數(shù)字萬用表在電源測試行業(yè)中的應用

　　引言

　　隨著電源技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，用戶對電源的效率、性能和成本提出更高要求，而對于電源工程師們來說，在設計復雜電源的過程中，如何高效準確的驗證電源性能和測試電源參數(shù)，成為工程師們滿足用戶需求、提高企業(yè)效益的關鍵所在。

　　目前，電源企業(yè)對開關電源的測試主要采用程控測試，由一臺工業(yè)計算機和相應的測試儀器、上位機軟件組合而成，這種方法不僅能夠提高測試效率、降低成本，而且能夠加快測試速度、提高測試準確度和精確度。因此，各大電源企業(yè)需要更高性價比、滿足多種電源測試的通用測量儀器。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)字萬用表提高電源檢測的解決方案，并介紹了DM3052數(shù)字萬用表在國內(nèi)一家知名電源企業(yè)的應用實例。

　　數(shù)字萬用表如何實現(xiàn)高效測量

　　原理框圖

　　RIGOL D系列數(shù)字萬用表在實現(xiàn)基本的直流電壓測量時，首先根據(jù)電壓大小將其衰減到A/D采樣芯片的基準電壓2.5V以下，然后進行采樣，將結果傳送到FPGA中處理，最后得到電壓數(shù)值；而交流電壓的測量，則是在衰減后通過專門的交流電壓轉換芯片轉換為對應等效的直流電壓，再測量這個直流電壓即可得到交流電壓值；測量電阻及電容時，采用恒流源充放電方法，測量壓降或充電時間。此外，面向用戶的操作和顯示部分，則使用基于DSP的數(shù)字信號處理模塊進行處理。DM3000系列數(shù)字萬用表測試原理框圖如圖1示。

　　圖1 DM3000系列數(shù)字萬用表原理框圖

　　圖2 帶共模干擾的+5V直流信號

　　圖3 受干擾的200kHz交流電壓信號

　　提高測量速度

　　通常生產(chǎn)線上對測試速度的要求很高，高速度意味著產(chǎn)品測試周期短，可以大大減小產(chǎn)品生產(chǎn)的時間成本，有利于提高生產(chǎn)效率。通過使用不同廠家的萬用表進行測試比較， DM3052數(shù)字萬用表測量速度相比同類萬用表最高。

　　在程控測試中，以測量直流24V電壓為例，若同一測試平臺上采用中速測量，同類萬用表所需要的時間為360ms，而DM3052只需要250ms。若在一個測試平臺上連續(xù)測量直流電子產(chǎn)品世界電壓、交流電壓、頻率、電阻等177個項目，并選用快速，中速或慢速三種不同的測量模式，DM3052完成這一整套測量只需要88s， 相比同類萬用表時間縮短了10s左右。

　　另一方面，DM3052數(shù)字萬用表特有的多量程設置，快速自動尋檔功能加快了測量速度。自動化的生產(chǎn)檢測通常用上位機軟件控制一套測試平臺，一方面由于設備面板具有封閉性，不允許手動操作；另一方面項目設置具有靈活性和多樣性，不可能以偏蓋全的在軟件中設固定的手動量程，因此是否能夠自動及時地尋找合適的檔位非常關鍵。目前市場上同類產(chǎn)品有兩個弊病：一是自動尋檔速度慢，二是自動尋檔超時會死機。DM3052解決了這兩大問題，尋檔速度超過以往同類產(chǎn)品，以測量直流電壓3.3mV到5V為例，DM3052能夠從200mV檔到20V檔自動尋檔，到測量得到穩(wěn)定的5V電壓值，只需要234mS，速度遠遠快于同類萬用表需要的640ms。

　　提高測量精度

　　對于電源企業(yè)的復雜測試需求，研發(fā)工程師經(jīng)過反復試驗，使 DM3052數(shù)字萬用表在測量精度上具有5位半、4位半、3位半的讀數(shù)精度，分別對應慢速，中速和快速等多種測量速度的需求。以在該企業(yè)的使用為例，分別采用快，中，慢三種設置測量直流48V電壓，同一測試平臺上所需要的時間分別為172mS、234mS、438mS，在生產(chǎn)線檢測中，快速測量能夠大大節(jié)省時間，也可用做快速變化信號的測量和分析，但存在測量讀數(shù)準確度不足等問題。RIGOL DM3052數(shù)字萬用表在技術上解決了這一問題，完全能夠達到客戶要求。以測量直流48V電壓為例，快速測量和慢速測量的讀數(shù)準確度分別為0.0008，0.0005，均完全達到了客戶測試指標（0.004）。

　　提高測量準確性

　　DM3052數(shù)字萬用表抗共模干擾能力好，提高了讀數(shù)準確度。通常開關電源的底板是交流電源的地線，因而通過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，影響到標準信號的測量。比如，在測量帶共模干擾的+5V直流信號時，所帶的干擾在直流成分上疊加了500mV左右的交流成分，信號如圖3所示，以往同類產(chǎn)品測得此類信號的幅值偏大。DM3052在硬件上解決了這一問題，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通訊控制。在測一個開關電源的信號時，測試平臺需要由示波器、萬用表、電子負載以及與之相連接的測試工裝，程控電源等多個設備組成，這些裝備由不同的通訊接口連接到上位機。這么多的測試設備是否能正常工作，關鍵之一在于通訊接口卡的兼容性。目前工業(yè)控制設備大部分還是沿用世紀初的GPIB接口。對于這個接口，市場上大多萬用表存在自身GPIB接口卡與平臺主機兼容性不好的問題，使萬用表和其他GPIB設備共用同一臺工控機上的總線資源會發(fā)生沖突，DM3052在兼容性上解決了這一問題，經(jīng)過與NI、ADLINK各廠家GPIB卡兼容性測試，無一沖突的通過了開關電源生產(chǎn)線不同平臺上的現(xiàn)場測試。

　　精簡的命令協(xié)議，兼容通用標準協(xié)議

　　DM3052具有自主研發(fā)、配套的精簡命令協(xié)議，并兼容通用標準的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)展對開關電源產(chǎn)品設計驗證和功能測試提出了更為嚴格的要求，因此整個生產(chǎn)線上測試設備的更新和自動化測試平臺的軟件升級，都已成為各個廠家亟待解決的問題，同時廠家更加擔心一旦設備更新后，軟件不能快速升級，將會導致生產(chǎn)停滯，嚴重影響企業(yè)生產(chǎn)效益。面對這些問題， DM3052命令協(xié)議的全面兼容性可以大大減少上位機軟件的更改，同時方便軟件進行快速升級，加快檢測設備更新?lián)Q代的速度。

　　另一方面，DM3052還具有與各種功能相對應的命令集，合理的命令設置可以提高讀數(shù)準確度。例如，測量200kHz信號的頻率時，如圖4所示，由于該信號受到外部干擾導致幅度減小，閾值設置過高信號不完整。為了準確測量該信號的頻率，需要調(diào)整量程電壓值決定的閾值設置，在硬件上改變比較復雜。RIGOL DM3052能夠通過命令集迅速解決，將所有測頻命令從“：FREQ？”改成“：FREQ？MID，MIN”，量程檔位設成最小200mV，這樣電壓閾值就能很方便的重新設置，從而準確的測量信號頻率。由此可見，適合的命令集是自動化測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程，在此過程中，高精度和穩(wěn)定性常常是一對矛盾，為解決這個問題，工程師在開發(fā)過程中對硬件部分作了多次改進，并且給出了相應的指標范圍，基本上可以滿足大部分工業(yè)客戶的需求，產(chǎn)品通過了中國航天科技集團第五研究院等多家計量單位的計量。