電源模塊虛擬測(cè)試系統(tǒng)

近幾年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)電源產(chǎn)品多樣性和復(fù)雜性的要求的加大，電源產(chǎn)品的性能和指標(biāo)如何科學(xué)而快速地檢測(cè)成了一大難題。原來(lái)的手動(dòng)測(cè)量方式已不能滿足生產(chǎn)廠家和用戶的要求，測(cè)試自動(dòng)化成為電源模塊測(cè)試追求的目標(biāo)。

隨著虛擬儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，使得在傳統(tǒng)的電源測(cè)試領(lǐng)域引入計(jì)算機(jī)虛擬測(cè)試和處理技術(shù)成為可能。我們根據(jù)市場(chǎng)的需求，設(shè)計(jì)了新型的電源測(cè)試系統(tǒng)，它使用以數(shù)字調(diào)整和計(jì)算機(jī)分析為主的虛擬測(cè)量方法，以替代原來(lái)的模擬測(cè)量方式，準(zhǔn)確、快速地測(cè)量電源產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并能做出各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。

系統(tǒng)功能和組成

根據(jù)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)主機(jī)、數(shù)據(jù)采集和控制卡、程控交流源、程控直流源、4路電子負(fù)載、電源測(cè)試盒和一些附屬電路組成(圖1)。



圖1系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)可以測(cè)試電源模塊的輸出電壓、源效應(yīng) （電壓調(diào)整率）、負(fù)載效應(yīng) （電流調(diào)整率）、效率、紋波，還可以測(cè)試模塊是否具有過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)的功能。

系統(tǒng)可以創(chuàng)建電源模塊數(shù)據(jù)庫(kù)，可以存儲(chǔ)模塊數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行模塊刪除，并可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、修正、統(tǒng)計(jì)和顯示，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表進(jìn)行整理和打印。系統(tǒng)還具有雙通道測(cè)試夾具以提高測(cè)試速度。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程控交流源

程控交流源的功能是根據(jù)電源模塊對(duì)輸入電源的要求來(lái)輸出交流電源。系統(tǒng)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(hào)由計(jì)算機(jī)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(cè)試模塊和有功功率測(cè)試模塊來(lái)分別測(cè)試交流源的輸出電壓和輸出功率，把采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電壓的直流電壓信號(hào)，并通過(guò)A/D口送入計(jì)算機(jī)處理和顯示并與所需要的數(shù)值進(jìn)行比較。如果信號(hào)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(bào)警電路和保護(hù)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(cè)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(tǒng)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(jù)系統(tǒng)的要求，由計(jì)算機(jī)的D/A輸出口根據(jù)調(diào)整功率管的工作范圍得到需要的調(diào)整后的電源。

變壓器輸出分為4檔，分別由D/A口對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)以保證電源輸出精度，電路對(duì)輸出的電壓、電流進(jìn)行取樣，并對(duì)電壓、電流信號(hào)的乘積進(jìn)行采樣，分別把這些信號(hào)輸入到保護(hù)電路，如果信號(hào)大于保護(hù)設(shè)置的電壓值，則系統(tǒng)啟動(dòng)保護(hù)電路，切斷電源，并提醒用戶及時(shí)排除故障。

電子負(fù)載

本系統(tǒng)采用功率調(diào)整管作為電子負(fù)載，通過(guò)計(jì)算機(jī)的D/A口輸出電壓控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)整以后，通過(guò)調(diào)節(jié)功率管的基極電壓把功率管模擬成負(fù)載使用。

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

采樣到的電壓信號(hào)和電流信號(hào)經(jīng)處理后送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，并與需要的參數(shù)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(hào)重新調(diào)節(jié)功率管的工作狀態(tài)。

雙路測(cè)試盒

根據(jù)系統(tǒng)要求，測(cè)試盒要有兩個(gè)通道分別和被測(cè)的電源模塊進(jìn)行連接，系統(tǒng)采用繼電器轉(zhuǎn)換的方式對(duì)兩個(gè)通道分別進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)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(hào)送入計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)對(duì)通道1進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試得到的電壓信號(hào)和紋波信號(hào)送給系統(tǒng)處理。測(cè)試完成后，通道1斷開(kāi)，通道2吸合，把開(kāi)關(guān)信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)開(kāi)始對(duì)通道2上的電源模塊的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

系統(tǒng)的隔離與耦合

由于系統(tǒng)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(diào)節(jié)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(hào)、電壓信號(hào)、電流信號(hào)、紋波信號(hào)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(hào)的控制；提供I/O輸入口16路，用于開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸入控制。I/O口的邏輯電平符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)。

* 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(fù)載作為調(diào)節(jié)信號(hào)使用，4路輸出信號(hào)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行隔離并且各路信號(hào)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(tǒng)的線性度達(dá)到最好。

系統(tǒng)軟件

在虛擬儀器測(cè)試軟件中，LabVIEW是一個(gè)極強(qiáng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。但LabVIEW是一種結(jié)構(gòu)化解釋型開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用它開(kāi)發(fā)的軟件，無(wú)法在Windows操作系統(tǒng)下直接運(yùn)行。根據(jù)綜合考慮軟件界面設(shè)計(jì)采用中文Visual Basic.Net語(yǔ)言編程，而控件設(shè)計(jì)采用LabVIEW提供的控件，這樣一來(lái)設(shè)計(jì)的軟件界面簡(jiǎn)潔、開(kāi)發(fā)容易、維護(hù)方便，便于數(shù)據(jù)維護(hù)和管理。同時(shí)又具有速度運(yùn)行快、功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

用戶在登錄系統(tǒng)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(shù)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)定，進(jìn)行模塊的查詢、更新和刪除。

* 模塊測(cè)試。系統(tǒng)可以根據(jù)需要對(duì)電源模塊的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試或單步測(cè)試，可以設(shè)置測(cè)試型號(hào)及數(shù)據(jù)、測(cè)試條件、測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試順序，并可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試或單步測(cè)試的選擇，并可以設(shè)置測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)。

* 數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)。該軟件可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和修正、對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行分析、進(jìn)行誤差超標(biāo)分析、可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，對(duì)產(chǎn)品的合格率或其它數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

* 數(shù)據(jù)處理與輸出。該軟件可以對(duì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、進(jìn)行圖形化顯示，可以產(chǎn)生報(bào)表，并可以進(jìn)行打印和預(yù)覽。

* 系統(tǒng)維護(hù)。該軟件可以判斷系統(tǒng)的故障并給出提示，可以進(jìn)行界面?zhèn)€人化設(shè)置，系統(tǒng)并有用戶管理和幫助功能。

系統(tǒng)軟件的主界面示于圖2。 圖2系統(tǒng)軟件主界面 系統(tǒng)軟件的測(cè)試界面示于圖3。 圖3系統(tǒng)軟件測(cè)試界面 虛擬測(cè)試系統(tǒng)的幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)分析 信號(hào)的采集和放大 在信號(hào)采集過(guò)程中，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用高精度的無(wú)接觸式傳感器并分段測(cè)試，來(lái)保證測(cè)量的精度。 放大電路采用專用的儀表放大器AD620，AD620可以取代低價(jià)格、分立的雙運(yùn)放或三運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器的設(shè)計(jì)方案，并且具有優(yōu)良的共模抑制、線性度、溫度穩(wěn)定性、可靠性。根據(jù)AD620AN的電路結(jié)構(gòu)，可以得到增益計(jì)算公式：G=(R 1 +R 2 )/RG +1，其中內(nèi)部增益電阻R 1 和R 2 都調(diào)整到絕對(duì)值25kΩ，所以只需一只外接電阻R G 便可準(zhǔn)確設(shè)置增益。增益電阻R G 的選擇，按下式計(jì)算：R G =50.5kΩ/(G-1)。 在本系統(tǒng)中AD620AN的應(yīng)用電路如圖4。 圖4AD620AN應(yīng)用電路 如果調(diào)整到G=50，則依據(jù)上述公式，RP3=931Ω。 在本系統(tǒng)中，AD620AN用來(lái)對(duì)系統(tǒng)的電流信號(hào)進(jìn)行放大，系統(tǒng)通過(guò)采樣電阻把采樣過(guò)來(lái)的信號(hào)接入到放大器的輸入端，經(jīng)過(guò)放大以后給系統(tǒng)的其它部分進(jìn)行處理。 信號(hào)的線性隔離 由于電子負(fù)載接在電源模塊的輸出端進(jìn)行工作，因此各路電子負(fù)載相互之間應(yīng)該進(jìn)行隔離，并與公共回路進(jìn)行隔離。本系統(tǒng)采用HCPL4562隔離放大器，它可以對(duì)模擬信號(hào)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性度和低頻偏。 圖5是電子負(fù)載中電流信號(hào)隔離電路中的HCPL4562的工作電路。 圖5電子負(fù)載中電流信號(hào)隔離電路 根據(jù)器件的工作原理，信號(hào)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(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后送入下一級(jí)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(shù)為100的運(yùn)算放大器，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP8（也就是調(diào)節(jié)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。 非線性誤差的自動(dòng)校正 在整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程中，雖然在信號(hào)的測(cè)量和放大部分采取了比較好的測(cè)量方式，在信號(hào)的傳輸隔離中也盡量減少非線性的誤差，但是經(jīng)過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的傳輸、放大、隔離、A/D轉(zhuǎn)換，非線性的誤差仍不可避免，為了滿足系統(tǒng)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(xiàn)，采用查表法和插值法相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。 在一些標(biāo)準(zhǔn)的電壓和電流節(jié)點(diǎn)上，用查表法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。 如果我們測(cè)試一個(gè)標(biāo)稱值為15V的電源，而實(shí)際的測(cè)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(biāo)準(zhǔn)的電壓和電流節(jié)點(diǎn)上，用線性插值法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，在數(shù)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(jié)點(diǎn)及插值節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值。 結(jié)語(yǔ) 本電源模塊測(cè)試系統(tǒng)具有測(cè)試成本低、測(cè)量范圍廣、測(cè)試自動(dòng)化程度高、測(cè)試精度高、測(cè)試速度快、可靠性高、方便數(shù)據(jù)查看和統(tǒng)計(jì)的特點(diǎn)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和測(cè)試完全滿足國(guó)家對(duì)低壓電源模塊測(cè)試的要求，并得到了試用廠家的肯定。隨著虛擬測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展和完善，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)智能儀器設(shè)備需求的增加，電源模塊虛擬測(cè)試系統(tǒng)必然會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于電源模塊的生產(chǎn)企業(yè)和使用單位。