電源模塊虛擬測試系統(tǒng)

近幾年來，隨著國內(nèi)企業(yè)對電源產(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)而快速地檢測成了一大難題。原來的手動測量方式已不能滿足生產(chǎn)廠家和用戶的要求，測試自動化成為電源模塊測試追求的目標(biāo)。

隨著虛擬儀器技術(shù)和計算機測試技術(shù)的發(fā)展，使得在傳統(tǒng)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(jù)市場的需求，設(shè)計了新型的電源測試系統(tǒng)，它使用以數(shù)字調(diào)整和計算機分析為主的虛擬測量方法，以替代原來的模擬測量方式，準(zhǔn)確、快速地測量電源產(chǎn)品的各項性能指標(biāo)，并能做出各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

系統(tǒng)功能和組成

根據(jù)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)由計算機主機、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，還可以測試模塊是否具有過流保護和短路保護的功能。

系統(tǒng)可以創(chuàng)建電源模塊數(shù)據(jù)庫，可以存儲模塊數(shù)據(jù)，可以進行模塊刪除，并可以對測試數(shù)據(jù)進行處理、修正、統(tǒng)計和顯示，對測試數(shù)據(jù)報表進行整理和打印。系統(tǒng)還具有雙通道測試夾具以提高測試速度。

系統(tǒng)設(shè)計

程控交流源

程控交流源的功能是根據(jù)電源模塊對輸入電源的要求來輸出交流電源。系統(tǒng)采用自耦變壓器方式來產(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獲得需要的各路電源。各個繼電器的開、關(guān)信號由計算機通過控制接口板的I/O口進行控制。

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(zhuǎn)換為低電壓的直流電壓信號，并通過A/D口送入計算機處理和顯示并與所需要的數(shù)值進行比較。如果信號偏差值較大，說明電源輸出的電壓或電流誤差較大，就可以啟動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，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，由計算機的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口對控制信號進行調(diào)節(jié)以保證電源輸出精度，電路對輸出的電壓、電流進行取樣，并對電壓、電流信號的乘積進行采樣，分別把這些信號輸入到保護電路，如果信號大于保護設(shè)置的電壓值，則系統(tǒng)啟動保護電路，切斷電源，并提醒用戶及時排除故障。

電子負(fù)載

本系統(tǒng)采用功率調(diào)整管作為電子負(fù)載，通過計算機的D/A口輸出電壓控制信號，信號經(jīng)過調(diào)整以后，通過調(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，采樣到的電壓和電流信號分別送給系統(tǒng)保護電路，同時把電壓和電流信號處理成功率信號也送給系統(tǒng)保護電路與設(shè)定值進行比較，如信號過大，則啟動保護電路，切斷輸入回路和輸出回路，并啟動報警電路以提醒用戶注意，故障排除以后可以使用復(fù)位電路使保護電路復(fù)位。

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

雙路測試盒

根據(jù)系統(tǒng)要求，測試盒要有兩個通道分別和被測的電源模塊進行連接，系統(tǒng)采用繼電器轉(zhuǎn)換的方式對兩個通道分別進行測試。當(dāng)1通道開始工作時，通過繼電器把通道2斷開，并把指示通道1工作的開關(guān)信號送入計算機，使計算機對通道1進行測試，測試得到的電壓信號和紋波信號送給系統(tǒng)處理。測試完成后，通道1斷開，通道2吸合，把開關(guān)信號送入計算機，計算機開始對通道2上的電源模塊的性能指標(biāo)進行測試。

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，用于開關(guān)信號的輸入控制。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)信號使用，4路輸出信號與計算機進行隔離并且各路信號彼此之間采用高速光電隔離器進行隔離，這樣既保證了隔離的效果，又能使系統(tǒng)的線性度達到最好。

系統(tǒng)軟件

在虛擬儀器測試軟件中，LabVIEW是一個極強的軟件開發(fā)平臺。但LabVIEW是一種結(jié)構(gòu)化解釋型開發(fā)平臺，用它開發(fā)的軟件，無法在Windows操作系統(tǒng)下直接運行。根據(jù)綜合考慮軟件界面設(shè)計采用中文Visual Basic.Net語言編程，而控件設(shè)計采用LabVIEW提供的控件，這樣一來設(shè)計的軟件界面簡潔、開發(fā)容易、維護方便，便于數(shù)據(jù)維護和管理。同時又具有速度運行快、功能強大、操作簡單的特點。

用戶在登錄系統(tǒng)以后可以完成以下功能：

* 初始化。可以輸入和編輯各種電源模塊的參數(shù)，進行標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)定，進行模塊的查詢、更新和刪除。

* 模塊測試。系統(tǒng)可以根據(jù)需要對電源模塊的參數(shù)進行自動測試或單步測試，可以設(shè)置測試型號及數(shù)據(jù)、測試條件、測試項目、測試順序，并可以進行自動測試或單步測試的選擇，并可以設(shè)置測試的標(biāo)準(zhǔn)。

* 數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計。該軟件可以對測試數(shù)據(jù)進行處理和修正、對產(chǎn)品性能進行分析、進行誤差超標(biāo)分析、可以對數(shù)據(jù)進行分類，對產(chǎn)品的合格率或其它數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。

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

* 系統(tǒng)維護。該軟件可以判斷系統(tǒng)的故障并給出提示，可以進行界面?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)軟件的測試界面示于圖3。 圖3系統(tǒng)軟件測試界面 虛擬測試系統(tǒng)的幾個技術(shù)難點分析 信號的采集和放大 在信號采集過程中，為了保證測量的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用高精度的無接觸式傳感器并分段測試，來保證測量的精度。 放大電路采用專用的儀表放大器AD620，AD620可以取代低價格、分立的雙運放或三運放結(jié)構(gòu)儀表放大器的設(shè)計方案，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用來對系統(tǒng)的電流信號進行放大，系統(tǒng)通過采樣電阻把采樣過來的信號接入到放大器的輸入端，經(jīng)過放大以后給系統(tǒng)的其它部分進行處理。 信號的線性隔離 由于電子負(fù)載接在電源模塊的輸出端進行工作，因此各路電子負(fù)載相互之間應(yīng)該進行隔離，并與公共回路進行隔離。本系統(tǒng)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，它通過一個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)載中電流信號隔離電路中的HCPL4562的工作電路。 圖5電子負(fù)載中電流信號隔離電路 根據(jù)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)過電阻轉(zhuǎn)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，輸出端接一個放大倍數(shù)為100的運算放大器，通過調(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。 非線性誤差的自動校正 在整個系統(tǒng)的測試過程中，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性的誤差，但是經(jīng)過整個系統(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，需要采取自動校正措施。 自動校正采用軟件方式實現(xiàn)，采用查表法和插值法相結(jié)合的方式實現(xiàn)。 在一些標(biāo)準(zhǔn)的電壓和電流節(jié)點上，用查表法對測試數(shù)據(jù)進行校正。 如果我們測試一個標(biāo)稱值為15V的電源，而實際的測試值為16V，那么此電源模塊實際的電源輸出為： (15/15.8)Χ16V=15.19V 在一些非標(biāo)準(zhǔn)的電壓和電流節(jié)點上，用線性插值法對測試數(shù)據(jù)進行校正，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)點及插值節(jié)點對應(yīng)的數(shù)值。 結(jié)語 本電源模塊測試系統(tǒng)具有測試成本低、測量范圍廣、測試自動化程度高、測試精度高、測試速度快、可靠性高、方便數(shù)據(jù)查看和統(tǒng)計的特點，系統(tǒng)經(jīng)過試驗和測試完全滿足國家對低壓電源模塊測試的要求，并得到了試用廠家的肯定。隨著虛擬測試技術(shù)和計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展和完善，隨著國內(nèi)對智能儀器設(shè)備需求的增加，電源模塊虛擬測試系統(tǒng)必然會越來越多地應(yīng)用于電源模塊的生產(chǎn)企業(yè)和使用單位。