一種直流穩壓電源自動(dòng)測試系統設計

1.引言

直流穩壓電源被廣泛的應用于電子產(chǎn)品生產(chǎn)線(xiàn)、實(shí)驗室、工業(yè)控制和信息通訊等領(lǐng)域，其輸出電壓品質(zhì)的好壞直接影響到整個(gè)系統的工作性能。在日常使用過(guò)程中。引起輸出電壓變化的最主要因素有兩個(gè)：一是由上游輸入電壓的變化引起的;另一個(gè)是由輸出電流的變化(由于負載變化)引起的。一般來(lái)說(shuō)，穩壓電源的沒(méi)計首先要考慮輸入電壓和負載這兩個(gè)因素.也就是說(shuō)直流穩壓電源穩定電壓的能力首先要看輸入電壓的變化和負載變化引起的輸出電壓的變化被限制到多小的程度。衡量這個(gè)程度的指標一般被稱(chēng)作質(zhì)量指標。

主要包括以下幾個(gè)方面的參數：

(1)電壓調整率SD;

(2)負載調整率St;

(3)輸出電阻Ro;

(4)紋波系數y;

(5)恢復時(shí)間△t;

(6)峰值電壓UP。

本文提出一種基于FPGA、高速A/D、D/A以及上位機軟件組成的直流穩壓電源自動(dòng)測試系統設計方案，可以實(shí)現快速榆測直流穩壓電源以上幾方面的參數。在簡(jiǎn)要介紹系統的組成、功能、工作原理以及所用到的主要元器件的基礎上.重點(diǎn)探討了系統軟硬件的實(shí)現方案。

2.系統功能和工作原理介紹

該系統的主要測試對象是額定輸出電壓最大為30V.額定輸出電流最大為1OA的小功率直流穩壓電源.系統設計嚴格按照有關(guān)國家標準進(jìn)行。

2.1系統功能

該系統主要功能包括：

(1)對象功能測試：該系統能夠提供被測電源正常工作的虛擬工作環(huán)境(包括輸入電源和模擬負載)，并能在該環(huán)境下完成幫機測試;

(2)系統管理：該系統能根據測試要求自動(dòng)生成測試程序并控制測試自動(dòng)進(jìn)行，最后自動(dòng)給出測試報告：

(3)數據庫管理：采用關(guān)系型數據庫管理系統管理數據.由測試流程讀取配置數據庫的數據.配骨測試儀器.進(jìn)行相應的測試，然后將測試結果保存到測試結果數據庫當中：

(4)模擬顯示：該系統具有交互圖形顯示界面，對測試程序生成、測試流程、測試過(guò)程中的提示信息以及產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數據、測試結果等都能進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并能提供報警信息。

2.2系統工作原理

該系統的工作原理是：上位機通過(guò)并行接口將配置數據送人數據采集轉換和控制模塊;該模塊首先進(jìn)行自檢，若自檢無(wú)誤，系統將根據已經(jīng)設置好的流程開(kāi)始自動(dòng)測試。同時(shí)實(shí)時(shí)采集被測電源的輸出電壓和電流，并將其轉換成數字送量到上位機;測試完成后.上位機對測試數據進(jìn)行分析、計算，自動(dòng)生成測試報告.并建立被測電源的測試數據庫。

3.系統硬件設計

直流穩壓電源自動(dòng)測試系統的結構框圖如圖1所示。系統由上位機、數據采集轉換和控制模塊、源電壓調整裝置以及模擬負載組成。

其中。上位機是系統的信息和任務(wù)調度中心，主要完成系統管理、測試程序生成、測試控制、測試結果分析等功能.并且能顯示測試進(jìn)程和測試結果。

3.1數據采集轉換與控制模塊

數據采集轉換和控制模塊圖1喜流穩壓電源自動(dòng)測試系統結構框圖主要由FPGA、CPLD以及其外圍電路，A/D轉換電路，D/A轉換電路，信號調理電路和各種接口電路構成。該模塊的系統構成框圖如圖2所示。

3.1.1 XC2S100-TQ144型FPGA芯片

Spartan-II系列XC2S100—TQ144型FPGA由美國Xilinx公司生產(chǎn)，它可以為用戶(hù)提供良好的忭能、大量的邏輯資源和豐富的特性設置。它的內核電壓為2.5V，邏輯門(mén)密度為100000系統門(mén)，用戶(hù)IO數量為92個(gè)，支持200MHz以上的工作頻率，內部結構主要由可配置邏輯模塊(CLB)、用戶(hù)可編程I/O(IOB)、BIockRAM、數字延遲鎖相環(huán)(DLL)組成。

其中，CLB用于實(shí)現FPGA的絕大部分邏輯功能;1OB用于提供封裝引腳與內部邏輯之問(wèn)的接口;BIockRAM用于實(shí)現FPGA內部的隨機存取，它可配置為RAM、雙口RAM、FIFO等隨機存儲器;DLL用于提供靈活的時(shí)鐘管理功能。

Spartan-II系列FPGA是基于RAM工藝的.在掉電后本身不能保存信息，需要一個(gè)外置存儲芯片來(lái)保存其信息.可以選用一片XC95144XL型CPLD來(lái)代替成本較高的專(zhuān)用PROM，此外CPLD在這里還有電平轉換功能。模塊上電后.CPLD將配置數據載人到FPGA的內部靜態(tài)存儲單元里來(lái)完成對FPGA的定制，存儲在這些單元的配置數據決定了FPGA里的邏輯功能和互聯(lián)。

3.1.2 A/D轉換

A/D轉換電路是用來(lái)采集直流穩壓電源輸出的經(jīng)過(guò)信號調理電路處理過(guò)的電壓和電流信號的.在整個(gè)測試系統中占有十分重要的地位.系統的測試精度主要取決于A(yíng)/D轉換的精度。

系統選用TI公司生產(chǎn)的ADS850Y型A/D轉換器來(lái)采樣被測電源的輸出電壓。它具有14位分辨率、10MSPs轉換速率，功耗低。只有250mW，還具有自校準功能，動(dòng)態(tài)輸人頻帶寬，轉換噪聲低，非常適合于CCD掃描成像、紅外成像以及數字信號測試儀器儀表的信號采集。系統在測試過(guò)程中的各個(gè)不同階段和根據不同的測試要求.可以靈活選擇不同的采樣速率，范圍在lK-10MHz之間。該芯片的轉換精度和采樣速率可以滿(mǎn)足目前大部分高精度直流穩壓電源的品質(zhì)參數測試。也能滿(mǎn)足對直流穩壓電源瞬態(tài)響應的測試。

此外。該系統選用AD1674來(lái)采集負載電流值。AD1674是美國AD公司推出的一種12位帶并行微機接口的逐次逼近型模，數轉換芯片。該芯片內部白帶采樣保持器(SHA)、10伏基準電壓源、時(shí)鐘源以及可和微處理器總線(xiàn)直接接口的暫存，三態(tài)輸出緩沖器。具有12位的轉換精度和100KSPS的采樣速率。

為了保證對A/D采集轉換得到的數據進(jìn)行及時(shí)存儲和傳輸，在FPGA內部配置兩塊RAM分別作為靜態(tài)RAM的輸入、輸出緩沖區。作為靜態(tài)RAM讀寫(xiě)雙口控制器，前者接收A/D轉換傳過(guò)來(lái)數據流.經(jīng)處理后寫(xiě)入到靜態(tài)RAM，后者讀取靜態(tài)RAM中數據，通過(guò)并行接口總線(xiàn)送給上位機。

D/A轉換電路的功能是給電子負載一個(gè)參考電壓.用來(lái)調節流經(jīng)電子負載的被測電源輸出電流的大小.使被測電源的輸出電流根據測試需要變化。

本系統選用了美國B(niǎo)urr—Brown公司生產(chǎn)的DAC900U數模轉換器。該芯片具有10位的分辨率和165MHz的輸出更新速率，其獨立輸出的電流可達20mA。將DAC900U與FPGA連接，形成高速數模轉換電路，為電子負載提供高質(zhì)量的給定信號。

3.1.4開(kāi)關(guān)量輸出部分

該測試系統設計有8路開(kāi)關(guān)量輸出通道.分別用來(lái)控制源電壓調整電路中的大功率電阻和模擬負載的投切。它的實(shí)現方式是在FPGA內設置兩個(gè)8位的指令寄存器組對開(kāi)關(guān)量輸出進(jìn)行控制。這兩個(gè)指令寄存器分別設計為開(kāi)關(guān)量輸出允許寄存器和開(kāi)關(guān)量開(kāi)閉寄存器。通過(guò)寫(xiě)開(kāi)關(guān)量開(kāi)閉寄存器來(lái)實(shí)現開(kāi)關(guān)量輸出。該寄存器的每一位代表一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出通道。值為“1“代表接通，“0”代表斷開(kāi)。輸出允許寄存器是開(kāi)關(guān)量輸出的總開(kāi)關(guān)，復位后為00H，不允許開(kāi)關(guān)量輸出;上位機對其寫(xiě)入FFH后。允許開(kāi)關(guān)量輸出。

3.1.5信號調理部分

該部分電路用于將直流穩壓電源輸出的電壓、電流信號調理成幅值適合于枷轉換器采樣的信號。

電壓信號的調理是采用電阻分壓原理把原始的電壓信號轉換成滿(mǎn)足加轉換器幅值要求的電壓信號，再由差動(dòng)放大器進(jìn)入加轉換器。

電流信號調理是采用電流傳感器將強電流信號轉換成弱電流信號，再利用電阻把此弱電流信號轉換成滿(mǎn)足A/D轉換器幅值要求的電壓信號。經(jīng)過(guò)運算放大器構成的電壓跟隨器進(jìn)入A/D轉換器，從而完成信號類(lèi)型、幅值的轉換。

3.1.6通信接口

上位機與FPGA的通信采用IEEE-488并行總線(xiàn)接口。其接口系統的基本特性有：

(1)采用串行字節、并行位、三線(xiàn)連鎖掛鉤技術(shù)、雙向異步的數傳方式：

(2)在20m距離內。采用三態(tài)門(mén)發(fā)送器，一般通信速率為500Kbps，最高可達1Mbps;

(3)由16條信號線(xiàn)構成。其中8條為數據線(xiàn)，3條掛鉤(Handshake)線(xiàn)，5條管理線(xiàn);

(4)在總線(xiàn)上采用負邏輯;該接口電路可以滿(mǎn)足本系統的通信要求.并且與FPGA連接方便，編程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現。

3.2源電壓調整電路

源電壓調整電路主要由大功率可調電阻和變壓器組成.原理示意圖如圖3所示。FPGA輸出的開(kāi)關(guān)量信號?？刂乒虘B(tài)繼電器周期通斷。使變壓器輸出產(chǎn)生198V一220V一242V階躍變化的方波。

3.3模擬負載

模擬負載可采用通用電子負載，具備可編程周期變化功能。在測試過(guò)程中.電子負載處于恒流工作方式。其等效原理圖如圖4所示。圖中R是固定電阻.當D/A轉換芯片輸出的電壓值不變時(shí)，回路中的電流就維持在一個(gè)恒定的值上.與U值無(wú)關(guān)，若要改變回路中電流的大小.只要調整D/A的輸出電壓即可。

4.系統軟件設計

直流穩壓電源自動(dòng)測試系統軟件與硬件有機結合。構成功能完整的測試系統。

4.1開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介

本系統軟件由面向對象的可視化程序設計語(yǔ)言VB6.O開(kāi)發(fā)。它具有開(kāi)發(fā)速度快、易于調試與運行可靠等優(yōu)點(diǎn)，特別是它內置了許多用于開(kāi)發(fā)所數據庫應用程序的專(zhuān)業(yè)化支持。該軟件中與后臺數據庫的連接使用了AcTIveX Data Objects(ADO)技術(shù)，ADO技術(shù)實(shí)際是一種提供訪(fǎng)問(wèn)各種數據類(lèi)型的連接機制，它被實(shí)現為OLEDB之上的一個(gè)薄層，這使得ADO可以有更快的訪(fǎng)問(wèn)速度，更易使用，同時(shí)也更節省了資源。

4.2系統軟件結構

系統軟件結構如圖5所示，主要有數據庫管理程序、系統測試程序、數據庫和輔助程序等部分構成。

數據庫管理程序包括測試系統參數配置、被測電源參數注冊、數據存儲、數據庫維護、數據查詢(xún)、報表打印、圖形顯示等模塊。這些模塊主要完成對數據庫的操作和管理功能。

系統測試程序包括自檢和校準、測試執行控制、數據采集、虛擬儀表實(shí)時(shí)顯示、測試結果分析、與下位機通信程序等。根據系統參數配置和被瀏電源的一些參數生成測試方案.通過(guò)通信接口控制系統硬件進(jìn)行測試。并且實(shí)時(shí)監控測試過(guò)程，測試完成后進(jìn)行結果分析，給出測試報告。

輔助程序包括幫助文檔和關(guān)于軟件。

數據庫采用了微軟的關(guān)系型桌面數據庫系統Access。

5.結束語(yǔ)

本文提出的直流穩壓電源自動(dòng)測試系統設計方案，以FPGA為控制核心部件.可以快速、準確、規范的測試直流穩壓電源的品質(zhì)參數和瞬態(tài)響應特性。相對于傳統的檢測手段，節省了測試時(shí)間，減輕了操作強度。此外，該系統具有精度高、人機界面友好、自動(dòng)化程度高、使用方便可靠，成本低等特點(diǎn)，很適合用戶(hù)在生產(chǎn)使用過(guò)程中對直流穩壓電源品質(zhì)參數和瞬態(tài)響應特性進(jìn)行快速檢測。