1.引言

直流穩(wěn)壓電源被廣泛的應(yīng)用于電子產(chǎn)品生產(chǎn)線、實驗室、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系統(tǒng)的工作性能。在日常使用過程中。引起輸出電壓變化的最主要因素有兩個：一是由上游輸入電壓的變化引起的;另一個是由輸出電流的變化(由于負載變化)引起的。一般來說，穩(wěn)壓電源的沒計首先要考慮輸入電壓和負載這兩個因素.也就是說直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)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。衡量這個程度的指標一般被稱作質(zhì)量指標。

主要包括以下幾個方面的參數(shù)：

(1)電壓調(diào)整率SD;

(2)負載調(diào)整率St;

(3)輸出電阻Ro;

(4)紋波系數(shù)y;

(5)恢復(fù)時間△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(wěn)壓電源自動測試系統(tǒng)設(shè)計方案，可以實現(xiàn)快速榆測直流穩(wěn)壓電源以上幾方面的參數(shù)。在簡要介紹系統(tǒng)的組成、功能、工作原理以及所用到的主要元器件的基礎(chǔ)上.重點探討了系統(tǒng)軟硬件的實現(xiàn)方案。

2.系統(tǒng)功能和工作原理介紹

該系統(tǒng)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(wěn)壓電源.系統(tǒng)設(shè)計嚴格按照有關(guān)國家標準進行。

2.1系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)主要功能包括：

(1)對象功能測試：該系統(tǒng)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(tǒng)管理：該系統(tǒng)能根據(jù)測試要求自動生成測試程序并控制測試自動進行，最后自動給出測試報告：

(3)數(shù)據(jù)庫管理：采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理數(shù)據(jù).由測試流程讀取配置數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù).配骨測試儀器.進行相應(yīng)的測試，然后將測試結(jié)果保存到測試結(jié)果數(shù)據(jù)庫當(dāng)中：

(4)模擬顯示：該系統(tǒng)具有交互圖形顯示界面，對測試程序生成、測試流程、測試過程中的提示信息以及產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)、測試結(jié)果等都能進行實時顯示，并能提供報警信息。

2.2系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)的工作原理是：上位機通過并行接口將配置數(shù)據(jù)送人數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換和控制模塊;該模塊首先進行自檢，若自檢無誤，系統(tǒng)將根據(jù)已經(jīng)設(shè)置好的流程開始自動測試。同時實時采集被測電源的輸出電壓和電流，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字送量到上位機;測試完成后.上位機對測試數(shù)據(jù)進行分析、計算，自動生成測試報告.并建立被測電源的測試數(shù)據(jù)庫。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

直流穩(wěn)壓電源自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由上位機、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換和控制模塊、源電壓調(diào)整裝置以及模擬負載組成。

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

3.1數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換與控制模塊

數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換和控制模塊圖1喜流穩(wěn)壓電源自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖主要由FPGA、CPLD以及其外圍電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，信號調(diào)理電路和各種接口電路構(gòu)成。該模塊的系統(tǒng)構(gòu)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)，它可以為用戶提供良好的忭能、大量的邏輯資源和豐富的特性設(shè)置。它的內(nèi)核電壓為2.5V，邏輯門密度為100000系統(tǒng)門，用戶IO數(shù)量為92個，支持200MHz以上的工作頻率，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由可配置邏輯模塊(CLB)、用戶可編程I/O(IOB)、BIockRAM、數(shù)字延遲鎖相環(huán)(DLL)組成。

其中，CLB用于實現(xiàn)FPGA的絕大部分邏輯功能;1OB用于提供封裝引腳與內(nèi)部邏輯之問的接口;BIockRAM用于實現(xiàn)FPGA內(nèi)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，需要一個外置存儲芯片來保存其信息.可以選用一片XC95144XL型CPLD來代替成本較高的專用PROM，此外CPLD在這里還有電平轉(zhuǎn)換功能。模塊上電后.CPLD將配置數(shù)據(jù)載人到FPGA的內(nèi)部靜態(tài)存儲單元里來完成對FPGA的定制，存儲在這些單元的配置數(shù)據(jù)決定了FPGA里的邏輯功能和互聯(lián)。

3.1.2 A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換電路是用來采集直流穩(wěn)壓電源輸出的經(jīng)過信號調(diào)理電路處理過的電壓和電流信號的.在整個測試系統(tǒng)中占有十分重要的地位.系統(tǒng)的測試精度主要取決于A/D轉(zhuǎn)換的精度。

系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的ADS850Y型A/D轉(zhuǎn)換器來采樣被測電源的輸出電壓。它具有14位分辨率、10MSPs轉(zhuǎn)換速率，功耗低。只有250mW，還具有自校準功能，動態(tài)輸人頻帶寬，轉(zhuǎn)換噪聲低，非常適合于CCD掃描成像、紅外成像以及數(shù)字信號測試儀器儀表的信號采集。系統(tǒng)在測試過程中的各個不同階段和根據(jù)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(zhuǎn)換精度和采樣速率可以滿足目前大部分高精度直流穩(wěn)壓電源的品質(zhì)參數(shù)測試。也能滿足對直流穩(wěn)壓電源瞬態(tài)響應(yīng)的測試。

此外。該系統(tǒng)選用AD1674來采集負載電流值。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(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片內(nèi)部白帶采樣保持器(SHA)、10伏基準電壓源、時鐘源以及可和微處理器總線直接接口的暫存，三態(tài)輸出緩沖器。具有12位的轉(zhuǎn)換精度和100KSPS的采樣速率。

為了保證對A/D采集轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進行及時存儲和傳輸，在FPGA內(nèi)部配置兩塊RAM分別作為靜態(tài)RAM的輸入、輸出緩沖區(qū)。作為靜態(tài)RAM讀寫雙口控制器，前者接收A/D轉(zhuǎn)換傳過來數(shù)據(jù)流.經(jīng)處理后寫入到靜態(tài)RAM，后者讀取靜態(tài)RAM中數(shù)據(jù)，通過并行接口總線送給上位機。

D/A轉(zhuǎn)換電路的功能是給電子負載一個參考電壓.用來調(diào)節(jié)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(jù)測試需要變化。

本系統(tǒng)選用了美國Burr—Brown公司生產(chǎn)的DAC900U數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)模轉(zhuǎn)換電路，為電子負載提供高質(zhì)量的給定信號。

3.1.4開關(guān)量輸出部分

該測試系統(tǒng)設(shè)計有8路開關(guān)量輸出通道.分別用來控制源電壓調(diào)整電路中的大功率電阻和模擬負載的投切。它的實現(xiàn)方式是在FPGA內(nèi)設(shè)置兩個8位的指令寄存器組對開關(guān)量輸出進行控制。這兩個指令寄存器分別設(shè)計為開關(guān)量輸出允許寄存器和開關(guān)量開閉寄存器。通過寫開關(guān)量開閉寄存器來實現(xiàn)開關(guān)量輸出。該寄存器的每一位代表一個開關(guān)量輸出通道。值為“1“代表接通，“0”代表斷開。輸出允許寄存器是開關(guān)量輸出的總開關(guān)，復(fù)位后為00H，不允許開關(guān)量輸出;上位機對其寫入FFH后。允許開關(guān)量輸出。

3.1.5信號調(diào)理部分

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

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

電流信號調(diào)理是采用電流傳感器將強電流信號轉(zhuǎn)換成弱電流信號，再利用電阻把此弱電流信號轉(zhuǎn)換成滿足A/D轉(zhuǎn)換器幅值要求的電壓信號。經(jīng)過運算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器進入A/D轉(zhuǎn)換器，從而完成信號類型、幅值的轉(zhuǎn)換。

3.1.6通信接口

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

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

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

(3)由16條信號線構(gòu)成。其中8條為數(shù)據(jù)線，3條掛鉤(Handshake)線，5條管理線;

(4)在總線上采用負邏輯;該接口電路可以滿足本系統(tǒng)的通信要求.并且與FPGA連接方便，編程簡單，易于實現(xiàn)。

3.2源電壓調(diào)整電路

源電壓調(diào)整電路主要由大功率可調(diào)電阻和變壓器組成.原理示意圖如圖3所示。FPGA輸出的開關(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(dāng)D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出的電壓值不變時，回路中的電流就維持在一個恒定的值上.與U值無關(guān)，若要改變回路中電流的大小.只要調(diào)整D/A的輸出電壓即可。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

直流穩(wěn)壓電源自動測試系統(tǒng)軟件與硬件有機結(jié)合。構(gòu)成功能完整的測試系統(tǒng)。

4.1開發(fā)工具簡介

本系統(tǒng)軟件由面向?qū)ο蟮目梢暬绦蛟O(shè)計語言VB6.O開發(fā)。它具有開發(fā)速度快、易于調(diào)試與運行可靠等優(yōu)點，特別是它內(nèi)置了許多用于開發(fā)所數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序的專業(yè)化支持。該軟件中與后臺數(shù)據(jù)庫的連接使用了AcTIveX Data Objects(ADO)技術(shù)，ADO技術(shù)實際是一種提供訪問各種數(shù)據(jù)類型的連接機制，它被實現(xiàn)為OLEDB之上的一個薄層，這使得ADO可以有更快的訪問速度，更易使用，同時也更節(jié)省了資源。

4.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要有數(shù)據(jù)庫管理程序、系統(tǒng)測試程序、數(shù)據(jù)庫和輔助程序等部分構(gòu)成。

數(shù)據(jù)庫管理程序包括測試系統(tǒng)參數(shù)配置、被測電源參數(shù)注冊、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)庫維護、數(shù)據(jù)查詢、報表打印、圖形顯示等模塊。這些模塊主要完成對數(shù)據(jù)庫的操作和管理功能。

系統(tǒng)測試程序包括自檢和校準、測試執(zhí)行控制、數(shù)據(jù)采集、虛擬儀表實時顯示、測試結(jié)果分析、與下位機通信程序等。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)配置和被瀏電源的一些參數(shù)生成測試方案.通過通信接口控制系統(tǒng)硬件進行測試。并且實時監(jiān)控測試過程，測試完成后進行結(jié)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(shù)據(jù)庫采用了微軟的關(guān)系型桌面數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Access。

5.結(jié)束語

本文提出的直流穩(wěn)壓電源自動測試系統(tǒng)設(shè)計方案，以FPGA為控制核心部件.可以快速、準確、規(guī)范的測試直流穩(wěn)壓電源的品質(zhì)參數(shù)和瞬態(tài)響應(yīng)特性。相對于傳統(tǒng)的檢測手段，節(jié)省了測試時間，減輕了操作強度。此外，該系統(tǒng)具有精度高、人機界面友好、自動化程度高、使用方便可靠，成本低等特點，很適合用戶在生產(chǎn)使用過程中對直流穩(wěn)壓電源品質(zhì)參數(shù)和瞬態(tài)響應(yīng)特性進行快速檢測。