго триггера и вторым входои блока управления перВый ВыхОд кОторОГО 5р соединен с входом первого триггера, а второй выход блока управления соединен с входом дифференциального усилителя, парафазные выходы которого соединены с управляющими входами быстродействующих коммутаторов, первый аналоговый вход первого быстродействующего коммутатора соединен с общей шиной, аналоговый выход первого быстродействующего коммутатора соединен с аналоговым выходом второго быстродействующего коммутатора и входом повторителя напряжения, аналоговый вход второго быстродействующего коммутатора соединен с первым выводом стабилитрона, второй вывод которого соединен с общей шиной, выход повторителя напряжения соединен с первым входом масштабирующего усилителя и коллектором первого транзистора, эмиттер которого соединен с вторым входом масштабирующего усилителя и входом высокочастотного комиутатора, база первого транзистора соединеиа с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с общей шиной, а база соединена с первым выходом элемента задержки и вторым входом блока управления АЦП, выход масштабирующего усилителя соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления АЦП, а выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом блока запоминания, выход которого соединен с шиной вычислительного блока и вторым входом элемента задержки, вход которого соединен с выходом делителя частоты, вторым входом блока управления и третьим входом блока управления АЦП, а вход делителя частоты соединен с выходом задающего генератора, 2. Устройство по п, 1, о т л и чающе е.ся тем, что, с целью уменьшения величины емкости монтажа коммутатора путем сокращения количества элементов коммутации до одного иа одну контролируемую цепь введены в контактный блок зарядные резисторы, по одному на каждую контролируемую емкость, включенные между контактами контактного блока и контролируемыми емкостями.

14

13

1Ь10442

>15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0>50 0,55 0>60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 ,86 0 82 О 78 . 0 74 О 70 О 67 О 64 0 61 О 56 0 55 O 52 0 50 0 47 0 45 0 43 ,01 0>02 0,03 0,04 0>05 0»07 0,09 0> t 1 О, 13 О, 15 0> 17 0,19 0,22 0,25 0,28 ,925 0»90 0,88 0,86 0,84 0»82 0,80 0,78 0>76 0>74 0,72 0»70 0,685 0>67

0 0>01 01 0>02 0>03 0>03 0>04 0»05 0>05 0»06 0»07

Ui отеосателзаое из>»аеазхе w» aatet aaapaaeatta на резасторе Pat ° »вз>вевтвв s>at»catt

1, 2, 3, 4 ° 5, 6, 7» 8, 9, 10, 11» 12, 13, 14 15 (фет. 2ц)1 tt хозф ищхаат еа>еваайаоствв отеосввтелъяо хз>вехееез ааарааеааа еа резисторе 26 ° ороцессе as>teaeaaa тоха заревва ettaoe» тей арозодеехоз tttttt 49 51.

Фиг.г

Составитель А. Шикерун

Техред Д.Сердюкова Корректор,А. 0сауленко

Редактор Ю. Середа

Заказ 3737 Тираж 557 Подписное

" ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

11 tt