一种直流稳压电源自动测试系统设计

1．引言

直流稳压电源被广泛的应用于电子产品生产线、实验室、工业控制和信息通讯等领域，其输出电压品质的好坏直接影响到整个系统的工作性能。在日常使用过程中。引起输出电压变化的最主要因素有两个：一是由上游输入电压的变化引起的；另一个是由输出电流的变化(由于负载变化)引起的。一般来说，稳压电源的没计首先要考虑输入电压和负载这两个因素．也就是说直流稳压电源稳定电压的能力首先要看输入电压的变化和负载变化引起的输出电压的变化被限制到多小的程度。衡量这个程度的指标一般被称作质量指标。
主要包括以下几个方面的参数：
(1)电压调整率SD；
(2)负载调整率St；
(3)输出电阻Ro；
(4)纹波系数y；
(5)恢复时间△t；
(6)峰值电压UP。

本文提出一种基于FPGA、高速A/D、D/A以及上位机软件组成的直流稳压电源自动测试系统设计方案，可以实现快速榆测直流稳压电源以上几方面的参数。在简要介绍系统的组成、功能、工作原理以及所用到的主要元器件的基础上．重点探讨了系统软硬件的实现方案。

2．系统功能和工作原理介绍

该系统的主要测试对象是额定输出电压最大为30V．额定输出电流最大为1OA的小功率直流稳压电源．系统设计严格按照有关国家标准进行。

2．1系统功能

该系统主要功能包括：
(1)对象功能测试：该系统能够提供被测电源正常工作的虚拟工作环境(包括输入电源和模拟负载)，并能在该环境下完成帮机测试；
(2)系统管理：该系统能根据测试要求自动生成测试程序并控制测试自动进行，最后自动给出测试报告：
(3)数据库管理：采用关系型数据库管理系统管理数据．由测试流程读取配置数据库的数据．配骨测试仪器．进行相应的测试，然后将测试结果保存到测试结果数据库当中：
(4)模拟显示：该系统具有交互图形显示界面，对测试程序生成、测试流程、测试过程中的提示信息以及产生的实时数据、测试结果等都能进行实时显示，并能提供报警信息。

2．2系统工作原理

该系统的工作原理是：上位机通过并行接口将配置数据送人数据采集转换和控制模块；该模块首先进行自检，若自检无误，系统将根据已经设置好的流程开始自动测试。同时实时采集被测电源的输出电压和电流，并将其转换成数字送量到上位机；测试完成后．上位机对测试数据进行分析、计算，自动生成测试报告．并建立被测电源的测试数据库。

3．系统硬件设计

直流稳压电源自动测试系统的结构框图如图1所示。系统由上位机、数据采集转换和控制模块、源电压调整装置以及模拟负载组成。

其中。上位机是系统的信息和任务调度中心，主要完成系统管理、测试程序生成、测试控制、测试结果分析等功能．并且能显示测试进程和测试结果。

3．1数据采集转换与控制模块

数据采集转换和控制模块图1喜流稳压电源自动测试系统结构框图主要由FPGA、CPLD以及其外围电路，A／D转换电路，D/A转换电路，信号调理电路和各种接口电路构成。该模块的系统构成框图如图2所示。

3．1．1 XC2S100-TQ144型FPGA芯片
Spartan-II系列XC2S100—TQ144型FPGA由美国Xilinx公司生产，它可以为用户提供良好的忭能、大量的逻辑资源和丰富的特性设置。它的内核电压为2．5V，逻辑门密度为100000系统门，用户IO数量为92个，支持200MHz以上的工作频率，内部结构主要由可配置逻辑模块(CLB)、用户可编程I/O(IOB)、BIockRAM、数字延迟锁相环(DLL)组成。

其中，CLB用于实现FPGA的绝大部分逻辑功能；1OB用于提供封装引脚与内部逻辑之问的接口；BIockRAM用于实现FPGA内部的随机存取，它可配置为RAM、双口RAM、FIFO等随机存储器；DLL用于提供灵活的时钟管理功能。

Spartan-II系列FPGA是基于RAM工艺的．在掉电后本身不能保存信息，需要一个外置存储芯片来保存其信息．可以选用一片XC95144XL型CPLD来代替成本较高的专用PROM，此外CPLD在这里还有电平转换功能。模块上电后．CPLD将配置数据载人到FPGA的内部静态存储单元里来完成对FPGA的定制，存储在这些单元的配置数据决定了FPGA里的逻辑功能和互联。

3．1．2 A/D转换
A/D转换电路是用来采集直流稳压电源输出的经过信号调理电路处理过的电压和电流信号的．在整个测试系统中占有十分重要的地位．系统的测试精度主要取决于A/D转换的精度。

系统选用TI公司生产的ADS850Y型A/D转换器来采样被测电源的输出电压。它具有14位分辨率、10MSPs转换速率，功耗低。只有250mW，还具有自校准功能，动态输人频带宽，转换噪声低，非常适合于CCD扫描成像、红外成像以及数字信号测试仪器仪表的信号采集。系统在测试过程中的各个不同阶段和根据不同的测试要求．可以灵活选择不同的采样速率，范围在lK-10MHz之间。该芯片的转换精度和采样速率可以满足目前大部分高精度直流稳压电源的品质参数测试。也能满足对直流稳压电源瞬态响应的测试。

此外。该系统选用AD1674来采集负载电流值。AD1674是美国AD公司推出的一种12位带并行微机接口的逐次逼近型模，数转换芯片。该芯片内部白带采样保持器(SHA)、10伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存，三态输出缓冲器。具有12位的转换精度和100KSPS的采样速率。

为了保证对A/D采集转换得到的数据进行及时存储和传输，在FPGA内部配置两块RAM分别作为静态RAM的输入、输出缓冲区。作为静态RAM读写双口控制器，前者接收A／D转换传过来数据流．经处理后写入到静态RAM，后者读取静态RAM中数据，通过并行接口总线送给上位机。

D/A转换电路的功能是给电子负载一个参考电压．用来调节流经电子负载的被测电源输出电流的大小．使被测电源的输出电流根据测试需要变化。

本系统选用了美国Burr—Brown公司生产的DAC900U数模转换器。该芯片具有10位的分辨率和165MHz的输出更新速率，其独立输出的电流可达20mA。将DAC900U与FPGA连接，形成高速数模转换电路，为电子负载提供高质量的给定信号。

3．1．4开关量输出部分
该测试系统设计有8路开关量输出通道．分别用来控制源电压调整电路中的大功率电阻和模拟负载的投切。它的实现方式是在FPGA内设置两个8位的指令寄存器组对开关量输出进行控制。这两个指令寄存器分别设计为开关量输出允许寄存器和开关量开闭寄存器。通过写开关量开闭寄存器来实现开关量输出。该寄存器的每一位代表一个开关量输出通道。值为“1“代表接通，“0”代表断开。输出允许寄存器是开关量输出的总开关，复位后为00H，不允许开关量输出；上位机对其写入FFH后。允许开关量输出。

3．1．5信号调理部分
该部分电路用于将直流稳压电源输出的电压、电流信号调理成幅值适合于枷转换器采样的信号。

电压信号的调理是采用电阻分压原理把原始的电压信号转换成满足加转换器幅值要求的电压信号，再由差动放大器进入加转换器。

电流信号调理是采用电流传感器将强电流信号转换成弱电流信号，再利用电阻把此弱电流信号转换成满足A/D转换器幅值要求的电压信号。经过运算放大器构成的电压跟随器进入A/D转换器，从而完成信号类型、幅值的转换。

3．1．6通信接口
上位机与FPGA的通信采用IEEE-488并行总线接口。其接口系统的基本特性有：
(1)采用串行字节、并行位、三线连锁挂钩技术、双向异步的数传方式：
(2)在20m距离内。采用三态门发送器，一般通信速率为500Kbps，最高可达1Mbps；
(3)由16条信号线构成。其中8条为数据线，3条挂钩(Handshake)线，5条管理线；
(4)在总线上采用负逻辑；该接口电路可以满足本系统的通信要求．并且与FPGA连接方便，编程简单，易于实现。

3．2源电压调整电路

源电压调整电路主要由大功率可调电阻和变压器组成．原理示意图如图3所示。FPGA输出的开关量信号。控制固态继电器周期通断。使变压器输出产生198V一220V一242V阶跃变化的方波。

3．3模拟负载

模拟负载可采用通用电子负载，具备可编程周期变化功能。在测试过程中．电子负载处于恒流工作方式。其等效原理图如图4所示。图中R是固定电阻．当D/A转换芯片输出的电压值不变时，回路中的电流就维持在一个恒定的值上．与U值无关，若要改变回路中电流的大小．只要调整D/A的输出电压即可。

4．系统软件设计

直流稳压电源自动测试系统软件与硬件有机结合。构成功能完整的测试系统。

4．1开发工具简介

本系统软件由面向对象的可视化程序设计语言VB6.O开发。它具有开发速度快、易于调试与运行可靠等优点，特别是它内置了许多用于开发所数据库应用程序的专业化支持。该软件中与后台数据库的连接使用了ActiveX Data Objects(ADO)技术，ADO技术实际是一种提供访问各种数据类型的连接机制，它被实现为OLEDB之上的一个薄层，这使得ADO可以有更快的访问速度，更易使用，同时也更节省了资源。

4．2系统软件结构

系统软件结构如图5所示，主要有数据库管理程序、系统测试程序、数据库和辅助程序等部分构成。

数据库管理程序包括测试系统参数配置、被测电源参数注册、数据存储、数据库维护、数据查询、报表打印、图形显示等模块。这些模块主要完成对数据库的操作和管理功能。

系统测试程序包括自检和校准、测试执行控制、数据采集、虚拟仪表实时显示、测试结果分析、与下位机通信程序等。根据系统参数配置和被浏电源的一些参数生成测试方案．通过通信接口控制系统硬件进行测试。并且实时监控测试过程，测试完成后进行结果分析，给出测试报告。

辅助程序包括帮助文档和关于软件。
数据库采用了微软的关系型桌面数据库系统Access。

5．结束语

本文提出的直流稳压电源自动测试系统设计方案，以FPGA为控制核心部件．可以快速、准确、规范的测试直流稳压电源的品质参数和瞬态响应特性。相对于传统的检测手段，节省了测试时间，减轻了操作强度。此外，该系统具有精度高、人机界面友好、自动化程度高、使用方便可靠，成本低等特点，很适合用户在生产使用过程中对直流稳压电源品质参数和瞬态响应特性进行快速检测。