DE4304448C2 - Guard-Testvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Testvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Das Testen von im folgenden als Meßelement bezeichneten elektri­ schen Bauelementen, also z. B. Widerstände, Kondensatoren etc., bringt eine Reihe von Problemen mit sich. Zunächst muß das Meß­ element an beiden Anschlüssen kontaktierbar sein, damit diese mit dem Masseanschluß und dem Stimulusanschluß der Testvorrichtung verbindbar sind. Es können dann ein Stimulus in Form von Strom oder Spannung gegen Masse angelegt werden und die sich ergeben­ den Spannungen oder Ströme gemessen werden, wonach sich nach dem Ohm′schen Gesetz der Wert des Meßelementes bestimmen läßt.

Es liegen aber bei Verhältnissen der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art in dem Netzwerk, in dem sich das Meßelement befindet, in einer Dreieckschaltung Bauelemente parallel, woraus sich nach dem Ohm′schen Gesetz eine Verfälschung des Meßergeb­ nisses durch die unbekannten parallelen Bauelemente ergibt. Um diese Verfälschung auszuschließen, sind Testvorrichtungen der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art bekannt, die nach der sogenannten Guard-Methode arbeiten. Dazu wird eine Guardein­ richtung an den Guardknoten angeschlossen, die dafür sorgt, daß die Spannung auf beiden Seiten des Nullelementes gleich ist, also die Spannung am Guardknoten auf der Spannung des Sti­ mulusknotens gehalten wird. Wenn die Spannung an beiden Seiten des Nullelementes gleich ist, kann durch dieses kein Strom fließen. Es ist also sichergestellt, daß mit der Testmessung nur das Meße­ lement erfaßt wird und nur dessen wahrer Wert ermittelt wird.

Solche gattungsgemäße Guardeinrichtungen sind aus

RAFFERSEDER, ANDREAS: Incircuit-Test,
In: messen prüfen automatisieren, 1989,
Heft März, S. 105-111
DE 24 48 337 B1
EP 04 83 494 A2

bekannt. Die Guardeinrichtung ist dabei als Spannungsfolger ausge­ bildet. Dieser Spannungsfolger ist mit einer Meßleitung an den Sti­ mulusknoten angeschlossen und vergleicht laufend die Spannung am Stimulusknoten mit der Spannung, die er an seinem Ausgang zum Guardknoten liefert. Die Spannungsdifferenz wird auf 0 geregelt durch Einspeisung eines Guardstromes am Guardknoten, so daß die Spannung am Guardknoten stets der Spannung am Stimulusknoten entspricht.

Dabei besteht aber der Nachteil, daß der Guardstrom in der Guard­ leitung, mit der er dem Guardknoten zugeführt wird, einen Span­ nungsabfall produziert, so daß die Spannung am Guardknoten nicht mehr exakt der Spannung am Stimulusknoten entspricht. Daraus er­ gibt sich eine geringe Spannungsdifferenz über dem Nullelement, die zu einer Verfälschung der Meßergebnisse führt. Die Höhe der Abweichung ergibt sich aus dem sogenannten Guard-Verhältnis, dem Verhältnis aus dem Widerstand des Meßelementes zum Wider­ stand des Nullelementes. Bei zu großen Guard-Verhältnissen kann der Fehler größer als der Meßwert werden.

Der Leitungswiderstand der Guardleitung kann nur in selte­ nen Fällen als fest vorgegeben berücksichtigt werden. Er ist sehr unterschiedlich je nach verwendeter Meßleitung, die bei unterschiedlichem Aufbau von Fall zu Fall von ande­ rer Länge ist. Außerdem geht in diesen Leitungswiderstand auch der Kontaktwiderstand ein, der schwer vorhersehbar ist. Bekannte Testvorrichtungen der eingangs genannten Art kön­ nen daher prinzipiell nur bei kleinen Guard-Verhältnissen und bei hinsichtlich des Leitungswiderstandes der Guard­ leitung sehr genau reproduzierten Messungen verwendet wer­ den.

Zur Lösung dieser Probleme mit dem unbekannten Leitungs­ widerstand der Guardleitung sind Guard-Testvorrichtungen der eingangs genannten Art bekannt, bei denen während der Bestimmung des Meßelementes eine zusätzliche Spannungsmeß­ einrichtung die beiden Enden der Guardleitung abgreift. Diese zusätzliche Spannungsmeßeinrichtung muß über zusätz­ lichen Meßleitungen mit dem Ausgang der Guard-Einrichtung und mit dem Guardpunkt verbunden werden. Dann kann laufend der Spannungsabfall über der Guardleitung gemessen und zu Korrekturzwecken verwendet werden. Nachteilig dabei ist aber der zusätzliche Aufwand durch eine weitere Spannungs­ meßeinrichtung und zwei zusätzliche Meßleitungen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kostengünstige Testvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch bei ungünstigen Guardleitungen und Guard-Verhältnissen exakte Ergebnisse liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird nicht versucht, mit einem Spannungs­ folger die Spannung des Guardknotens einzustellen, sondern es wird eine Guardeinrichtung in Form einer Stromsteuer­ einrichtung vorgesehen, mit der ein zuvor ermittelter Guardstrom eingespeist wird. Da auf der Guardleitung ein Strom eingestellt wird, ist dieser prinzipiell unabhängig von dem Widerstand der Guardleitung und dem Kontaktwider­ stand. Der an der Guardeinrichtung eingestellte Strom wird also exakt am Guardknoten eingespeist. Dieser Strom ist in Abhängigkeit vom angelegten Stimuluswert (Strom oder Span­ nung) von der Testvorrichtung zuvor so berechnet worden, daß er die Spannung am Guardknoten genau auf die Spannung am Stimulusknoten setzt. Die Ermittlung des einzustellenden Guardstromes erfolgt in zwei einfachen Messungen, mit denen zuvor die Vierpolgleichungen der Dreiecksschaltung, in der das Meßelement sitzt, bestimmt werden. Zwar sind hierzu zwei zusätzliche Messungen erforderlich, diese lassen sich aber mit in üblicher Weise konstruierten Testvorrichtungen leicht und schnell durchführen und werden durch den Vorteil aufgewogen, daß auch bei sehr ungünstigen Meßvoraus­ setzungen hinsichtlich der Guardleitung und des Guard-Ver­ hältnisses eine exakte Bestimmung des Meßelementes möglich ist. Gegenüber den bekannten Testvorrichtungen, die den Guardleitungswiderstand laufend messen, ergibt sich eine erhebliche Konstruktions- und somit Kosteneinsparung.

Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Bei den beiden erforderlichen Messungen zum Bestimmen der Vielpolgleichungen ist es bei jeder Messung erforderlich, die Spannung am Stimulusknoten und am Guardknoten zu be­ stimmen. Dies kann durch Umschalten mit nur einer Span­ nungsmeßeinrichtung erfolgen, wodurch der Geräteaufwand bei der Testvorrichtung verringert wird, insbesondere hin­ sichtlich der erforderlichen teuren A/D-Wandlereinrich­ tungen.

Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 3 vorgesehen. Bei niederohmigen Bauelementen geht auch der Leitungs­ widerstand der Masseleitung, mit der die Testvorrichtung an den Masseknoten angeschlossen wird, und der zugehörige Kon­ taktwiderstand störend in das Meßergebnis ein. Die Span­ nungsdifferenz zwischen dem Masseanschluß der Testvor­ richtung und dem Masseknoten wird auf einfache Weise in zwei gesonderten Messungen auf die angegebene Weise be­ stimmt. Mit den beiden Messungen ergeben sich Spannungen zwischen Masseanschluß der Testvorrichtung und dem Mas­ seknoten, deren Summe genau der Spannung entspricht, die über der Masseleitung abfällt, wenn zur Bestimmung des Meß­ elementes die Dreieckschaltung mit dem Stimulus und dem entsprechenden Guardstrom beaufschlagt wird. Daher ist bei der Bestimmung des Meßelementes der Spannungsabfall auf der Masseleitung bekannt und muß dann nicht mehr mit einem Spannungsmeßelement bestimmt werden. Das bei der Bestimmung des Spannungsabfalles auf der Masseleitung verwendete Span­ nungsmeßinstrument kann bei der Bestimmung des Meßelementes zu anderen Zwecken verwendet werden. Es ergibt sich wie­ derum eine bedeutende apparative Einsparung an der Testvor­ richtung, insbesondere durch Einsparung wenigstens einer A/D-Wandlereinrichtung.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und sche­ matisch dargestellt.

Mit der sehr schematisch dargestellten Guard-Testvorrich­ tung soll auf einem gestrichelt angedeuteten bestückten Board B ein Meßelement R_M bestimmt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Board an den relevanten Stellen des sich ergebenden Netzwerkes nur mit Widerständen be­ stückt. Daher sei zunächst dieses Beispiel beschrieben.

Das Meßelement R_M sitzt zwischen einem im folgenden als Stimulusknoten S bezeichneten Knoten und einem im folgenden als Masseknoten M bezeichneten Knoten, an denen die Test­ vorrichtung das Meßelement R_M mit Masse und Stimulus kon­ taktiert. Parallele Widerstände sind in der Abbildung dar­ gestellt, und zwar zwischen dem Stimulusknoten S und einem Guardknoten G ein Nullelement R₀ und zwischen dem Guardkno­ ten G und dem Masseknoten M ein Guardelement R_G.

Eine mit gestrichelter Linie umrahmt dargestellte Testvor­ richtung T ist mit einer Stimulusleitung an den Stimulus­ knoten, mit einer Masseleitung mit Leitungswiderstand RL_M an den Masseknoten und mit einer Guardleitung mit Leitungs­ widerstand RL_G an den Guardknoten G angeschlossen.

Die Testvorrichtung T ist im dargestellten Ausführungsbei­ spiel zum Anlegen eines Stromstimulus ausgerüstet, weist also eine Stromsteuereinrichtung I auf, die der auf dem Board dargestellten Dreieckschaltung am Stimulusknoten S einen Stimulusstrom einstellbarer Größe aufprägt. An den Stimulusknoten S ist weiterhin eine Spannungsmeßeinrichtung V angeschlossen, die den sich ergebenden Spannungsabfall am Meßelement R_M gegen die in der Testvorrichtung mit Erdungs­ symbol bezeichnete Masse ermittelt.

Ohne Guarding ergäbe sich ersichtlich eine erhebliche Ver­ fälschung des Meßwertes durch die parallel zu R_M liegenden Widerstände R₀ und R_G. Daher ist in der Testvorrichtung eine Guardeinrichtung GE vorgesehen, die über die Guardlei­ tung RL_G am Guardknoten G eine Spannung gegen M einstellen muß, die der Spannung am Stimulusknoten S entspricht. Dann ist der Strom durch das Nullelement R₀ gleich 0, und das Spannungsmeßinstrument V ermittelt bei angelegtem Stromsti­ mulus den wahren Spannungsabfall am Meßelement R_M.

Erfindungsgemäß ist die Guardeinrichtung GE als Strom­ steuereinrichtung ausgebildet. An ihr wird ein Guardstrom eingestellt, der bei Einspeisung in den Guardknoten G in Abhängigkeit von dem am Stimulusknoten S eingespeisten Sti­ mulusstrom die Spannung über R₀ zu 0 macht.

Die Testvorrichtung weist nicht dargestellte Umschaltein­ richtungen und Recheneinrichtungen auf, die den Meßwert der Spannungsmeßeinrichtung V aufnehmen und die Stromsteuerein­ richtungen I und GE steuern. Die Recheneinrichtung ist in der Regel digital ausgebildet, und es sind folglich eine A/D- und zwei D/A-Wandlereinrichtungen erforderlich.

Die Testvorrichtung muß zur Bestimmung des Wertes von R_M zunächst in Abhängigkeit von dem vorzugebenden Stimulus­ strom den Guardstrom berechnen. Dazu sind zwei vorherge­ hende Messungen erforderlich, um die Vierpolgleichungen der Dreieckschaltung S, G, M zu bestimmen.

Im dargestellten Beispiel lauten diese Vierpolgleichungen in der Widerstandsform:

U_S = z₁₁ _* i_S + z₁₂ _* i_G
U_G = z₂₁ _* i_S + z₂₂ _* i_G.

Dabei sind U_S und U_G die Spannungen an S und G gegen M, i_S der am Stimulusknoten S eingespeiste Stimulusstrom und i_G der am Guardknoten G eingespeiste Guardstrom. Die Vier­ polparameter z₁₁ bis z₂₂ lassen sich durch zwei Messungen bei unterschiedlichen Werten bestimmen. Am einfachsten ge­ schieht dies durch zwei Messungen, bei denen im einen Fall an S der Stimulusstrom eingespeist wird und G stromlos ge­ setzt wird und im anderen Fall S stromlos gesetzt wird und an G der Guardstrom eingespeist wird. Es werden jeweils U_S und U_G gemessen, und es lassen sich die Vierpolparameter z₁₁ bis z₂₂ errechnen zu

i_G = (z₁₁-z₂₁)/(z₂₂-z₁₂) _* i_s.

Bei vorgegebenem mit der Stromstelleinrichtung I am Stimu­ lusknoten S einzuspeisendem Stimulusstrom i_S läßt sich folglich aus dem nunmehr berechneten Faktor der Guardstrom i_G berechnen und an der Guardeinrichtung GE einstellen, um sodann mit der Spannungsmeßeinrichtung V in perfektem Guard-Abgleich den wahren Wert des Meßelementes RM bestim­ men zu können.

Der Leitungswiderstand RL_G der Guardleitung spielt, da der Guardstrom eingestellt wird, keine Rolle, wobei dieser Lei­ tungswiderstand auch den Kontaktwiderstand der Guardleitung zum Guardknoten G beinhaltet sowie weitere beispielsweise auf dem Board zwischen Kontaktierungspunkt und Guardknoten liegende Leitungsstücke.

Mit der dargestellten Testvorrichtung lassen sich auch an­ dere als Ohm′sche Elemente bestimmen. Beispielsweise kann anstelle von R_M ein Kondensator bestimmt werden. Die oben angegebenen Vierpolgleichungen müssen dann geändert werden durch Ersetzung von U_S durch dU_S/U_S und von U_G durch dU_G/U_G. Durch die oben angegebenen Messungen, wobei dann auch die Spannungsänderungsgeschwindigkeit zu messen ist, können die Vierpolparameter z₁₁ bis z₂₂ dieser Gleichungen bestimmt werden, und es ergibt sich ein Faktor zwischen i_S und i_G, wie oben angegeben, mit dem der Guardstrom in Ab­ hängigkeit vom Stimulusstrom eingestellt werden kann.

Wird auf andere Weise stimuliert, nämlich durch Vorgabe ei­ ner Stimulusspannung und Messung des Stimulusstromes, sind wiederum dieselben Messungen zur Bestimmung des Faktors für den Guardstrom möglich, diesmal allerdings eines Faktors zwischen dem anzulegenden Spannungsstimulus U_S und dem Guardstrom i_G.

Als Vierpolgleichungen können je nach besserer Anwend­ barkeit Vierpolgleichungen in Widerstandsform (wie oben an­ gegeben), Leitwertform, Hybridform oder Kettenform ver­ wendet werden, die den entsprechenden Lehrbüchern entnehm­ bar sind.

Bei näherer Betrachtung der Vierpolgleichungen ergibt sich, daß der Faktor zwischen dem an S angelegten Stimulus (Spannung oder Strom) und dem zum perfekten Guard-Abgleich einzustellenden Guardstrom nur aus Vierpolparametern be­ steht, wenn das Nullelement R₀ nur aus einer Bauteilart be­ steht, also beispielsweise ein reiner Widerstand oder ein reiner Kondensator ist. Unabhängig von der Art (Widerstand oder Kondensator) des Meßelementes R_M und des Guardelemen­ tes R_G ergibt sich dann immer ein Faktor zwischen dem Sti­ muluswert und dem Wert des Guard-Stromes, der nur aus Vier­ polparametern besteht.

Lediglich wenn der Nullzweig, also R₀, aus unterschiedli­ chen Bauteilarten besteht (beispielsweise RC-Glied), ent­ hält der Faktor zwischen Stimuluswert und Guardstrom die Werte der anstelle von R₀ im Nullzweig sitzenden Elemente. Diese müssen dann bekannt sein.

Eine auf diese Weise arbeitende Testvorrichtung kann mit Hilfe des einzustellenden Guardstromes stets perfektes Guarding erreichen, also erreichen, daß die Spannung am Guardknoten G exakt der Spannung am Stimulusknoten S ent­ spricht. Dabei spielt der Leitungswiderstand RL_G der Guard­ leitung keine Rolle. Wichtiger noch ist aber, daß das Guard-Verhältnis, also das Widerstandsverhältnis R_M/R₀, den Guard-Fehler nicht beeinflußt. Die beschriebene Testvor­ richtung kann auch bei sehr ungünstigem Guard-Verhältnis genaue Werte von R_M bestimmen.

Bei den beschriebenen beiden Messungen zur Bestimmung des Faktors zwischen dem einzustellenden Stimuluswert und dem einzustellenden Guardstrom sind, wie die zur Errechnung benötigten Vierpolgleichungen zeigen, Messungen der Span­ nung am Guardknoten G und am Stimulusknoten S gegen den Masseknoten M erforderlich, und zwar die Bestimmung beider Spannungen während einer Messung. Da die Spannungsmessung das Netzwerk nicht belastet, kann die dargestellte Span­ nungsmeßeinrichtung V bei jeder Messung abwechselnd an S und über eine gesonderte Meßleitung an G geschaltet werden, um die Spannungen U_S und U_G zu ermitteln. Eine zweite Span­ nungsmeßeinrichtung ist nicht erforderlich. Die entspre­ chenden Umschalteinrichtungen sind bei Testvorrichtungen üblicher Bauart vorhanden.

Bei den bisherigen Betrachtungen wurde der Leitungswider­ stand RL_M der Masseleitung zwischen der Testvorrichtung und dem Masseknoten M unberücksichtigt gelassen. Dieser Lei­ tungswiderstand, der sich aus dem Widerstand der Leitung und dem Kontaktwiderstand zusammensetzt, kann stark unter­ schiedlich sein und ist nur schwer vorhersagbar. Er kann in ungünstigen Fällen die Bestimmung des Meßelementes R_M we­ sentlich verfälschen.

Die Testvorrichtung sieht daher eine Möglichkeit zur Be­ rücksichtigung des Leitungswiderstandes RL_M vor. Dazu sind zwei gesonderte Messungen erforderlich, zu denen eine Span­ nungsmeßeinrichtung benötigt wird. Hierfür kann in vorteil­ hafter Weise die bei diesen Messungen sonst nicht benötigte Spannungsmeßeinrichtung V der Testvorrichtung benutzt wer­ den, die dann vom Stimulusknoten S entkoppelt und an den Masseknoten M mit einer gesonderten Meßleitung angeschlos­ sen wird.

In zwei Messungen wird zunächst der Stimulusknoten S strom­ los geschaltet und am Guardknoten G der für die folgende Bestimmung von R_M vorgesehene Guardstrom eingestellt. In einer zweiten Messung wird der Guardknoten G stromlos ge­ setzt und der Stimulusknoten S mit dem Stimulusstrom beauf­ schlagt. In beiden Fällen wird mit dem Spannungsmeßgerät V die Spannung am Masseknoten M gegen Masseausgang der Test­ vorrichtung bestimmt, also der Spannungsabfall über RL_M.

Beide ermittelten Spannungen werden addiert und ergeben, wie eine einfache Nachrechnung zeigt, den Spannungsabfall über RL_M für den Fall, daß der Stimulusknoten S mit dem Stimulusstrom und der Guardknoten G mit dem zugehörigen Guardstrom beaufschlagt werden. Bei nachfolgender Bestim­ mung von R_M kann die so ermittelte, als Summe sich erge­ bende Spannung als Spannungsabfall über RL_M zur Korrektur berücksichtigt werden.

Claims (3)

1. Guard-Testvorrichtung zur Bestimmung des Wertes der Impedanz eines in einem aus elektrischen Bauelementen bestehenden Netzwerk mit von außen kontaktierbaren Knoten (S, G, M) angeordne­ ten elektrischen Meßelementes (R_M), wobei in Dreieck­ schaltung zwischen einem Stimulusknoten (S) und einem Masseknoten (M) das Meßelement (R_M), zwischen dem Sti­ mulusknoten (S) und einem Guardknoten (G) ein Nullelement (R₀) und zwischen dem Guardknoten (G) und dem Mas­ seknoten (M) ein Guardelement (R_G) angeordnet sind, dessen Bauelementart bekannt ist, mit einer Stimuliereinrichtung (I) zum Erzeugen eines Spannungs- oder Stromstimulus zwi­ schen dem Stimulusknoten (S) und dem Masseknoten (M) und einer Meßeinrichtung (V) zur Bestimmung des durch das Meßelement (R_M) fließenden Stromes oder der über diesem anliegenden Spannung sowie mit einer an den Guardknoten (G) und den Masseknoten (M) angeschlossenen Guardein­ richtung (GE), die die Spannung am Guardknoten (G) durch Einspeisung eines Guardstromes an diesem auf der Spannung am Stimulusknoten (S) hält, dadurch gekennzeichnet, daß die Testvorrichtung mit Einrichtungen zur Bestimmung von Spannungen und eingespeisten Strömen am Stimulusknoten (S) und am Guardknoten (G) in zwei Messungen bei zwei verschiedenen Betriebsbedingungen des Vierpols die Vier­ polgleichungen der Dreieckschaltung (S, G, M) bestimmt, aus diesen für den Fall gleicher Spannungen am Guardknoten (G) und Stimulusknoten (S) den Faktor zwischen Guardstrom und Stimuluswert errechnet und sodann zur Bestimmung des Wertes der Impedanz des Meßelementes (R_M) am Stimulusknoten (S) einen Stimulus­ wert und am Guardknoten (G) den aus diesem Stimuluswert und dem Faktor errechneten Guardstrom einstellt.

2. Testvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine an den Masseknoten (M) angeschlossene Spannungsmeßeinrichtung (V) mit Um­ schalteinrichtungen vorgesehen ist, um diese bei jeder Messung zur Bestimmung der Vierpolgleichungen abwechselnd an den Stimulusknoten (S) und den Guardknoten (G) anzu­ schließen.

3. Testvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Leitungswiderstandes (RL_M) zwischen dem Masseanschluß der Testvorrichtung und dem Masseknoten (M) in zwei gesonderten Messungen mit einem zwischen dem Massean­ schluß und dem Masseknoten (M) geschalteten Spannungs­ meßgerät (V) der Spannungsabfall gemessen wird, wobei in der einen Messung der Stimulusknoten (S) mit dem zum Test zu verwendenden Stimulus beaufschlagt und der Guardknoten (G) stromlos gesetzt wird und in der an­ deren Messung der Stimulusknoten (S) stromlos gesetzt wird und am Guardknoten (G) der für den Stimulus er­ rechnete Guardstrom eingestellt wird, und daß die Summe der aus beiden Messungen erhaltenen Spannungen zur Korrektur des Testergebnisses verwendet wird.