CN110082603A - 一种基于serdes技术的电感测量装置 - Google Patents

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刘松林
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Abstract

本发明公开了一种基于SERDES技术的电感测量装置，通过参考时钟源为电感测量提供驱动信号，再将驱动信号的电压幅度放大到要求幅值，有利于扩展测量范围，当正弦驱动信号通过标准电阻输入至被测电感时产生相位和幅度的变化，从而在标准电阻两端产生频率相同，但幅度和相位不同的两路正弦信号，两路正弦信号分别通过运放进行阻抗隔离，然后进行过零比较和电平转换，得到的两路数字信号输入至FPGA的高速串行接收端口，经过处理后得到相位差时间。同时电压测量部分由继电器实现二选一，通过ADC分别完成两路测试信号电压的采集，最后将所有数据传送给DSP，并通过DSP计算出被测电感的感值。

Description

一种基于SERDES技术的电感测量装置
技术领域
本发明属于阻抗测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于SERDES技术的电感测量装置。
背景技术
SERDES是串行器和解串器的简称。它能将多路低速并行信号转换成高速串行信号或者将高速串行信号转换为多路低速并行信号，目前很多高性能的FPGA中均集成了这种接口。这种点对点的串行通信可以充分利用传输媒体的信道容量，具有非常快速的传输能力，对于本发明而言就是非常快速的信号采集能力。当我们需要实现高精度大范围的电感测量时，矢量电流电压法是一种很好的选择，可以根选择不同的标准元件以适应不同的电感测量范围。电感测量属于阻抗测量的一种。矢量电压电流法直接来自阻抗的定义。正弦波信号流过电感时不会发生频率的改变，只会产生幅度和相位的变化，因此矢量电压电流法测电感的实质就是对两路电压幅度和相位差时间的测量。目前采用较多的方法是相敏检波法和过零比较法。相敏检波的相位参考基准分为固定轴法和自由轴法，两种方法均存在一定缺陷。本发明采用过零比较获取相位信息，同时利用功率检波获取电压信息来进行阻抗计算。其基本测量原理如图1所示。
图1中R为标准电阻，L为被测电感，Us为标准电阻上的矢量电压信号，Ux被测电感上的矢量电压信号，I为流过电路的矢量电流。测量中由于流经电感L的正弦信号产生了相位和幅度变换，那么就需要相应的测量设备检测出相应的相位差和幅度值。Us和Ux两端的幅度测量可以用万用表或者ADC采集获得。而基于矢量电压电流法实现电感测量时，其相位测量精度直接关系到电感测量的精度。然而，传统的高精度相位测量往往受到很多限制且结构复杂。目前可以通过示波器，相位计，矢量电压表，时间数字转换器件等实现相位差测量，而用这些专用仪器在电感测量系统中测量显然是不可行的并且测量精度有限，但使用专用器件不仅会增加电路结构复杂度，而且根据器件本身指标的约束也会限制对应电感的测量精度和范围。
发明内容
本发明的目的在于提高电感测量的灵活性，提供一种基于SERDES技术的电感测量装置，基于矢量电流电压法实现高精度电感测量。
为实现上述发明目的，发明一种基于SERDES技术的电感测量装置，其特征在于，包括：
参考时钟源，为电感测量提供准确正弦参考信号；
驱动运放，用于放大时钟信号的电压以满足一定幅度要求，同时提升时钟信号的负载驱动能力；
标准电阻，根据被测电感的不同，选用不同的标准电阻；当正弦驱动信号通过标准电阻输入至被测电感时会产生相位和幅度的变化，从而在标准电阻两端产生频率一致，但幅度和相位不一致的两路正弦信号；
隔离运放一和隔离运放二，用于隔离标准电阻两端不同的阻抗，提供较小的输出阻抗，滤除高频噪声，保障检波器的检波准确度；
继电器，对两路正弦测试信号进行切换，实现二选一；
功率检波器，分时对继电器选通的单路正弦信号进行功率检波，得到两路正弦信号的检波输出电压值Us、Ux；
ADC，分时对两路检波输出直流电压进行采集并送给FPGA，最后经过DSP运算处理后可以得到电压有效值|Us|、|Ux|；
过零比较器，用于对两路正弦信号进行过零比较，将正弦信号大于0V的，输出Lvpecl电平的同相高电平数字信号，否则，输出Lvpecl电平的同相低电平数字信号，再将Lvpecl电平的高、低电平数字信号转换为CML电平的高、低电平数字信号，最后输入至FPGA的高速接口；
FPGA，利用其内嵌的高速串行收发器IP核实现对两路CML电平的高、低电平数字信号的接收并存储在RAM中，然后计算出两路高、低电平数字信号的相邻两个上升沿之间的相位差时间Δt；
DSP，接收并处理ADC采集的两路幅度数据和FPGA计算得到的相位差时间数据，同时计算出相应的电压有效值|Us|、|Ux|和相位差根据相关计算公式得到最终的被测电感值。
本发明的工作过程是这样实现的：
本发明是一种基于SERDES技术的电感测量装置，通过参考时钟源为电感测量提供驱动信号，再将驱动信号的电压幅度放大到要求幅值，有利于扩展测量范围，当正弦驱动信号通过标准电阻输入至被测电感时产生相位和幅度的变化，从而在标准电阻两端产生频率相同，但幅度和相位不同的两路正弦信号，两路正弦信号分别通过运放进行阻抗隔离，然后进行过零比较和电平转换，得到的两路数字信号输入至FPGA的高速串行接收端口，经过处理后得到相位差时间。同时电压测量部分由继电器实现二选一，通过ADC分别完成两路测试信号电压的采集，最后将所有数据传送给DSP，并通过DSP计算出被测电感的感值。
同时，本发明一种基于SERDES技术的电感测量装置还具有以下有益效果：
(1)、本发明电路结构简单且测量精度高、范围广；
(2)、在本发明中采用信号检波结合ADC采集和运算完成幅度测量，相位差时间测量通过FPGA自带的高速串行收发器(SERDES)来实现，由于相位测量的精度与串行收发器的采样速率直接相关，通过这种方式能够大大提高测量精度，还可以根据不同需求(成本，测量精度等)设置适当速率或选择更高性能的FPGA；
(3)、本发明可以随时更换标准电阻以适应不同的电感测量范围，因此可以扩展电感测试的应用范围。
(4)、本发明通过同一个检波器和ADC对两路电压信号进行测量，可以有效降低器件之间的差异性从而提高电压测量的准确度，两条信号通路均采用同类器件且保证布局和线长，能有效降低通路差异对相位测量的影响。
附图说明
图1是现有技术中矢量电流电压法测量电感的一种具体实施方式架构图；
图2是本发明基于SERDES技术的电感测量装置结构图；
图3是FPGA相位数据接收图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图2是本发明基于SERDES技术的电感测量装置结构图。
在本实施例中，如图2所示，本发明一种基于SERDES技术的电感测量装置，包括：参考时钟源、驱动运放、标准电阻、隔离运放一、隔离运放二、继电器、检波器、ADC、比较器、FPGA和DSP。
参考时钟源产生的正弦信号作为高精度电感测量的参考信号，对其信号质量的要求很高。信号源的输出频率以及频率准确度直接影响相位差测量的精度。因此设计中采用正弦波石英温补振荡器，输出频率1MHz，频率准确度±0.1ppm。
驱动运放用于提高晶振的驱动能力，同时将正弦信号的电压幅度放大至合适幅值以扩展测量范围，例如4Vpp。
标准电阻，针对不同电感的测量需选用不同的标准电阻(根据被测幅度的大小选择不同的标准电阻)，使正弦信号通过标准电阻输入至被测电感时产生相位和幅度的变化，从而在标准电阻两端产生频率相同，但幅度和相位不同的两路正弦信号；
隔离运放一和隔离运放二，主要用于隔离标准电阻两端阻抗的不一致，提供较小的输出阻抗，保障检波器的检波准确度，还能滤掉两路正弦信号中的高频噪声；在本实施例中，需选用高输入阻抗，小输入电容的低带宽运算放大器。较小的输入电容可以降低相位误差，较低的带宽可以滤掉信号中的高频噪声，提高信号源质量。本文选用的是ADI公司的运算放大器ADA4522，可以满足设计的硬件要求。
继电器，在本实施例中采用同一检波器进行分时检波和采集，因此检波器前段需要一级继电器实现二选一；
功率检波器，分时对继电器选通的单路正弦信号进行功率检波，得到两路测试信号的电压检波值Us、Ux，这样通过同一检波器对两路电压信号进行检波可以降低器件之间的差异性从而有效降低电压测量相对误差。
ADC，分时对两路测试信号的检波输出电压进行采集，最后经过DSP运算处理得到电压有效值|Us|、|Ux|；
过零比较器，用于对两路正弦信号进行过零比较，信号大于0V的部分为高电平，反之为低电平，则输出对应Lvpecl电平的同相高、低电平数字信号，再将Lvpecl电平的高、低电平数字信号转换为CML电平的高、低电平数字信号，最后输入至FPGA的高速接口；
FPGA，利用其内嵌的高速收发器IP核实现对两路CML电平的高、低电平数字信号的接收并存储在RAM中，然后计算出两路数字信号的相邻两个上升沿之间的相位差时间Δt。
DSP，接收并处理ADC采集的两路幅度数据和FPGA计算得到的相位差时间数据，同时计算出相应的电压有效值|Us|、|Ux|和相位差根据相关计算公式得到最终的被测电感值。
在本实施例中，采用的是标准正弦波信号，因此这里将采用低延时的双路比较器(ADCMP562)实现过零比较，先正弦波信号转换成相同频率的LVpecl电平的数字信号，然后通过电平转换器将比较器输出的lvpecl电平信号转换为CML电平的数字信号送入FPGA的高速串行接收端口。同时FPGA对输入的数字信号进行采集、存储和处理，通过计算得出两路数字信号相邻两个上升沿之间的相位差时间。
FPGA的每一个串行收发器的接收端都会按照设置好的采集速率接收输入的数据。如图3所示，图3中两路模拟正弦波形通过过零比较进行电平转换后可以得到两路数据信号，频率同为1MHz且相位相同。时钟相当于数据采集的速率，由图3中可以看出采集速率越快，相位差分辨率就越高。。
当系统接收到电感测量指令后，两路高速接口接收到的数据会按一定的位数(本发明中采用32bit位宽)存储到RAM中，再对数据逐一检测。FPGA数据查找处理逻辑如下：
首先对两路数据进行对比，当两路数据同为0时，进入下一状态。当检测到第一路接收到的数据不为0时(说明已到第一路模拟波形的上升沿)，将此时两路接收的数据存起来分别为reg_start1和reg_start2，同时开始计数，当经过N个两路互不相同的数据之后第二路也检测到了数据0(说明已到第二路模拟波形的上升沿)，把这两个数据也存起来分别为reg_stop1和reg_stop2。然后分别对reg_start1和reg_start2以及reg_stop1和reg_stop2进行逐位比较，计算出它们之间不同的位数分别为cout1和cout2，那么则有：
其中，Δt为相位差时间、N为两路数据不同的个数、F为SERDES的采集速率。再计算出相位差 和为两路测试信号的相位，f为信号源的频率。若设置吉比特收发器为4GHz的采集速率，那么每秒能接收4Gbit数据。每一位数据对应250ps。由此可见速率越高，相位差分辨时间越小，那么测量值计算的精度就会越高。
最后根据相位差时间Δt、标准电阻的阻值R和电压有效值|Us|、|Ux|计算被测电感的阻抗值ZL：
其中，
那么被测电感的感值L为：
其中，f为信号源的频率。
由上文论述可知FPGA内嵌SERDES的高速采集能力可以极大的降低量化误差以提高测量精度，但是仍然有很多因素带来测量误差，例如检波器、比较器等器件的固有系统误差；ADC和SERDES采集的量化误差；测试电路的分布参数；标准电阻的温漂；晶体振荡器的频率准确度等。那么完成电路设计后需要对测量系统进行校准，排除掉系统的固有误差。特别的，当更改测量条件后，需要对系统再次进行校准后再测量。等效电路对测量结果的影响也不可忽视，需要针对不同的测试情况选择不同的等效电路以减小误差，提高测量精度。下表是本文设计的电感测量系统在经过校准之后的测量的结果和精度。其中实际值是由安捷伦4285A精密LCR测量仪测出，其测量精度可达0.1％。测量值均为十次测量的平均值。
表1是本发明经过校准后的电感测量结果表；
实际值(uH) 测量值(uH) 绝对误差(uH) 相对误差
0.472 0.474 0.002 0.42％
1.802 1.797 0.005 0.28％
3.305 3.312 0.007 0.21％
9.991 10.025 0.034 0.34％
22.008 22.063 0.055 0.25％
32.993 33.047 0.054 0.16％
表1
由上表可知电感测量精度可达±0.5％。若需要测量不同量程范围内的电感则需要更改相应的标准电阻以提高测量精度。本发明基于相应项目只采用了对应量程电感测量，若需要测量其他量程的电感也可以根据此电路选取相应的标准电阻器进行测量。标准电阻器的选择应当根据上文中的相应公式和理想电阻分压原理进行计算并实验得出合适量程对应的标准器件。同时仪器的校准要使用高精度电感器件。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于SERDES技术的电感测量装置，其特征在于，包括：
参考时钟源，为电感测量提供准确正弦参考信号；
驱动运放，用于放大时钟信号的电压以满足一定幅度要求，同时提升时钟信号的负载驱动能力；
标准电阻，根据被测电感的不同，选用不同的标准电阻；当正弦驱动信号通过标准电阻输入至被测电感时会产生相位和幅度的变化，从而在标准电阻两端产生频率一致，但幅度和相位不一致的两路正弦信号；
隔离运放一和隔离运放二，用于隔离标准电阻两端不同的阻抗，提供较小的输出阻抗，滤除高频噪声，保障检波器的检波准确度；
继电器，对两路正弦测试信号进行切换，实现二选一；
功率检波器，分时对继电器选通的单路正弦信号进行功率检波，得到两路正弦信号的检波输出电压值Us、Ux；
ADC，分时对两路检波输出直流电压进行采集并送给FPGA，最后经过DSP运算处理后可以得到电压有效值|Us|、|Ux|；
过零比较器，用于对两路正弦信号进行过零比较，将正弦信号大于0V的，输出Lvpecl电平的同相高电平数字信号，否则，输出Lvpecl电平的同相低电平数字信号，再将Lvpecl电平的高、低电平平数字信号转换为CML电平的高、低电平数字信号，最后输入至FPGA的高速接口；
FPGA，利用其内嵌的高速串行收发器IP核实现对两路CML电平的高、低电平数字信号的接收并存储在RAM中，然后计算出两路高、低电平数字信号的相邻两个上升沿之间的相位差时间Δt；
DSP，接收并处理ADC采集的两路幅度数据和FPGA计算得到的相位差时间数据，同时计算出相应的电压有效值|Us|、|Ux|和相位差根据相关计算公式得到最终的被测电感值。
2.根据权利要求1所述的一种基于SERDES技术的电感测量装置，其特征在于，所述的处理单元计算被测电感值的方法为：
其中，L为被测电感的感值，ZL为被测电感的阻抗值，R为标准电阻的阻值，X1满足R1满足 和为两路正弦信号的相位，且满足f为参考时钟源的频率，Δt为两路测试信号的相位差时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于SERDES技术的电感测量装置，其特征在于，所述的参考时钟源采用正弦波石英温补振荡器，输出频率1MHz，频率准确度±0.1ppm。
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