CN115032433A - 一种闭环电压源表的上电方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闭环电压源表的上电方法及电路。所述上电方法包括：在闭环电压源表在进入4线工作模式时,控制其处于不对外输出电压的断电状态，向远端高电位检测端SENSE_HI和远端低电位检测端SENSE_LO分别注入预设电流，基于检测端SENSE_HI、检测端SENSE_LO以及闭环电压源表的高电位输出端HI相对于地GND的电压信号，确定检测线的检测端SENSE_HI、SENSE_LO是否正常连接，若是，给所述闭环电压源表上电，否则，维持断电状态。本发明提供的技术方案能够有效防止闭环电压源表在4线工作模式下，远端电位检测端SENSE_HI、SENSE_LO与检测电阻之间未连接使整个系统处于开环状态，导致上电时输出电压直接跑到最大值而损坏用户的设备/器件。
Description
技术领域
本发明涉及直流测试测量技术领域中精密电压源表（source measure unit）控制领域，具体涉及一种闭环电压源表的上电方法及电路。
背景技术
电压源表是直流测试测量过程中最常用的设备之一。其主要用于向被测的电子设备输出精准稳定的电压，辅助其他测量设备对该电子设备的相关电性能。电压源表要求具备2线工作模式和4线工作模式，能够实现远端补偿（即补偿输出线上的压降）以便向电子设备输出精准的电压信号。
为了能够实现远端补偿，精密电压源表往往采用闭环反馈控制机制来实现。精密电压源表为了保证其输出端之间或输出到电子设备两端的电压精准稳定，通常设置有2线工作模式和4线工作模式。在2线工作模式下检测电压源表近端的输出电压信号作为反馈信号，在4线工作模式下检测电压源表输送到设备两端（远端）的电压信号作为反馈信号进行闭环反馈调节。因此，精密电压源表在2线工作模式和4线工作模式之间进行切换需要切换检测线的连接端。
目前市面上绝大多数精密电压源表在实现2线工作模式和4线工作模式时，都是采用模拟开关去切换检测线的连接端。这些产品在4线工作模式时，若远端检测线没接好，不能形成有效的闭环反馈控制，将导致电压源表输出电压直接跳到最大值，高达上千伏很可能导致被测设备（即输出电压的接收设备）直接损毁。
这将成为一个不可忽视的潜在风险。而通过电阻（1兆欧姆或者更大）直接将远端检测线和输出线连在一块，输出电压将产生损失，影响精度。
发明内容
为了规避现有的电压源表在4线工作模式下上电时存在的上述潜在风险，本发明提供一种闭环电压源表的上电方法及电路。采用该上电方法的闭环电压源表在切换到4线工作模式时，先维持断电状态直到确认远端检测线连接正常情况下才上电进行电压输出。通过本发明提供技术方案，能够实现在4线模式下电压源表的安全上电，用户不需要担心由于远端检测线没有连接造成被测设备损毁的安全风险。
本发明的第一方面提供一种闭环电压源表的上电方法。该方法包括：
在闭环电压源表在进入4线工作模式时,控制其处于不对外输出电压的断电状态，并向远端高电位检测端SENSE_HI、远端低电位检测端SENSE_LO分别注入预设电流；在该4线工作模式下，所述远端低电位检测端SENSE_LO接地GND，所述闭环电压源表通过所述远端高电位检测端SENSE_HI和远端低电位检测端SENSE_LO检测经由其高电位输出端HI输出到设备端的电压作为反馈信号，基于所述反馈信号对自身的输出电压进行反馈控制；
分别检测远端高电位检测端SENSE_HI相对于地GND之间的电压V1，所述高电位输出端HI相对于地GND的电压V2，以及所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND之间的电压V3；若所述电压V1、电压V2均等于第一预定值，确定远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI连接正常，否则，确定远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI断开；若所述电压V3为0V，则确定远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接正常，否则，确定远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接断开；
当确定所述远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI连接正常、且所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接正常时，给所述电压源表上电以实现对外输出电压。
进一步地，该上电方法还包括：通过控制所述闭环电压源表的输出开关的闭合/断开以实现所述闭环电压源表的上电/断电。优选地，所述输出开关为输出继电器。
本发明的第二方面提供一种执行上述的上电方法的闭环电压源表电路。所述闭环电压源表电路包括：控制器，数模转换器，控制放大器，功率放大器，输出继电器，输出跟随器，两路多头开关，检测电阻，三个模数转换器，反馈放大器以及电流源。
所述控制器用于控制所述数模转换器产生控制闭环电压源表的输出电压的输出电压控制信号，控制所述电流源向远端高电位检测端SENSE_HI、远端低电位检测SENSE_LO分别注入预设电流，并控制所述输出继电器的闭合/断开以实现闭环电压源表的上电/断电。所述控制放大器的正相输入端接所述输出电压控制信号，其负相输入端接入反馈信号，其输出端输出的电压信号由所述功率放大器进行放大后，由所述输出继电器的闭合/断开状态控制是否接入到所述输出跟随器进行输出，所述输出跟随器的输出端作为闭环电压源表的高电位输出端HI。
所述两路多头开关，用于在所述闭环电压源表工作在4线工作模式下时，将所述远端高电位检测端SENSE_HI、远端低电位检测端SENSE_LO分别连接所述检测电阻的两端，同时将远端低电位检测端SENSE_LO接地GND。在所述闭环电压源表工作在2线工作模式时，通过控制多头开关来实现所述高电位输出端HI、地GND分别连接所述检测电阻的两端，通过所述检测电阻获得的检测电压经过所述反馈放大器放大后得到所述反馈信号。
所述2线工作模式指：检测闭环电压源表的高电位输出端HI和地GND之间的电压作为所述反馈信号。所述4线工作模式指：通过所述远端高电位检测端SENSE_HI和远端低电位检测SENSE_LO检测闭环电压源表经由其高电位输出端HI输出到设备端的电压作为所述反馈信号，此时、所述远端低电位检测端SENSE_LO接地GND。
所述三个模数转换器，用于在所述闭环电压源表工作在4线工作模式时，分别实时检测远端高电位检测端SENSE_HI相对于地GND之间的电压V1、所述高电位输出端HI相对于地GND的电压V2、以及所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND之间的电压V3，并将检测所得所述电压V1、V2、V3实时输入到所述控制器。
所述控制器还基于所述电压V1、V2、V3，确定所述远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI之间、所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND之间是否连接正常，包括: 所述电压V1、电压V2均等于第一预定值，确定远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI连接正常，否则，确定远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI断开；若所述电压V3为0V，则确定远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接正常，否则，确定远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接断开。当所述控制器确定所述远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI连接正常、且所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接正常时，控制所述输出继电器闭合以实现所述电压源表上电。
进一步地，所述功率放大器由功率管Q3、Q4组成，所述功率管Q3为NPN型功率管，所述功率管Q4为PNP型功率管。所述功率管Q3的漏极接电源正电压，栅极通过第一限流电阻接所述控制放大器输出的电压信号，源极作接功率管Q4的源极；所述功率管Q4的漏极接电源负电压，栅极通过第二限流电阻接所述控制放大器输出的电压信号；所述功率放大器的输出端从所述功率管Q3的源极引出。
进一步地，所述检测电阻为串联分压电阻。
本发明提供的闭环电压源表通过在4线模式上电前，检测电流源向远端检测线两端输入恒定的电流，以检测远端检测线两端(高电位检测端SENSE_HI和远端低电位检测端SENSE_LO）是否均连接正常。在确保远端检测线连接正常的情况下才向电子设备输出电压，避免远端检测线没有连接导致电子设备损毁和对相关人员造成伤害的问题。
附图说明
图1为本发明提供的闭环电压源表的上电方法的流程图。
图2为本发明提供闭环电压源表电路除测试检测线连接状态部分以外的电路图。
图3为本发明中测试远端高电位检测端SENSE_HI是否连接正常的电路图。
图4为本发明测试远端低电位检测端SENSE_LO是否连接正常的电路图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案以及有益效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应该理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的闭环电压源表的上电方法如图1所示。该方法包括：在闭环电压源表在进入4线工作模式时,控制其处于不对外输出电压的断电状态，并向远端高电位检测端SENSE_HI、远端低电位检测端SENSE_LO分别注入预设电流。在该4线工作模式下，所述远端低电位检测端SENSE_LO接地GND，所述闭环电压源表通过所述远端高电位检测端SENSE_HI和远端低电位检测端SENSE_LO检测经由其高电位输出端HI输出到设备端的电压作为反馈信号，基于所述反馈信号对自身的输出电压进行反馈控制。分别检测远端高电位检测端SENSE_HI相对于地GND之间的电压V1，所述高电位输出端HI相对于地GND的电压V2，以及所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND之间的电压V3。
基于所述电压V1、电压V2、电压V3确定所述远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端之间、所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND之间是否连接正常。若所述电压V1、电压V2均等于第一预定值，确定远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI连接正常，否则，确定远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI断开；若所述电压V3为0V，则确定远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接正常，否则，确定远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接断开。当确定所述远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI连接正常、且所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接正常时，给所述电压源表上电以实现对外输出电压。
进一步地，该上电方法还包括：通过控制所述闭环电压源表的输出开关的闭合/断开以实现所述闭环电压源表的上电/断电。优选地，所述输出开关为输出继电器。
如图2-图4所示，本发明还提供一种执行上述上电方法的电压源表电路。所述闭环电压源表电路包括：控制器（图2-图4中未示出），数模转换器U6，控制放大器U5，功率放大器（由功率管Q3、Q4组成），输出继电器K1，输出跟随器U3，两路多头开关Q5、Q6，由R5,R6组成串联检测电阻，ADC芯片U1、U2、U7（或替代地实现为一个多通道模数转换芯片），反馈放大器U4以及电流源。
所述控制器，用于控制所述数模转换器U6产生控制闭环电压源表的输出电压的输出电压控制信号DIN，控制所述电流源向远端高电位检测端SENSE_HI、远端低电位检测端SENSE_LO分别注入预设电流（在图3-图4中，所述电流源注入的预设电流为1mA），还用于控制所述输出继电器K1的闭合/断开以实现闭环电压源表的上电/断电。
所述控制放大器U5为差分放大器，其正相输入端接所述输出电压控制信号DIN、负相输入端接入反馈信号，其输出端输出的电压信号由所述功率放大器进行放大后，由所述输出继电器的闭合/断开状态控制是否接入到所述输出跟随器U3进行输出，所述输出跟随器U3的输出端作为闭环电压源表的高电位输出端HI。
所述两路多头开关Q5、Q6用于根据闭环电压源表的工作模式（包括2线工作模式和4线工作模式）切换串联检测电阻两端的连接端。所述闭环电压源表工作在4线工作模式下时，将所述远端高电位检测端SENSE_HI、远端低电位检测端SENSE_LO分别连接所述串联检测电阻的两端，同时将远端低电位检测端SENSE_LO接地GND。在所述闭环电压源表工作在2线工作模式时，将所述高电位输出端HI、地GND分别连接所述串联检测电阻的两端，通过所述串联检测电阻获得的检测电压经过所述反馈放大器U4放大后得到所述反馈信号。
所述2线工作模式指：检测闭环电压源表的高电位输出端HI和地GND之间的电压作为所述反馈信号。所述4线工作模式指：通过所述远端高电位检测端SENSE_HI和远端低电位检测端SENSE_LO检测闭环电压源表经由其高电位输出端HI输出到设备端的电压作为所述反馈信号，此时、所述远端低电位检测端SENSE_LO接地GND。
如图2所示，电压跟随器U3的输出端(即电压源表的高电位输出端HI)接多头开关Q5的一个输入端SA，多头开关Q5的另一个输入端SB接远端高电位检测端SENSE_HI，其输出端D由开关信号IN决定输出SA、SB中的哪一个，电源输入端VDD、VSS分别接±15V的电源，GND为接地端。多头开关Q6的输入端SA接地，输入端SB接远端低电位检测端SENSE_LO，其输出端D由开关信号IN决定输出SA、SB中的哪一个，电源输入端VDD、VSS分别接±15V的电源，GND为接地端。多头开关Q5、Q6的输出端D通过串联检测电阻R5,R6连接。所述闭环电压源表工作在2线模式下，通过多头开关Q5,Q6的开关输入信号IN控制所述高电位输出端HI、地GND分别连接所述串联检测电阻R5,R6的两端。此时、通过所述串联检测电阻采集所述高电位输出端HI与地GND（HI_GND 与地GND为相同电位，后续将不再区分）之间的电压（即电压源表近端的输出电压）作为反馈信号。当所述闭环电压源表切换到4线模式下时，通过多头开关Q5,Q6的开关输入信号IN将所述远端高电位检测端SENSE_HI，远端低电位检测端SENSE_LO分别连接所述串联检测电阻的两端，并且远端低电位检测端SENSE_LO接地GND。此时，所述闭环电压源表通过所述串联检测电阻采集远端高电位检测端SENSE_HI和远端低电位检测SENSE_LO之间的电压（即输出到设备两端的电压）作为反馈信号。
ADC芯片U1、U2、U7（或替代地实现为一个多通道模数转换芯片），用于在所述闭环电压源表工作在4线工作模式时，实时检测远端高电位检测端SENSE_HI相对于地GND之间的电压V1、所述高电位输出端HI相对于地GND的电压V2、以及所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND之间的电压V3，并将检测所得所述电压V1、V2、V3实时输入到所述控制器。所述控制器基于所述电压V1、V2、V3，确定所述远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI之间、所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND之间是否连接正常。
如图3-图4所示，所述高电位输出端HI，低电位检测端SENSE_LO和所述高电位输出端HI通过多头开关Q1、Q2分别接入到ADC芯片U1、U2、U7，多头开关Q1、Q2的各引脚与前述多头开关Q5、Q6的各引脚功能相同。多头开关Q1的输入引脚SA接电流源的输出电流，输入引脚SB和输出端D短接、并接入高电位检测端SENSE_HI。多头开关Q2的输入引脚SA接电流源的输出电流，输入引脚SB和输出端D短接、并接入低电位检测端SENSE_LO。多头开关Q1、Q2的输出端D通过限流电阻分别接入到ADC芯片U7、U2的输入端IN进行检测获得电压V1、V3，所述高电位输出端HI相对于地GND的电压通过限流电阻R2接入到ADC芯片U1进行检测获得电压V2，检测获得上述电压数据通过数据输出端口SDATA输入到所述控制器。
所述控制器基于所述电压V1、电压V2、电压V3确定所述远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端之间、所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND之间是否连接正常。若所述电压V1、电压V2均等于第一预定值，确定远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI连接正常，否则，确定远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI断开；若所述电压V3为0V，则确定远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接正常，否则，确定远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接断开。当所述控制器确定所述远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI连接正常、且所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接正常时，控制所述输出继电器K1闭合，实现所述电压源表上电以实现对外输出电压；否则，使所述输出继电器处于断开状态，维持所述闭环电压源表处于断电状态。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不能使相应技术方案的本质脱离本申请提供的技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种闭环电压源表的上电方法，其特征在于，所述方法包括：在闭环电压源表在进入4线工作模式时,控制其处于不对外输出电压的断电状态，并向远端高电位检测端SENSE_HI、远端低电位检测端SENSE_LO分别注入预设电流；在该4线工作模式下，所述远端低电位检测端SENSE_LO接地GND，所述闭环电压源表通过所述远端高电位检测端SENSE_HI和远端低电位检测端SENSE_LO检测经由其高电位输出端HI输出到设备端的电压作为反馈信号，基于所述反馈信号对自身的输出电压进行反馈控制；
分别检测所述远端高电位检测端SENSE_HI相对于地GND之间的电压V1，所述高电位输出端HI相对于地GND的电压V2，以及所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND之间的电压V3；
若所述电压V1、电压V2均等于第一预定值，确定远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI连接正常，否则，确定远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI断开；若所述电压V3为0V，则确定远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接正常，否则，确定远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接断开；
在确定所述远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI连接正常、且所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接正常时，给所述电压源表上电以实现对外输出电压。
2.如权利要求1所述的上电方法，其特征在于，所述方法包括：通过控制所述闭环电压源表的输出开关的闭合/断开以实现所述闭环电压源表的上电/断电。
3.如权利要求2所述的上电方法，其特征在于，所述输出开关为输出继电器。
4.一种闭环电压源表电路，其特征在于，所述闭环电压源表电路包括：控制器，数模转换器，控制放大器，功率放大器，输出继电器，输出跟随器，两路多头开关，检测电阻，三个模数转换器，反馈放大器以及电流源；
所述控制器，用于控制所述数模转换器产生控制闭环电压源表的输出电压的输出电压控制信号，控制所述电流源向远端高电位检测端SENSE_HI、远端低电位检测端SENSE_LO分别注入预设电流，还用于控制所述输出继电器的闭合/断开以实现闭环电压源表的上电/断电；
所述控制放大器的正相输入端接所述输出电压控制信号，其负相输入端接入反馈信号，其输出端输出的电压信号由所述功率放大器进行放大后，由所述输出继电器的闭合/断开状态控制是否接入到所述输出跟随器进行输出，所述输出跟随器的输出端作为闭环电压源表的高电位输出端HI；
所述两路多头开关，用于在所述闭环电压源表工作在4线工作模式下时，将所述远端高电位检测端SENSE_HI、远端低电位检测端SENSE_LO分别连接所述检测电阻的两端，同时将远端低电位检测端SENSE_LO接地GND；在所述闭环电压源表工作在2线工作模式时，通过控制多头开关来实现所述高电位输出端HI、地GND分别连接所述检测电阻的两端；通过所述检测电阻获得的检测电压经过所述反馈放大器放大后得到所述反馈信号；
所述2线工作模式指：检测闭环电压源表的高电位输出端HI和地GND之间的电压作为所述反馈信号；所述4线工作模式指：通过所述远端高电位检测端SENSE_HI和远端低电位检测端SENSE_LO检测闭环电压源表经由其高电位输出端HI输出到设备端的电压作为所述反馈信号，此时、所述远端低电位检测端SENSE_LO接地GND；
所述三个模数转换器，用于在所述闭环电压源表工作在4线工作模式时，分别实时检测远端高电位检测端SENSE_HI相对于地GND之间的电压V1、所述高电位输出端HI相对于地GND的电压V2、以及所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND之间的电压V3，并将检测所得所述电压V1、V2、V3实时输入到所述控制器；
所述控制器还基于所述电压V1、V2、V3，确定所述远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI之间、所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND之间是否连接正常，包括: 所述电压V1、电压V2均等于第一预定值，确定远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI连接正常，否则，确定远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI断开；若所述电压V3为0V，则确定远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接正常，否则，确定远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接断开；
当所述控制器确定所述远端高电位检测端SENSE_HI和所述高电位输出端HI连接正常、且所述远端低电位检测端SENSE_LO与地GND连接正常时，控制所述输出继电器闭合以实现所述电压源表的上电。
5.如权利要求4所述的闭环电压源表电路，其特征在于，所述检测电阻为串联分压电阻。
6.如权利要求4或5所述的闭环电压源表电路，其特征在于，所述功率放大器由功率管Q3、Q4组成；所述功率管Q3为NPN型功率管，所述功率管Q4为PNP型功率管；所述功率管Q3的漏极接电源正电压，栅极通过第一限流电阻接所述控制放大器输出的电压信号，源极作接功率管Q4的源极；所述功率管Q4的漏极接电源负电压，栅极通过第二限流电阻接所述控制放大器输出的电压信号；所述功率放大器的输出端从所述功率管Q3的源极引出。
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