CN105044622A - 一种测试仪器的供电电源功率自检测装置及其自检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试仪器的供电电源功率自检测装置及其自检测方法。测试电路包括电流测试单元、电压测试单元及CPU单元，电压测试单元连接在开关控制单元之后，电压测试单元实时检测供电电源输出电压值并传输到CPU单元，电流测试单元实时检测被测环路的电流值并传输到CPU单元，CPU单元将电压测试单元、电流测试单元输入的数据进行处理，得到实时的电压值和电流值，同时将二者相乘得到实际输出功率值。本发明采用预校准技术确定了环路中的一段负载两端电压差值与环路电流的线性关系，结合AD模数转换器采样技术，并通过逻辑运算得到输出功率值，节约了资源，降低了成本。

Description

一种测试仪器的供电电源功率自检测装置及其自检测方法

技术领域

本发明涉及一种测试仪器的供电电源功率自检测装置及其自检测方法。

背景技术

随着自动测试技术的发展，对测试仪器的功能要求越来越多，人们希望将多种测试功能集成到一款测试仪器中，这样就使得测试仪器的功能越来越完善以满足用户的需求。功能的增多使得仪器的结构越来越复杂，一台测试仪器往往由多个单元组成，这就导致仪器的功耗也变得更大。支撑这些测试模块正常工作的就是仪器的电源供电部分，电源供电部分由电源模块构成，电源模块可以提供多路供电电路，以满足各个仪器单元正常工作的需求。在仪器设计之初，人们很难预测各个仪器单元正常工作需要的供电功率，当多个模块集成到仪器中后就极有可能导致某路供电电路的负载过重、电流过大，将关键器件烧毁，使测试仪器不能正常工作。因此对电源输出的各路供电电路的功率进行实时检测就十分必要，是仪器设计阶段提高仪器可靠性的重要手段，设计人员可以根据实时检测结果合理分配电源资源。在仪器使用过程中对各路供电电路的功率进行实时检测，当输出功率超出额定功率时及时做出预警，可以避免仪器因为连接不当等原因导致损坏的问题。

现有的解决方案1是利用串联电流表和并联电压表的功率检测方法解决该问题的。如图1所示。

当需要检测某路电源的输出功率时，首先将电流表连同负载串联到该路电源电路环路中，读取电流表可以得到电流值I₁；然后利用电压表测量电源输出端口,得到输出电压值V₁；然后将二者相乘就可以得到该路电源的实际输出功率为P＝V₁*I₁。

基于串联电流表和外置电压表的功率检测方法的缺点是：

(1)电流测试极为不方便，每次测量都需要将电流表串联到环路中，需要拆开环路，不能达到电流实时检测的目的。

(2)需要外置电压表的方法得到电压值，测试不方便，且有测量误差。

(3)不能实时显示供电电路的电流值、电压值以及输出功率值。

(4)当仪器某路供电电路出现诸如电压值大幅度波动、输出功率值突然变大等异常情况时，不能及时发出警告通知用户进行处理，容易损毁仪器。

现有的解决方案2是利用专门芯片进行功率测量的，如图2所示。专门的功率检测芯片可以检测通过负载R_z的电流、电源电压值，并将这两者转化为数字信号，通过内置的乘法器使二者相乘，得到功率值。该方法需要设置外围电路将专门芯片测量得到的电流数值、电压数值及功率数值读取出来，进行相关数学运算得到功率值，然后进行显示。

基于专门芯片的功率检测方法的缺点是：

(1)专门芯片价格较为昂贵，如果需要检测多路电源，就需要使用多个专门芯片，导致仪器成本增加。

(2)需要为专门芯片配置外围电路，增加了设计难度，增加了成本。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种可以实时检测测试仪器内部各路供电电路功率的方法。本发明采用如下技术方案：

测试仪器的供电电源功率自检测装置，包括被测环路和测试电路，被测环路包括依次串联在供电电源正负极之间的开关控制单元、测试负载及负载；

测试电路包括电流测试单元、电压测试单元及CPU单元，电压测试单元连接在开关控制单元之后，电压测试单元实时检测供电电源输出电压值并传输到CPU单元，电流测试单元实时检测被测环路的电流值并传输到CPU单元，CPU单元将电压测试单元、电流测试单元输入的数据进行处理，得到实时的电压值、电流值，同时将二者相乘得到实际输出功率值。

进一步地，所述供电电源包括并联的多条供电支路，CPU单元通过开关控制单元导通相应的供电支路。

进一步地，所述电压测试单元的输出端通过AD模数转换器连接CPU单元，AD模数转换器将输入其中的电压值进行模数转换。

进一步地，所述电流测试单元连接在测试负载两端，电流测试单元通过AD模数转换器连接CPU单元；

电流测试单元将负载两端的电压值经过运算得出电压差值ΔV，然后将差值送入AD模数转换器中进行模数转换，然后将数值传输到CPU单元中进行处理。

进一步地，所述负载两端的电压差值通过放大器组成的减法运算电路实现，测试负载两端的电压值分别为U₁、U₂，U₁和U₂为减法运算电路的输入值，设置减法运算电路的电阻值，使减法运算电路的输出值即为电压差值ΔV。

更进一步地，所述CPU单元还连接有显示单元及报警单元，显示单元实时显示电压值、电流值及功率值，报警单元在实际输出功率值超出供电电路的额定功率值或输出电压值不正常时进行报警。

根据上述测试仪器的供电电源功率自检测装置的自检测方法采用如下步骤：

第一步：选择需要检测的供电电路，开关控制单元接收来自CPU单元的信号，导通需要检测的供电电路；

第二步：启动输出电压测量，首先将供电电路输出电压值传输到AD模数转换器中进行模数转换，然后将该数值发送到CPU单元；

第三步：启动电流测量，电流测试单元将负载两端的电压值经过运算得出电压差值ΔV，然后将差值送入AD模数转换器中进行模数转换，然后将数值传输到CPU单元中进行处理；

第四步：启动CPU单元对数据进行处理，CPU单元接收来自电压测试单元的数据得出电压值，接收电流测试单元的数值得到电流值，然后将电压值和电流值相乘得到实时输出的功率值，CPU单元将电压值、电流值及功率值在显示单元进行实时显示，当输出功率值高于额定功率或输出电压值不正常时，CPU单元启动报警单元。

所述第三步中为了避免测试负载受外在因素的影响发生阻抗漂移，在进行电流检测之前进行预校准，预校准过程如下：

(1)首先将供电电路输出端串联接入第一预校准负载和电流表，环路闭合后，通过电流测试单元得到测试负载两端的电压差值ΔV₁，同时得到电流值I₁，将电压差值ΔV₁和电流值I₁输入到CPU单元进行存储；

(2)将第一预校准负载替换为第二预校准负载，通过电流测试单元得到测试负载两端的电压差值ΔV₂，同时得到电流值I₂，将电压差值ΔV₂、电流值I₂输入到CPU单元进行存储；

(3)测试负载两端的电压差与通过的电流值为线性关系，满足公式ΔV＝R_x×I+V_off，其中R_x、V_off是固定系数，CPU单元根据两组测试数据(ΔV₁、I₁)、(ΔV₂、I₂)计算出R_x、V_off，并将数据存储到CPU单元中，CPU单元进行运算得到输出电流的计算公式是I＝(ΔV-V_off)/R_x。

采用如上技术方案取得的有益技术效果为：

本发明采用预校准技术确定了环路中的一段负载两端电压差值与环路电流的线性关系，结合AD模数转换器采样技术，可以实时检测环路电流值。采用AD模数转换器采样技术，可以实时检测输出电压值，并通过逻辑运算得到输出功率值。

本发明通过内置报警电路，根据CPU单元发出的指令可以对异常供电情况进行预警，提醒用户进行处理，可以有效减少仪器损坏情况的发生。

本发明需要使用的器件都是普通器件，价格比较低，降低了成本；本发明设计了开关控制单元，使用的电路如AD模数转换器件、CPU单元、显示单元等都可以与仪器其他功能部分兼用，节约了资源，降低了成本。

附图说明

图1为现有技术中基于串联电流表的检测方法结构示意图。

图2为现有技术中基于专门芯片的功率检测方法结构示意图。

图3为测试仪器的供电电源功率自检测装置结构示意图。

图4为减法运算电路结构示意图。

具体实施方式

结合附图3至4对本发明的具体实施方式做进一步说明：

一种测试仪器的供电电源功率自检测装置，包括被测环路和测试电路，被测环路包括依次串联在供电电源正负极之间的开关控制单元、测试负载R_z及负载；测试电路包括电流测试单元、电压测试单元及CPU单元，电压测试单元连接在开关控制单元之后，电压测试单元实时检测供电电源输出电压值并传输到CPU单元，电流测试单元实时检测被测环路的电流值并传输到CPU单元，CPU单元将电压测试单元、电流测试单元输入的数据进行处理，得到实时的电压值和电流值，同时将二者相乘得到实际输出功率值。

供电电源包括并联的多条供电支路，CPU单元通过开关控制单元导通相应的供电支路。

电压测试单元的输出端通过AD模数转换器连接CPU单元，AD模数转换器将输入其中的电压值进行模数转换。这里往往采用16位的AD转换器，用来提高测量精度。

电流测试单元连接在测试负载两端，电流测试单元通过AD模数转换器连接CPU单元；电流测试单元将负载两端的电压值经过运算得出电压差值ΔV，然后将差值送入AD模数转换器中进行模数转换，然后将数值传输到CPU单元中进行处理。

负载两端的电压差值通过放大器组成的减法运算电路实现，测试负载两端的电压值分别为U₁、U₂，U₁和U₂为减法运算电路的输入值，设置减法运算电路的电阻值，使减法运算电路的输出值即为电压差值ΔV。

通过计算可以得到放大器输出电压值为：

$U_0=(1+\frac{R_f}{R_3})\left(\frac{R_3}{R_2+R_3}\right)\×U_1-\frac{R_f}{R_1}{U}_2$

这里设置R₁＝R₂＝R₃＝R_F，这样输出电压值为U₀＝U₁-U₂，即为测试负载两端的电压差值。

CPU单元还连接有显示单元及报警单元，显示单元实时显示电压值、电流值及功率值，报警单元在实际输出功率值超出供电电路的额定功率值或输出电压值不正常时进行报警。

根据上述测试仪器的供电电源功率自检测装置的自检测方法采用如下步骤：

第一步：选择需要检测的供电电路，开关控制单元接收来自CPU单元的信号，导通需要检测的供电电路；

第二步：启动输出电压测量，首先将供电电路输出电压值传输到AD模数转换器中进行模数转换，然后将该数值发送到CPU单元；

第三步：启动电流测量，电流测试单元将负载两端的电压值经过运算得出电压差值ΔV，然后将差值送入AD模数转换器中进行模数转换，然后将数值传输到CPU单元中进行处理；

第四步：启动CPU单元对数据进行处理，CPU单元接收来自电压测试单元的数据得出电压值，接收电流测试单元的数值得到电流值，然后将电压值和电流值相乘得到实时输出的功率值，CPU单元将电压值、电流值及功率值在显示单元进行实时显示，当输出功率值高于额定功率或输出电压值不正常时，CPU单元启动报警单元。

所述第三步中为了避免测试负载受外在因素的影响发生阻抗漂移，在进行电流检测之前进行预校准，预校准过程如下：

(1)首先将供电电路输出端串联接入第一预校准负载和电流表，环路闭合后，通过电流测试单元得到测试负载两端的电压差值ΔV₁，同时得到电流值I₁，将电压差值ΔV₁、电流值I₁输入到CPU单元进行存储；

(2)将第一预校准负载替换为第二预校准负载，通过电流测试单元得到测试负载两端的电压差值ΔV₂，同时得到电流值I₂，将电压差值ΔV₂、电流值I₂输入到CPU单元进行存储；

(3)测试负载两端的电压差与通过的电流值为线性关系，满足公式ΔV＝R_x×I+V_off，其中R_x、V_off是固定系数，CPU单元根据两组测试数据(ΔV₁、I₁)、(ΔV₂、I₂)计算出R_x、V_off，并将数据存储到CPU单元中，CPU单元进行运算得到输出电流的计算公式是I＝(ΔV-V_off)/R_x。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (8)

1.一种测试仪器的供电电源功率自检测装置，其特征在于，包括被测环路和测试电路，被测环路包括依次串联在供电电源正负极之间的开关控制单元、测试负载及负载；

测试电路包括电流测试单元、电压测试单元及CPU单元，电压测试单元连接在开关控制单元之后，电压测试单元实时检测供电电源输出电压值并传输到CPU单元，电流测试单元实时检测被测环路的电流值并传输到CPU单元，CPU单元将电压测试单元、电流测试单元输入的数据进行处理，得到实时的电压值和电流值，同时将二者相乘得到实际输出功率值。

2.根据权利要求1所述的一种测试仪器的供电电源功率自检测装置，其特征在于，所述供电电源包括并联的多条供电支路，CPU单元通过开关控制单元导通相应的供电支路。

3.根据权利要求1所述的一种测试仪器的供电电源功率自检测装置，其特征在于，所述电压测试单元的输出端通过AD模数转换器连接CPU单元，AD模数转换器将输入其中的电压值进行模数转换。

4.根据权利要求1所述的一种测试仪器的供电电源功率自检测装置，其特征在于，所述电流测试单元连接在测试负载两端，电流测试单元通过AD模数转换器连接CPU单元；

电流测试单元将负载两端的电压值经过运算得出电压差值ΔV，然后将差值送入AD模数转换器中进行模数转换，然后将数值传输到CPU单元中进行处理。

5.根据权利要求4所述的一种测试仪器的供电电源功率自检测装置，其特征在于，所述负载两端的电压差值通过放大器组成的减法运算电路实现，测试负载两端的电压值分别为U₁、U₂，U₁和U₂为减法运算电路的输入值，设置减法运算电路的电阻值，使减法运算电路的输出值即为电压差值ΔV。

6.根据权利要求1所述的一种测试仪器的供电电源功率自检测装置，其特征在于，所述CPU单元还连接有显示单元及报警单元，显示单元实时显示电压值、电流值及功率值，报警单元在实际输出功率值超出供电电路的额定功率值或输出电压值不正常时进行报警。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种测试仪器的供电电源功率自检测装置的自检测方法，其特征在于，自检测方法采用如下步骤：

第一步：选择需要检测的供电电路，开关控制单元接收来自CPU单元的信号，导通需要检测的供电电路；

第二步：启动输出电压测量，首先将供电电路输出电压值传输到AD模数转换器中进行模数转换，然后将该数值发送到CPU单元；

第三步：启动电流测量，电流测试单元将负载两端的电压值经过运算得出电压差值ΔV，然后将差值送入AD模数转换器中进行模数转换，然后将数值传输到CPU单元中进行处理；

第四步：启动CPU单元对数据进行处理，CPU单元接收来自电压测试单元的数据得出电压值，接收电流测试单元的数值得到电流值，然后将电压值和电流值相乘得到实时输出的功率值，CPU单元将电压值、电流值及功率值在显示单元进行实时显示，当输出功率值高于额定功率或输出电压值不正常时，CPU单元启动报警单元。

8.根据权利要求7所述的一种测试仪器的供电电源功率自检测装置的自检测方法，其特征在于，所述第三步中为了避免测试负载受外在因素的影响发生阻抗漂移，在进行电流检测之前进行预校准，预校准过程如下：

(1)首先将供电电路输出端串联接入第一预校准负载和电流表，环路闭合后，通过电流测试单元得到测试负载两端的电压差值ΔV₁，同时得到电流值I₁，将电压差值ΔV₁和电流值I₁输入到CPU单元进行存储；

(2)将第一预校准负载替换为第二预校准负载，通过电流测试单元得到测试负载两端的电压差值ΔV₂，同时得到电流值I₂，将电压差值ΔV₂、电流值I₂输入到CPU单元进行存储；

(3)测试负载两端的电压差与通过的电流值为线性关系，满足公式ΔV＝R_x×I+V_off，其中R_x、V_off是固定系数，CPU单元根据两组测试数据(ΔV₁、I₁)、(ΔV₂、I₂)计算出R_x、V_off，并将数据存储到CPU单元中，CPU单元进行运算得到输出电流的计算公式是I＝(ΔV-V_off)/R_x。