電源模塊虛擬測試系統

近幾年來(lái)，隨著(zhù)國內企業(yè)對電源產(chǎn)品多樣性和復雜性的要求的加大，電源產(chǎn)品的性能和指標如何科學(xué)而快速地檢測成了一大難題。原來(lái)的手動(dòng)測量方式已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)廠(chǎng)家和用戶(hù)的要求，測試自動(dòng)化成為電源模塊測試追求的目標。

隨著(zhù)虛擬儀器技術(shù)和計算機測試技術(shù)的發(fā)展，使得在傳統的電源測試領(lǐng)域引入計算機虛擬測試和處理技術(shù)成為可能。我們根據市場(chǎng)的需求，設計了新型的電源測試系統，它使用以數字調整和計算機分析為主的虛擬測量方法，以替代原來(lái)的模擬測量方式，準確、快速地測量電源產(chǎn)品的各項性能指標，并能做出各種數據統計和分析。

系統功能和組成

根據系統的要求，系統由計算機主機、數據采集和控制卡、程控交流源、程控直流源、4路電子負載、電源測試盒和一些附屬電路組成(圖1)。



圖1系統框圖

系統可以測試電源模塊的輸出電壓、源效應 （電壓調整率）、負載效應 （電流調整率）、效率、紋波，還可以測試模塊是否具有過(guò)流保護和短路保護的功能。

系統可以創(chuàng )建電源模塊數據庫，可以存儲模塊數據，可以進(jìn)行模塊刪除，并可以對測試數據進(jìn)行處理、修正、統計和顯示，對測試數據報表進(jìn)行整理和打印。系統還具有雙通道測試夾具以提高測試速度。

系統設計

程控交流源

程控交流源的功能是根據電源模塊對輸入電源的要求來(lái)輸出交流電源。系統采用自耦變壓器方式來(lái)產(chǎn)生需要的各路電源。變壓器輸入為∽220V,輸出部分的各組輸出采用繼電器切換的方式來(lái)獲得需要的各路電源。各個(gè)繼電器的開(kāi)、關(guān)信號由計算機通過(guò)控制接口板的I/O口進(jìn)行控制。

在電源的輸出端安裝交流電壓測試模塊和有功功率測試模塊來(lái)分別測試交流源的輸出電壓和輸出功率，把采集到的信號轉換為低電壓的直流電壓信號，并通過(guò)A/D口送入計算機處理和顯示并與所需要的數值進(jìn)行比較。如果信號偏差值較大，說(shuō)明電源輸出的電壓或電流誤差較大，就可以啟動(dòng)報警電路和保護電路，把程控交流源的輸入電壓用繼電器斷開(kāi)，并提醒操作人員檢測故障。

程控直流源

程控直流源的功能是產(chǎn)生直流電源，來(lái)提供給DC/DC電源模塊的電壓輸入端。系統采用變壓器降壓，然后整流、濾波的形式得到直流電源，最后根據系統的要求，由計算機的D/A輸出口根據調整功率管的工作范圍得到需要的調整后的電源。

變壓器輸出分為4檔，分別由D/A口對控制信號進(jìn)行調節以保證電源輸出精度，電路對輸出的電壓、電流進(jìn)行取樣，并對電壓、電流信號的乘積進(jìn)行采樣，分別把這些信號輸入到保護電路，如果信號大于保護設置的電壓值，則系統啟動(dòng)保護電路，切斷電源，并提醒用戶(hù)及時(shí)排除故障。

電子負載

本系統采用功率調整管作為電子負載，通過(guò)計算機的D/A口輸出電壓控制信號，信號經(jīng)過(guò)調整以后，通過(guò)調節功率管的基極電壓把功率管模擬成負載使用。

在功率管的輸出端采樣電壓和電流信號，采樣到的電壓和電流信號分別送給系統保護電路，同時(shí)把電壓和電流信號處理成功率信號也送給系統保護電路與設定值進(jìn)行比較，如信號過(guò)大，則啟動(dòng)保護電路，切斷輸入回路和輸出回路，并啟動(dòng)報警電路以提醒用戶(hù)注意，故障排除以后可以使用復位電路使保護電路復位。

采樣到的電壓信號和電流信號經(jīng)處理后送計算機進(jìn)行處理，并與需要的參數值進(jìn)行比較，如有偏差可以經(jīng)過(guò)接口板D/A口輸出電壓控制信號重新調節功率管的工作狀態(tài)。

雙路測試盒

根據系統要求，測試盒要有兩個(gè)通道分別和被測的電源模塊進(jìn)行連接，系統采用繼電器轉換的方式對兩個(gè)通道分別進(jìn)行測試。當1通道開(kāi)始工作時(shí)，通過(guò)繼電器把通道2斷開(kāi)，并把指示通道1工作的開(kāi)關(guān)信號送入計算機，使計算機對通道1進(jìn)行測試，測試得到的電壓信號和紋波信號送給系統處理。測試完成后，通道1斷開(kāi)，通道2吸合，把開(kāi)關(guān)信號送入計算機，計算機開(kāi)始對通道2上的電源模塊的性能指標進(jìn)行測試。

系統的隔離與耦合

由于系統需要的接口板的A/D口、D/A口較多，而且需要隔離。方案采用兩塊工控接口板來(lái)完成所需要的功能，分別如下：

* A板提供D/A口2路，其中1路作為調節程控直流電源時(shí)使用；提供A/D輸入口16路，作為功率信號、電壓信號、電流信號、紋波信號的輸入通道；提供I/O輸出口16路，用于控制程控交流源的輸出以及其它信號的控制；提供I/O輸入口16路，用于開(kāi)關(guān)信號的輸入控制。I/O口的邏輯電平符合TTL電平標準。

* B板提供4路互相隔離的D/A口輸出，分別提供給4路電子負載作為調節信號使用，4路輸出信號與計算機進(jìn)行隔離并且各路信號彼此之間采用高速光電隔離器進(jìn)行隔離，這樣既保證了隔離的效果，又能使系統的線(xiàn)性度達到最好。

系統軟件

在虛擬儀器測試軟件中，LabVIEW是一個(gè)極強的軟件開(kāi)發(fā)平臺。但LabVIEW是一種結構化解釋型開(kāi)發(fā)平臺，用它開(kāi)發(fā)的軟件，無(wú)法在Windows操作系統下直接運行。根據綜合考慮軟件界面設計采用中文Visual Basic.Net語(yǔ)言編程，而控件設計采用LabVIEW提供的控件，這樣一來(lái)設計的軟件界面簡(jiǎn)潔、開(kāi)發(fā)容易、維護方便，便于數據維護和管理。同時(shí)又具有速度運行快、功能強大、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

用戶(hù)在登錄系統以后可以完成以下功能：

* 初始化?？梢暂斎牒途庉嫺鞣N電源模塊的參數，進(jìn)行標準值的設定，進(jìn)行模塊的查詢(xún)、更新和刪除。

* 模塊測試。系統可以根據需要對電源模塊的參數進(jìn)行自動(dòng)測試或單步測試，可以設置測試型號及數據、測試條件、測試項目、測試順序，并可以進(jìn)行自動(dòng)測試或單步測試的選擇，并可以設置測試的標準。

* 數據分析和統計。該軟件可以對測試數據進(jìn)行處理和修正、對產(chǎn)品性能進(jìn)行分析、進(jìn)行誤差超標分析、可以對數據進(jìn)行分類(lèi)，對產(chǎn)品的合格率或其它數據進(jìn)行統計。

* 數據處理與輸出。該軟件可以對產(chǎn)生的數據進(jìn)行格式轉換、進(jìn)行圖形化顯示，可以產(chǎn)生報表，并可以進(jìn)行打印和預覽。

* 系統維護。該軟件可以判斷系統的故障并給出提示，可以進(jìn)行界面個(gè)人化設置，系統并有用戶(hù)管理和幫助功能。

系統軟件的主界面示于圖2。 圖2系統軟件主界面 系統軟件的測試界面示于圖3。 圖3系統軟件測試界面 虛擬測試系統的幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)分析 信號的采集和放大 在信號采集過(guò)程中，為了保證測量的準確性，系統采用高精度的無(wú)接觸式傳感器并分段測試，來(lái)保證測量的精度。 放大電路采用專(zhuān)用的儀表放大器AD620，AD620可以取代低價(jià)格、分立的雙運放或三運放結構儀表放大器的設計方案，并且具有優(yōu)良的共模抑制、線(xiàn)性度、溫度穩定性、可靠性。根據AD620AN的電路結構，可以得到增益計算公式：G=(R 1 +R 2 )/RG +1，其中內部增益電阻R 1 和R 2 都調整到絕對值25kΩ，所以只需一只外接電阻R G 便可準確設置增益。增益電阻R G 的選擇，按下式計算：R G =50.5kΩ/(G-1)。 在本系統中AD620AN的應用電路如圖4。 圖4AD620AN應用電路 如果調整到G=50，則依據上述公式，RP3=931Ω。 在本系統中，AD620AN用來(lái)對系統的電流信號進(jìn)行放大，系統通過(guò)采樣電阻把采樣過(guò)來(lái)的信號接入到放大器的輸入端，經(jīng)過(guò)放大以后給系統的其它部分進(jìn)行處理。 信號的線(xiàn)性隔離 由于電子負載接在電源模塊的輸出端進(jìn)行工作，因此各路電子負載相互之間應該進(jìn)行隔離，并與公共回路進(jìn)行隔離。本系統采用HCPL4562隔離放大器，它可以對模擬信號提供寬范圍的光電隔離，它通過(guò)一個(gè)高速的檢波器使器件具有良好的線(xiàn)性度和低頻偏。 圖5是電子負載中電流信號隔離電路中的HCPL4562的工作電路。 圖5電子負載中電流信號隔離電路 根據器件的工作原理，信號從隔離放大器2引腳輸入后，從放大器的基極輸出端引出電流，經(jīng)過(guò)電阻轉化為電壓信號后送入下一級放大器。 圖5中光電隔離器的輸入端接入射隨器，輸出端接一個(gè)放大倍數為100的運算放大器，通過(guò)調節電位器RP8（也就是調節隔離器的輸入端電流）可以使輸出電壓完全跟蹤輸入電壓的變化。 非線(xiàn)性誤差的自動(dòng)校正 在整個(gè)系統的測試過(guò)程中，雖然在信號的測量和放大部分采取了比較好的測量方式，在信號的傳輸隔離中也盡量減少非線(xiàn)性的誤差，但是經(jīng)過(guò)整個(gè)系統的傳輸、放大、隔離、A/D轉換，非線(xiàn)性的誤差仍不可避免，為了滿(mǎn)足系統的精度要求，需要采取自動(dòng)校正措施。 自動(dòng)校正采用軟件方式實(shí)現，采用查表法和插值法相結合的方式實(shí)現。 在一些標準的電壓和電流節點(diǎn)上，用查表法對測試數據進(jìn)行校正。 如果我們測試一個(gè)標稱(chēng)值為15V的電源，而實(shí)際的測試值為16V，那么此電源模塊實(shí)際的電源輸出為： (15/15.8)Χ16V=15.19V 在一些非標準的電壓和電流節點(diǎn)上，用線(xiàn)性插值法對測試數據進(jìn)行校正，在數學(xué)上用下述公式： Y=Mi（X-Xi）+Yii=0，1，2，3，... 其中M為第i段的斜率。 Mi＝（Yi+1-Yi）/（Xi+1-Xi） 其中Yi+1　　Yi　　Xi+1　　Xi　　分別為插值節點(diǎn)及插值節點(diǎn)對應的數值。 結語(yǔ) 本電源模塊測試系統具有測試成本低、測量范圍廣、測試自動(dòng)化程度高、測試精度高、測試速度快、可靠性高、方便數據查看和統計的特點(diǎn)，系統經(jīng)過(guò)試驗和測試完全滿(mǎn)足國家對低壓電源模塊測試的要求，并得到了試用廠(chǎng)家的肯定。隨著(zhù)虛擬測試技術(shù)和計算機數據處理技術(shù)的發(fā)展和完善，隨著(zhù)國內對智能儀器設備需求的增加，電源模塊虛擬測試系統必然會(huì )越來(lái)越多地應用于電源模塊的生產(chǎn)企業(yè)和使用單位。