基于电源信号的监测电路设计

基于电源信号的监测电路设计

邓帆影

四川长九光电科技有限责任公司 621000

摘要：由于测试设备时常处在条件较差的环境中，其设备的电源系统供电不稳定，进而导致测试结果存在较大的偏差，不满足精度需求。为了能够实时监测测试设备中电源系统是否稳定，本文设计了一种基于电源信号的监测电路，通过对电源信号的电流大小以及电压大小高精度采集，实现电源信号的实时监测，有较高的应用价值。

关键词：电源信号；监测电路；实时监测

1. 引言

电源系统作为测试设备的基础，直接影响到测试设备的正常运行和工作稳定性。在当下的航空航天领域中，测试设备扮演者重要角色，比如需要完成任务量大且精度要求高的数据收集和测量工作。高强度、高精度的工作要求离不开稳定的电源系统来为测试设备进行供电。但是，测试设备时常处于条件较差的环境中，例如高温高压，这就导致测试设备中的电源供电系统工作不稳定，不能满足测试设备的工作要求。因此，为了能够实时监测电源信号的稳定性，本文基于电源信号的监测电路进行了设计，该电路能够高精度的对电源信号的电流大小和电压大小进行收集，实现电源信号的实时监测，有较高的工业应用价值。

2. 监测电路的整体性设计

根据测试设备的电源系统结构，此监测电路的硬件部分由三部分构成，分别是基于电流的监测电路、基于电压的监测电路以及模数转换电路。所设计的监测电路整体工作过程为：首先，电源信号输入到电容滤波电路，依据电容滤波的工作原理，电源信号当中的高频信号被滤除，低频信号则保留下来，之后，过滤完成的电源信号分别输入到我们所设计的基于电流的监测电路和基于电压的监测电路，进行下一步的电流信号监测以及电压信号监测，接下来，经过电流监测电路和电压监测电路的电源信号输入到所设计的模数转化电路，将模拟信号转化成后续需要的数字信号，完成上述工作之后，数字信号通过现场可编程门阵列（FPGA）以及上位机进行信号显示。

3. 监测电路的硬件各部分设计
   1. 基于电流的监测电路设计

基于电流的监测电路主要完成测试设备中电源信号的电流监测工作，所以此部分监测电路设计采用的是灵敏度较高的霍尔传感器，而且所选取的霍尔传感器型号为ACS70331EPLCTR-2P5B3，因为此型号的传感器所输出的信号精度较高，并且耗能也较低[1]。当电源信号输入到霍尔传感器之后，经过处理会获得相对应的电压大小，这个电压大小会传输给后续的电路，完成最终的电流监测任务。除此之外，霍尔传感器的输出端还设计有跟随装置，这个跟随装置实现信号的高输入阻抗和低输出阻抗的任务，由此来使经过霍尔传感器的输出信号更加稳定，保证后续工作的顺利进行。输出信号通过模数转换电路、现场可编程门阵列以及上位机，实现信号的显示。

3.2基于电压的监测电路设计

所设计的基于电压的监测电路由三部分组成，分别是电容滤波电路、分压电路和U3A。首先，电容滤波电路设计在信号采集的前端，主要负责滤除电源信号当中的高频信号，即噪声信号，确保输入电源信号的质量[2]。之后，电压监测电路当中的分压电路设计在电容滤波电路之后，此部分电路所要完成的任务是将电源信号进行合理分压，使得后续电压信号保证在一个可控的范围之内。U3A的设计目的是确保输入的电压信号存在有较低的输出阻抗，便于后续输入到模数转换电路进行信号的调理。

3.3基于模数转换电路的设计

能否准确的将收集到的电压信号转换成我们后续需要的数字信号决定了我们所设计的整个监测电路测量的精度。从模数转换的速度以及模数转换的精度两方面考虑，本设计的模数转换电路选用的是型号为AD7667芯片，该型号芯片由AD公司生产。AD7667型号芯片可以实现高速的16位ADC转换，而且数据传输速率也非常高，可达1MSPS。通过试验测试可知，AD7667型号芯片工作温度满足测试设备所处的测试环境，所以本设计采用该型号芯片进行后续的模数转换工作[3]。将经过模数转换之后的电源信号输入到FPGA控制系统实现电压大小的收集。

本设计所选用的AD7667型号芯片的输入电压大小为0-2.6V。输入信号通过分压调理之后实现正常的信号输入，紧接着将分压调理之后的信号通过模数转换，即模拟信号转换为数字信号，将转换成的数字信号传输到FPGA控制系统，该系统会将得到的数字信号与电压信号进行关系拟合，最终将拟合的关系曲线通过上位机进行显示，从而实现电路工作状态的实时监测。通过试验测试，所设计电路的信号收集精度满足要求，即信号采集的精度在+1%之内。

4. 上位机软件部分设计

上位机主要是完成电源信号的显示，通过上述硬件部分设计可以完成电源信号的收集和处理工作，则上位机就是将经过处理的电源信号，进行关系拟合之后显示出来。因此，上位机选用的是由Xilinx公司开发的型号为XC7Al00T-FGG484的现场可编程门阵列控制芯片，即FPGA控制芯片。该芯片数据传输速度快而且传输精度高，传输速率高达6.25GB/s。上位机的软件部分开发主要实现四个方面的功能，分别是完成单元测试，可以进行数据分析，实现参数的配置以及最终的数据存储。其中，单元测试部分是为了实现波形的显示，数据分析部分是实现对采集的数据进行实时的分析，参数配置部分是为了通过设置阈值来监测电源的工作状态，数据存储部分则是满足后续的数据存储要求，以便数据的回放和分析。

5. 小结

针对目前测试设备所处环境复杂，其电源系统供电不稳定，缺少高精度的监测电路来对电源信号进行实时监测的问题，本文基于电源信号的监测电路进行了设计。所设计的监测电路硬件包含三个部分，分别是基于电流的监测电路、基于电压的监测电路和模数转换电路。其中，电流监测电路选用的型号为ACS70331EPLCTR-2P5B3的霍尔传感器，电压监测电路包含电容滤波电路、分压电路和U3A三个部分，模数转换电路选取型号为AD7667芯片。除此之外，本文还对上位机的软件部分进行了开发，满足数据存储、分析和显示的功能。本文设计的监测电路具有效率好、精度高的特点，满足实时电路信号监测的需求。

参考文献：

[1]胡晓捷，焦新泉，贾兴中. 基于FPGA的高精度模拟量输出卡设计［J］. 电子测量技术，2021，44（13）：156-160.

[2]刘国宏. 试飞测试验证平台模拟信号源的多通道信号监测与校准［D］. 成都：电子科技大学，2016.

[3]刘勇良，沈三民，李建军，等. 基于 FPGA 的高精度模拟量变换器设计［J］. 仪表技术与传感器，2019（02）：31-34，47.