數(shù)字萬(wàn)用表在電源測(cè)試行業(yè)中的應(yīng)用

引言

　　隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，用戶對(duì)電源的效率、性能和成本提出更高要求，而對(duì)于電源工程師們來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)復(fù)雜電源的過(guò)程中，如何高效準(zhǔn)確的驗(yàn)證電源性能和測(cè)試電源參數(shù)，成為工程師們滿足用戶需求、提高企業(yè)效益的關(guān)鍵所在。
目前，電源企業(yè)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的測(cè)試主要采用程控測(cè)試，由一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的測(cè)試儀器、上位機(jī)軟件組合而成，這種方法不僅能夠提高測(cè)試效率、降低成本，而且能夠加快測(cè)試速度、提高測(cè)試準(zhǔn)確度和精確度。因此，各大電源企業(yè)需要更高性價(jià)比、滿足多種電源測(cè)試的通用測(cè)量?jī)x器。本文是RIGOL深入多家電源企業(yè)調(diào)研后，推出的利用RIGOL數(shù)字萬(wàn)用表提高電源檢測(cè)的解決方案，并介紹了DM3052數(shù)字萬(wàn)用表在國(guó)內(nèi)一家知名電源企業(yè)的應(yīng)用實(shí)例。

數(shù)字萬(wàn)用表如何實(shí)現(xiàn)高效測(cè)量

　　原理框圖

　　RIGOL DM3000系列數(shù)字萬(wàn)用表在實(shí)現(xiàn)基本的直流電壓測(cè)量時(shí)，首先根據(jù)電壓大小將其衰減到A/D采樣芯片的基準(zhǔn)電壓2.5V以下，然后進(jìn)行采樣，將結(jié)果傳送到FPGA中處理，最后得到電壓數(shù)值；而交流電壓的測(cè)量，則是在衰減后通過(guò)專門的交流電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)等效的直流電壓，再測(cè)量這個(gè)直流電壓即可得到交流電壓值；測(cè)量電阻及電容時(shí)，采用恒流源充放電方法，測(cè)量壓降或充電時(shí)間。此外，面向用戶的操作和顯示部分，則使用基于DSP的數(shù)字信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理。DM3000系列數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試原理框圖如圖1示。

　
圖1   DM3000系列數(shù)字萬(wàn)用表原理框圖
　
圖2  帶共模干擾的+5V直流信號(hào)
　
圖3  受干擾的200kHz交流電壓信號(hào)

提高測(cè)量速度

　　通常生產(chǎn)線上對(duì)測(cè)試速度的要求很高，高速度意味著產(chǎn)品測(cè)試周期短，可以大大減小產(chǎn)品生產(chǎn)的時(shí)間成本，有利于提高生產(chǎn)效率。通過(guò)使用不同廠家的萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試比較， DM3052數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量速度相比同類萬(wàn)用表最高。

　　在程控測(cè)試中，以測(cè)量直流24V電壓為例，若同一測(cè)試平臺(tái)上采用中速測(cè)量，同類萬(wàn)用表所需要的時(shí)間為360ms，而DM3052只需要250ms。若在一個(gè)測(cè)試平臺(tái)上連續(xù)測(cè)量直流電壓、交流電壓、頻率、電阻等177個(gè)項(xiàng)目，并選用快速，中速或慢速三種不同的測(cè)量模式，DM3052完成這一整套測(cè)量只需要88s, 相比同類萬(wàn)用表時(shí)間縮短了10s左右。

　　另一方面，DM3052數(shù)字萬(wàn)用表特有的多量程設(shè)置，快速自動(dòng)尋檔功能加快了測(cè)量速度。自動(dòng)化的生產(chǎn)檢測(cè)通常用上位機(jī)軟件控制一套測(cè)試平臺(tái)，一方面由于設(shè)備面板具有封閉性，不允許手動(dòng)操作；另一方面項(xiàng)目設(shè)置具有靈活性和多樣性，不可能以偏蓋全的在軟件中設(shè)固定的手動(dòng)量程，因此是否能夠自動(dòng)及時(shí)地尋找合適的檔位非常關(guān)鍵。目前市場(chǎng)上同類產(chǎn)品有兩個(gè)弊?。阂皇亲詣?dòng)尋檔速度慢，二是自動(dòng)尋檔超時(shí)會(huì)死機(jī)。DM3052解決了這兩大問(wèn)題，尋檔速度超過(guò)以往同類產(chǎn)品，以測(cè)量直流電壓3.3mV到5V為例，DM3052能夠從200mV檔到20V檔自動(dòng)尋檔，到測(cè)量得到穩(wěn)定的5V電壓值，只需要234mS，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于同類萬(wàn)用表需要的640ms。

　　提高測(cè)量精度

　　對(duì)于電源企業(yè)的復(fù)雜測(cè)試需求，研發(fā)工程師經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，使 DM3052數(shù)字萬(wàn)用表在測(cè)量精度上具有5位半、4位半、3位半的讀數(shù)精度，分別對(duì)應(yīng)慢速，中速和快速等多種測(cè)量速度的需求。以在該企業(yè)的使用為例，分別采用快，中，慢三種設(shè)置測(cè)量直流48V電壓，同一測(cè)試平臺(tái)上所需要的時(shí)間分別為172mS、234mS、438mS，在生產(chǎn)線檢測(cè)中，快速測(cè)量能夠大大節(jié)省時(shí)間，也可用做快速變化信號(hào)的測(cè)量和分析，但存在測(cè)量讀數(shù)準(zhǔn)確度不足等問(wèn)題。RIGOL DM3052數(shù)字萬(wàn)用表在技術(shù)上解決了這一問(wèn)題，完全能夠達(dá)到客戶要求。以測(cè)量直流48V電壓為例，快速測(cè)量和慢速測(cè)量的讀數(shù)準(zhǔn)確度分別為0.0008，0.0005，均完全達(dá)到了客戶測(cè)試指標(biāo)（0.004）。

　　提高測(cè)量準(zhǔn)確性

　　DM3052數(shù)字萬(wàn)用表抗共模干擾能力好，提高了讀數(shù)準(zhǔn)確度。通常開(kāi)關(guān)電源的底板是交流電源的地線，因而通過(guò)器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到輸入端產(chǎn)生共模干擾，影響到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的測(cè)量。比如，在測(cè)量帶共模干擾的+5V直流信號(hào)時(shí)，所帶的干擾在直流成分上疊加了500mV左右的交流成分，信號(hào)如圖3所示，以往同類產(chǎn)品測(cè)得此類信號(hào)的幅值偏大。DM3052在硬件上解決了這一問(wèn)題，避免了共模干擾產(chǎn)生的影響。

　　多種接口配置，良好的兼容性

　　DM3052有GPIB、LAN、RS232和USB Device接口，具有良好的兼容性，滿足不同接口的上位機(jī)通訊控制。在測(cè)一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的信號(hào)時(shí)，測(cè)試平臺(tái)需要由示波器、萬(wàn)用表、電子負(fù)載以及與之相連接的測(cè)試工裝，程控電源等多個(gè)設(shè)備組成，這些裝備由不同的通訊接口連接到上位機(jī)。這么多的測(cè)試設(shè)備是否能正常工作，關(guān)鍵之一在于通訊接口卡的兼容性。目前工業(yè)控制設(shè)備大部分還是沿用世紀(jì)初的GPIB接口。對(duì)于這個(gè)接口，市場(chǎng)上大多萬(wàn)用表存在自身GPIB接口卡與平臺(tái)主機(jī)兼容性不好的問(wèn)題，使萬(wàn)用表和其他GPIB設(shè)備共用同一臺(tái)工控機(jī)上的總線資源會(huì)發(fā)生沖突，DM3052在兼容性上解決了這一問(wèn)題，經(jīng)過(guò)與NI、ADLINK各廠家GPIB卡兼容性測(cè)試，無(wú)一沖突的通過(guò)了開(kāi)關(guān)電源生產(chǎn)線不同平臺(tái)上的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

　　精簡(jiǎn)的命令協(xié)議，兼容通用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

　　DM3052具有自主研發(fā)、配套的精簡(jiǎn)命令協(xié)議，并兼容通用標(biāo)準(zhǔn)的SCPI命令協(xié)議和FLUKE公司的命令協(xié)議。目前，工業(yè)控制快速發(fā)展對(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證和功能測(cè)試提出了更為嚴(yán)格的要求，因此整個(gè)生產(chǎn)線上測(cè)試設(shè)備的更新和自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的軟件升級(jí)，都已成為各個(gè)廠家亟待解決的問(wèn)題，同時(shí)廠家更加擔(dān)心一旦設(shè)備更新后，軟件不能快速升級(jí)，將會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)停滯，嚴(yán)重影響企業(yè)生產(chǎn)效益。面對(duì)這些問(wèn)題， DM3052命令協(xié)議的全面兼容性可以大大減少上位機(jī)軟件的更改，同時(shí)方便軟件進(jìn)行快速升級(jí)，加快檢測(cè)設(shè)備更新?lián)Q代的速度。

　　另一方面，DM3052還具有與各種功能相對(duì)應(yīng)的命令集，合理的命令設(shè)置可以提高讀數(shù)準(zhǔn)確度。例如，測(cè)量200kHz信號(hào)的頻率時(shí)，如圖4所示，由于該信號(hào)受到外部干擾導(dǎo)致幅度減小，閾值設(shè)置過(guò)高信號(hào)不完整。為了準(zhǔn)確測(cè)量該信號(hào)的頻率，需要調(diào)整量程電壓值決定的閾值設(shè)置，在硬件上改變比較復(fù)雜。RIGOL DM3052能夠通過(guò)命令集迅速解決，將所有測(cè)頻命令從“:FREQ？”改成“:FREQ？MID,MIN”，量程檔位設(shè)成最小200mV,這樣電壓閾值就能很方便的重新設(shè)置，從而準(zhǔn)確的測(cè)量信號(hào)頻率。由此可見(jiàn)，適合的命令集是自動(dòng)化測(cè)試中必不可少的一環(huán)。

高可靠性、高穩(wěn)定性

　　在穩(wěn)定性方面，產(chǎn)品經(jīng)歷了由不成熟到成熟的過(guò)程，在此過(guò)程中，高精度和穩(wěn)定性常常是一對(duì)矛盾，為解決這個(gè)問(wèn)題，工程師在開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)硬件部分作了多次改進(jìn)，并且給出了相應(yīng)的指標(biāo)范圍，基本上可以滿足大部分工業(yè)客戶的需求，產(chǎn)品通過(guò)了中國(guó)航天科技集團(tuán)第五研究院等多家計(jì)量單位的計(jì)量。