电源监测电路的优化设计*

焦新泉 董 康 袁延荣 贾兴中

（1.中北大学电子测试技术重点实验室 太原 030051）（2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 太原 030051）（3.北京临近空间飞行器系统工程研究所 北京 100710）

1 引言

在航空工业领域中，信号综合测试设备需要完成大量信号的精确采集和测量［1］。该系统的采集设备、控制设备以及执行部件等大部分为电气化的设备，它们稳定、可靠和高效地输出都需要高稳定性、高精度的供电设备来保证。一般的供电系统通过滤波电路和稳压电路可以实现供电设备较高精度的输入，但是供电电源输出不稳定的问题一直是困扰测试台长时间高效稳定工作主要问题［2］。针对这一问题，本文设计了监控电源的信号的监测电路，可以实现电源信号所在电路电流信号和电压信号的高精度采集，并且通过FPGA 控制可以使得电压值和电流值实时显示在上位机界面，可以直观地观察到监测信号，对于供电电路的状态监测具有重要意义，有广泛的工程应用价值。

2 总体设计

基于测试台的电源输出结构，硬件电路设计主要有三个部分组成，分别为电流信号监测电路，电压信号监测电路和A/D信号转化电路。FPGA通过控制模拟开关实现信号的电流值和电压值的采集。采集信号通过AD7667信号转换电路可以将电压值转化为数字量，然后通过FPGA 和上位机实现对测试数据的标定和实时分析等操作。图1 为电源信号监测电路的总体设计框图。

图1 电路总体设计

3 硬件电路优化设计

3.1 电流信号监测电路的优化设计

电流监测电路主要实现测试台输入电源的电流信号状态的监测，相较于之前通过一个在电路中串联小电阻通过电压转化关系来测试通路中的电流的方式，此次设计采用了高灵敏度的霍尔传感器来实现电流信号的检测，如图2 所示。输入信号为Vin，当输入信号进入霍尔传感器后会在输出端输出一个对应的电压值Cin，这个电压值通过后级电路处理送入FPGA，经过FPGA 和上位机的处理完成该路电流信号的监测。

图2 电源信号的电流信号监测电路

ACS70331EPLCTR-2P5B3 是一种高灵敏的检测电流信号的传感器，它的输出电压精度高，芯片的功耗低［3］。霍尔传感器芯片内部结构如图3 所示。

图3 ACS70331EPLCTR 内部结构示意图

由图3 可知，当Vin 电压信号在IP+输入，由于内部电气结构信号可以直接流向IP-，IP+和IP-就会组成一个电流回路，感应线圈通过感应通路的磁场变换捕捉电流信号［4］。式（1）为霍尔传感器输出电压转换公式：

其中，Sens为霍尔传感器灵敏度，由所选芯片类型决定，ACS7033 的Sens=800mv/A。Ip为电路中的工作电流，工作电流由输入信号所在的电路决定。根据所选芯片，所以此处的VIOUT（Q）=0.25V，然后通过式（1）可以将最后的电压值计算出来。通过此公式可以标定输入电流和输出电压之间的关系。霍尔传感器外围电路的输出端设计了一个跟随器，跟随器具有高输入阻抗，低输出阻抗的特点，可以用来稳定输出信号，更好地实现后端电路的阻抗匹配［5］。然后将Cin 送入A/D 转换电路端口，通过FPGA 实现数据的采集和传输，最终在上位机端将采集到的电压值以电流值的形式显示。

3.2 电压信号监测电路设计

图4 为输入电路的电压信号的监测电路的设计。基于测试台输入常用电源范围，在信号采集的前端设计了电容滤波电路，电容滤波电路的目的是滤除电源信号的高频噪声，保证输入信号的质量［6］。在滤波电路后设计了分压电路，分压电路主要是为了将输入的电源信号进行合理分压，确保输入后级的电路电压信号在可控范围内。U3A 是保证电路设计的阻抗匹配跟随电路。主要保证输入的电压信号有一个较低的输出阻抗，可以正常地输入到后级的A/D变换采集电路进行信号调理。

图4 电源信号电压监测电路

3.3 信号A/D转换电路的设计

准确实现采集到的电压值转换为数字量是本次设计的关键，转换的精度很大程度上决定了整个监测电路的测量精度。从高的数模转换率速度和转换精度出发，选择了AD公司的AD7667［6］。AD7667是一款高速的16位ADC 转换芯片，数据传输速率高达1MSPS。经测试，该芯片工作温度的范围也符合测试台的测试环境，所以选用这一款AD转换芯片实现模拟量和数字量的转化。然后通过FPGA 控制系统可以实现电压值的采集。如图5 为A/D模数转换电路。

图5 电压信号监测电路

由图5 可以看到，Vin 的电压信号范围为-0.75～+5.75V，偏置电压为2.5V，U1C 的输出电压为-0.75～+5.75V，R9=R10=R11=R13，根据同相加法电路可以计算得到U2D 的输出电压为0.48V～6.9V；R12=12k，R14=24k，R12/R14=1∶2，可以计算得到U1A的电压为0.16V～2.3V［7］。

AD7667芯片输入端信号的范围为0～2.5V。通过对输入信号的分压调理之后可以实现信号的正常输入。然后将输入的模拟信号转化为数字信号传递给FPGA，FPGA 通过数字量和电压量的关系线性拟合后可以在上位机端将调理电路的电压值和电流值实时显示出来，完成对电路状态的监测。经后期测试，此电路的信号采集精度在+1%以内，在监测的过程中不影响信号的输出精度，可以准确地完成采集信号的提取。

4 软件设计

本次设计使用的FPGA 控制芯片为Xilinx公司的高可靠性现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）型号是XC7Al00T-FGG484，它具有101440 个逻辑单元，数据传输速率高达6.25GB/s，可通过外部晶振和AD 采集芯片的调整设计实现信号的高精度采集。本次测试选用的晶振为40M，它可以实现每到一个新的时钟脉冲，电路就可以有一个新的指令［7］。首先电路板在上电后进行上电复位操作，然后FPGA 设置了30s 检查端口输出状态并开始信号的采集、传递和转化的工作。FPGA通过时序设置控制模拟开关切换实现多路供电电源信号的的采集，具体的输入过程如图6所示。

图6 信号监测软件流程图

数据采集的软件设计中，还是要完成数字量和电压量的线性标定［8］。在上位机端的显示中，y 为最终输出的电压值，x为采集到的数字量，线性标定的过程就是一个一一对应的过程。而对于电流值的显示，需要完成两次标定。第一次标定为传感器本身的标定，完成输入电流值和输入电压值的标定。此过程中输入电流值为x1，输出电压值为y1。第二次标定是输入电压值和数字量的标定，此过程中输入电压值为x2，输出的数字量为y2。完成两次标定后电流值即可正确地显示在上位机端。对于电流值的显示来说，可以通过直接标定电流值和数字量的关系来验证标定过程的正确性，可以更好地验证测量的精度是否满足［9］。

为实现高精度采集，需要正确分析AD7667 的转换时序［10］。图7 为AD7667 的转换时序控制图，CS保持为低电平，在DRDY下降沿到来，并经过t14时间后SDO 输出总线上的数据有效，这时，通过控制SCLK 脉冲并逐个读取SDO 输出总线上的数据，当读取完最后一位数据后，DRDY 由低变高，标志AD7766开始进行下一次数据采样。通过这样的方式，可以配合FPGA 完成对与同一信号不同变化参数的提取。

图7 读取AD7667转化结果的控制时序

5 实验结果分析

5.1 霍尔传感器数据标定过程

在对采集数据进行分析之前，首先应该进行电路参量的标定工作。霍尔传感器是检测通路电流的元件，首先应该进行输入电流值和输出电压值的线性标定［11］。据霍尔传感器的电流感应特性，需要搭建一个回路关系，如图8 所示。通过串联一个阻值为2Ω，功率是28W 的电阻与霍尔传感器构成回路进行标定。通过改变输入电路的电压值来改变电流值，然后进行拟合。具体关系如表1所示。

表1 电压采样值和FPGA数字量的标定关系

图8 霍尔传感器标定示意图

5.2 数据测试及分析

针对本次电路设计，在实验测试阶段主要完成对测试台几种常见的供电的监测值和高精度电源的输入值做了对比。对比测试数据如表2所示。

表2 电路典型电压信号监测数据测试表

本次输入的电源信号用了大功率电源，相比于高精度电源，大功率电源的输入可调节范围大，可以更好地模拟测试台的供电输入［12］。

通过表2 对于典型电压值的采集可以发现，本文设计的检测电路可以实现电压信号的高精度采集。同原始的输入信号相比，检测数据的采集精度可以控制在1%以内，可以更好地实现电压信号的检测。

此外，针对测量中频率波动导致测试数据出现误差的问题，可以通过使用滤波算法对数据进行进一步的优化处理，从而配合硬件电路达到输出数据的最优化［13］。

5.3 上位机实时监测软件设计

监测电路通过高精度的采集芯片和控制芯片完成了信号的采集处理，但是要完善监测电路的整体功能，还需要一个上位机实时监测系统。

图9 为上位机软件实时监测界面。上位机监测软件主要有四个部分组成，分别为四个功能选项，分别是单元测试，数据分析，参数配置和数据存储［14］。单元测试主要实现通路电流值和电压值数值和波形的实时显示。数据分析可以将采集的数据进行回放分析，更加精确地分析波形变化。参数配置界面，可以通过对监测的电压值和电流值设置预警值的方式来监测供电电源状态。当电源信号出现较大波动时，可以及时切断电源，查找问题，从而保证测试设备的正常运转［15］。数据存储功能可以实现采样值的原始数字量的输出，当设备进行较长时间监测时，可以在存储文件存放的位置找到原始数据文件，方便进行数据的回放和分析。

图9 上位机实时监测界面设计

6 结语

本文针对综合测试设备电源输出不稳定的问题设计了一个可以实时监测供电电路的电压和电流变化的电路。通过FPGA 的高精度处理芯片和高速数模转化芯片AD7667的配合可以实现电路采样信号的高精度采集。通过上位机软件可以实现供电电路电流信号和电压信号的实时采集，通过上位机的波形显示窗口，更能直观地观察供电通路的状态变化，解决了传统监测系统精度低，可靠性差等问题，实现了对于测试设备供电系统的实时监测的问题。通过实验验证，该电路配合测试台可以准确监测供电状态，有较好的稳定性和靠操作性，后续可以配合模拟开关和FPGA通过分时切换实现多路电源信号的监测，在工程上具有广泛的推广价值。