電源監測電路的優化設計*

焦新泉 董 康 袁延榮 賈興中

（1.中北大學電子測試技術重點實驗室 太原 030051）（2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 太原 030051）（3.北京臨近空間飛行器系統工程研究所 北京 100710）

1 引言

在航空工業領域中，信號綜合測試設備需要完成大量信號的精確采集和測量［1］。該系統的采集設備、控制設備以及執行部件等大部分為電氣化的設備，它們穩定、可靠和高效地輸出都需要高穩定性、高精度的供電設備來保證。一般的供電系統通過濾波電路和穩壓電路可以實現供電設備較高精度的輸入，但是供電電源輸出不穩定的問題一直是困擾測試臺長時間高效穩定工作主要問題［2］。針對這一問題，本文設計了監控電源的信號的監測電路，可以實現電源信號所在電路電流信號和電壓信號的高精度采集，并且通過FPGA 控制可以使得電壓值和電流值實時顯示在上位機界面，可以直觀地觀察到監測信號，對于供電電路的狀態監測具有重要意義，有廣泛的工程應用價值。

2 總體設計

基于測試臺的電源輸出結構，硬件電路設計主要有三個部分組成，分別為電流信號監測電路，電壓信號監測電路和A/D信號轉化電路。FPGA通過控制模擬開關實現信號的電流值和電壓值的采集。采集信號通過AD7667信號轉換電路可以將電壓值轉化為數字量，然后通過FPGA 和上位機實現對測試數據的標定和實時分析等操作。圖1 為電源信號監測電路的總體設計框圖。

圖1 電路總體設計

3 硬件電路優化設計

3.1 電流信號監測電路的優化設計

電流監測電路主要實現測試臺輸入電源的電流信號狀態的監測，相較于之前通過一個在電路中串聯小電阻通過電壓轉化關系來測試通路中的電流的方式，此次設計采用了高靈敏度的霍爾傳感器來實現電流信號的檢測，如圖2 所示。輸入信號為Vin，當輸入信號進入霍爾傳感器后會在輸出端輸出一個對應的電壓值Cin，這個電壓值通過后級電路處理送入FPGA，經過FPGA 和上位機的處理完成該路電流信號的監測。

圖2 電源信號的電流信號監測電路

ACS70331EPLCTR-2P5B3 是一種高靈敏的檢測電流信號的傳感器，它的輸出電壓精度高，芯片的功耗低［3］?；魻杺鞲衅餍酒瑑炔拷Y構如圖3 所示。

圖3 ACS70331EPLCTR 內部結構示意圖

由圖3 可知，當Vin 電壓信號在IP+輸入，由于內部電氣結構信號可以直接流向IP-，IP+和IP-就會組成一個電流回路，感應線圈通過感應通路的磁場變換捕捉電流信號［4］。式（1）為霍爾傳感器輸出電壓轉換公式：

其中，Sens為霍爾傳感器靈敏度，由所選芯片類型決定，ACS7033 的Sens=800mv/A。Ip為電路中的工作電流，工作電流由輸入信號所在的電路決定。根據所選芯片，所以此處的VIOUT（Q）=0.25V，然后通過式（1）可以將最后的電壓值計算出來。通過此公式可以標定輸入電流和輸出電壓之間的關系?；魻杺鞲衅魍鈬娐返妮敵龆嗽O計了一個跟隨器，跟隨器具有高輸入阻抗，低輸出阻抗的特點，可以用來穩定輸出信號，更好地實現后端電路的阻抗匹配［5］。然后將Cin 送入A/D 轉換電路端口，通過FPGA 實現數據的采集和傳輸，最終在上位機端將采集到的電壓值以電流值的形式顯示。

3.2 電壓信號監測電路設計

圖4 為輸入電路的電壓信號的監測電路的設計。基于測試臺輸入常用電源范圍，在信號采集的前端設計了電容濾波電路，電容濾波電路的目的是濾除電源信號的高頻噪聲，保證輸入信號的質量［6］。在濾波電路后設計了分壓電路，分壓電路主要是為了將輸入的電源信號進行合理分壓，確保輸入后級的電路電壓信號在可控范圍內。U3A 是保證電路設計的阻抗匹配跟隨電路。主要保證輸入的電壓信號有一個較低的輸出阻抗，可以正常地輸入到后級的A/D變換采集電路進行信號調理。

圖4 電源信號電壓監測電路

3.3 信號A/D轉換電路的設計

準確實現采集到的電壓值轉換為數字量是本次設計的關鍵，轉換的精度很大程度上決定了整個監測電路的測量精度。從高的數模轉換率速度和轉換精度出發，選擇了AD公司的AD7667［6］。AD7667是一款高速的16位ADC 轉換芯片，數據傳輸速率高達1MSPS。經測試，該芯片工作溫度的范圍也符合測試臺的測試環境，所以選用這一款AD轉換芯片實現模擬量和數字量的轉化。然后通過FPGA 控制系統可以實現電壓值的采集。如圖5 為A/D模數轉換電路。

圖5 電壓信號監測電路

由圖5 可以看到，Vin 的電壓信號范圍為-0.75～+5.75V，偏置電壓為2.5V，U1C 的輸出電壓為-0.75～+5.75V，R9=R10=R11=R13，根據同相加法電路可以計算得到U2D 的輸出電壓為0.48V～6.9V；R12=12k，R14=24k，R12/R14=1∶2，可以計算得到U1A的電壓為0.16V～2.3V［7］。

AD7667芯片輸入端信號的范圍為0～2.5V。通過對輸入信號的分壓調理之后可以實現信號的正常輸入。然后將輸入的模擬信號轉化為數字信號傳遞給FPGA，FPGA 通過數字量和電壓量的關系線性擬合后可以在上位機端將調理電路的電壓值和電流值實時顯示出來，完成對電路狀態的監測。經后期測試，此電路的信號采集精度在+1%以內，在監測的過程中不影響信號的輸出精度，可以準確地完成采集信號的提取。

4 軟件設計

本次設計使用的FPGA 控制芯片為Xilinx公司的高可靠性現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）型號是XC7Al00T-FGG484，它具有101440 個邏輯單元，數據傳輸速率高達6.25GB/s，可通過外部晶振和AD 采集芯片的調整設計實現信號的高精度采集。本次測試選用的晶振為40M，它可以實現每到一個新的時鐘脈沖，電路就可以有一個新的指令［7］。首先電路板在上電后進行上電復位操作，然后FPGA 設置了30s 檢查端口輸出狀態并開始信號的采集、傳遞和轉化的工作。FPGA通過時序設置控制模擬開關切換實現多路供電電源信號的的采集，具體的輸入過程如圖6所示。

圖6 信號監測軟件流程圖

數據采集的軟件設計中，還是要完成數字量和電壓量的線性標定［8］。在上位機端的顯示中，y 為最終輸出的電壓值，x為采集到的數字量，線性標定的過程就是一個一一對應的過程。而對于電流值的顯示，需要完成兩次標定。第一次標定為傳感器本身的標定，完成輸入電流值和輸入電壓值的標定。此過程中輸入電流值為x1，輸出電壓值為y1。第二次標定是輸入電壓值和數字量的標定，此過程中輸入電壓值為x2，輸出的數字量為y2。完成兩次標定后電流值即可正確地顯示在上位機端。對于電流值的顯示來說，可以通過直接標定電流值和數字量的關系來驗證標定過程的正確性，可以更好地驗證測量的精度是否滿足［9］。

為實現高精度采集，需要正確分析AD7667 的轉換時序［10］。圖7 為AD7667 的轉換時序控制圖，CS保持為低電平，在DRDY下降沿到來，并經過t14時間后SDO 輸出總線上的數據有效，這時，通過控制SCLK 脈沖并逐個讀取SDO 輸出總線上的數據，當讀取完最后一位數據后，DRDY 由低變高，標志AD7766開始進行下一次數據采樣。通過這樣的方式，可以配合FPGA 完成對與同一信號不同變化參數的提取。

圖7 讀取AD7667轉化結果的控制時序

5 實驗結果分析

5.1 霍爾傳感器數據標定過程

在對采集數據進行分析之前，首先應該進行電路參量的標定工作?；魻杺鞲衅魇菣z測通路電流的元件，首先應該進行輸入電流值和輸出電壓值的線性標定［11］。據霍爾傳感器的電流感應特性，需要搭建一個回路關系，如圖8 所示。通過串聯一個阻值為2Ω，功率是28W 的電阻與霍爾傳感器構成回路進行標定。通過改變輸入電路的電壓值來改變電流值，然后進行擬合。具體關系如表1所示。

表1 電壓采樣值和FPGA數字量的標定關系

圖8 霍爾傳感器標定示意圖

5.2 數據測試及分析

針對本次電路設計，在實驗測試階段主要完成對測試臺幾種常見的供電的監測值和高精度電源的輸入值做了對比。對比測試數據如表2所示。

表2 電路典型電壓信號監測數據測試表

本次輸入的電源信號用了大功率電源，相比于高精度電源，大功率電源的輸入可調節范圍大，可以更好地模擬測試臺的供電輸入［12］。

通過表2 對于典型電壓值的采集可以發現，本文設計的檢測電路可以實現電壓信號的高精度采集。同原始的輸入信號相比，檢測數據的采集精度可以控制在1%以內，可以更好地實現電壓信號的檢測。

此外，針對測量中頻率波動導致測試數據出現誤差的問題，可以通過使用濾波算法對數據進行進一步的優化處理，從而配合硬件電路達到輸出數據的最優化［13］。

5.3 上位機實時監測軟件設計

監測電路通過高精度的采集芯片和控制芯片完成了信號的采集處理，但是要完善監測電路的整體功能，還需要一個上位機實時監測系統。

圖9 為上位機軟件實時監測界面。上位機監測軟件主要有四個部分組成，分別為四個功能選項，分別是單元測試，數據分析，參數配置和數據存儲［14］。單元測試主要實現通路電流值和電壓值數值和波形的實時顯示。數據分析可以將采集的數據進行回放分析，更加精確地分析波形變化。參數配置界面，可以通過對監測的電壓值和電流值設置預警值的方式來監測供電電源狀態。當電源信號出現較大波動時，可以及時切斷電源，查找問題，從而保證測試設備的正常運轉［15］。數據存儲功能可以實現采樣值的原始數字量的輸出，當設備進行較長時間監測時，可以在存儲文件存放的位置找到原始數據文件，方便進行數據的回放和分析。

圖9 上位機實時監測界面設計

6 結語

本文針對綜合測試設備電源輸出不穩定的問題設計了一個可以實時監測供電電路的電壓和電流變化的電路。通過FPGA 的高精度處理芯片和高速數模轉化芯片AD7667的配合可以實現電路采樣信號的高精度采集。通過上位機軟件可以實現供電電路電流信號和電壓信號的實時采集，通過上位機的波形顯示窗口，更能直觀地觀察供電通路的狀態變化，解決了傳統監測系統精度低，可靠性差等問題，實現了對于測試設備供電系統的實時監測的問題。通過實驗驗證，該電路配合測試臺可以準確監測供電狀態，有較好的穩定性和靠操作性，后續可以配合模擬開關和FPGA通過分時切換實現多路電源信號的監測，在工程上具有廣泛的推廣價值。