CN109581017B - 多功能数字式瞬态响应测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够对嵌入式电子设备进行测试的多功能数字式瞬态响应测试仪，包括主处理器和为被测设备提供测试电源、测试信号并采集被测设备响应信号的数控电源模块、数控信号生成模块和数据采集模块；主处理器接收上位机发送的控制数据，生成对数控电源模块的电源控制参数和对数控信号生成模块的信号控制参数；数控电源模块根据主处理器生成的电源控制参数，动态调整电源输出参数；数控信号生成模块根据主处理器生成的信号控制参数，动态调整信号输出参数；数据采集模块对被测设备的响应信号进行采样处理后，传输至主处理器进行处理或发送至上位机进行显示。本发明通过上述手段，可有效解决现有技术无法满足灵活多样的设备测试需求问题。

Description

多功能数字式瞬态响应测试仪

技术领域

本发明属于嵌入式***测试技术领域，特别涉及一种多功能数字式瞬态响应测试仪。

背景技术

为了测试嵌入式电子设备软硬件的性能，往往需要模拟该电子设备的应用环境，包括嵌入式电子设备的输入信号、环境噪声、干扰、电源的不同瞬态响应及纹波影响，以及在这些条件下电子设备的输出信号是否满足指标要求等，这就需要用到各种信号发生器、数据采集设备和电源。用信号发生器产生所需信号，输入被测设备，同时用电源给被测设备供电，通过观察测量被测设备的输出信号，判断被测设备是否合格。很多设备的实际工作环境很难用通用仪表模拟和产生。

现有的信号发生器一般包括：频率生成模块、调制单元、缓冲放大单元、输出衰减单元、显示单元和控制单元，结合人机交互的操作面板，可以输入各种参数，获得期望的信号。但现有常用的信号发生器的输出参数一般需要手动设置，每次使用，都需要先设置，后输出，不能动态在线调整。

现有可调电源主要包括整流电路、变压器、开关稳压变换器和输出电源滤波电路等。产品众多，有各种输出电压电流规格可选，但是其特性参数相对固定，无法满足灵活多样的设备测试需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种能够对嵌入式电子设备进行测试的多功能数字式瞬态响应测试仪，能够生成各种测试信号，并且测试信号的波形、幅度、频率以及输出阻抗等参数都编程可控；能够采集被测产品的输出响应波形，显示时序信号，波形复现等。

本发明提供的一种多功能数字式瞬态响应测试仪，包括主处理器、数控电源模块、数控信号生成模块和数据采集模块，其中：所述数控电源模块为被测设备提供测试电源，所述数控信号生成模块为被测设备提供测试信号，所述数据采集模块采集被测设备的响应信号；所述数控信号生成模块根据主处理器生成的信号控制参数，动态调整信号输出参数；所述信号输出参数包括输出信号频率、输出信号幅度和输出信号阻抗，数控信号生成模块包括低通滤波器、第二集成运放电路和第二射随输出电路；所述数控电源模块包括第一数模转换器、第一集成运放电路、纹波调整电路、加法运算器和第一射随输出电路；所述第一数模转换器的输入端通过并行总线与主处理器连接，第一数模转换器的第一输出端与第一集成运放电路的电压输入端连接，第一数模转换器的第二输出端与纹波调整电路的输入端连接；所述第一集成运放电路设置有通过主处理器进行程序控制的第一数字电位计；所述纹波调整电路设置有通过主处理器进行程序控制的第二数字电位计；所述加法运算器的输入端分别与第一集成运放电路的电压输出端和纹波调整电路的纹波输出端连接；所述加法运算器的输出端与第一射随输出电路的输入端连接；所述第一射随输出电路的输出端与被测设备的电源端连接；所述数控电源模块根据主处理器生成的电源控制参数，动态调整电源输出参数；所述电源输出参数包括输出电压、输出电流和电源的上电时间、下电时间；所述数据采集模块对被测设备的响应信号进行采样处理后，传输至主处理器进行处理或发送至上位机进行显示；所述主处理器接收上位机发送的控制数据，生成对数控电源模块的电源控制参数和对数控信号生成模块的信号控制参数，主处理器还用于对数据采集模块采集的信号进行处理存储，并将存储的信号通过第二数模转换器的预留输出端发送至被测设备的信号输入端，在需要复现的时候进行复现，基于该信号进行数字信号处理。

优选地，所述第二数模转换器的输入端通过并行总线与主处理器连接，第二数模转换器的信号输出端通过低通滤波器与第二集成运放电路的信号输入端连接；所述第二集成运放电路的信号输出端与第二射随输出电路的输入端连接，第二射随输出电路的输出端与被测设备的信号输入端连接；所述第二集成运放电路设置有通过主处理器进行程序控制的第三数字电位计；所述第二射随输出电路设置有通过主处理器进行程序控制的第四数字电位计。

优选地，所述第一数模转换器的电源建立时间为35ns；所述第二数模转换器的测试信号建立时间为35ns。

优选地，所述数据采集模块包括模数转换器；所述模数转换器的输入端与被测设备的信号输出端连接，模数转换器的输出端通过并行总线与主处理器连接。

优选地，所述主处理器发送至上位机进行显示的信号还包括施加到被测设备上的测试信号。

优选地，所述主处理器为FPGA。

本发明还提供了一种采用上述多功能数字式瞬态响应测试仪对被测设备进行测试的方法，包括：对被测设备施加电源以及测试信号；在线调整施加到被测设备上的电源或者测试信号参数；实时采集被测设备的输出响应信号，将所采集的响应信号进行存储并在上位机上进行显示。

本发明用区别于现有产品设计的技术方案，结合了任意波形信号发生器、瞬态过程可控电源以及信号采集测量功能，实现了一个多参数可控、瞬态过程可控的多功能数字式瞬态响应测试仪。包括对被测产品施加电源以及输入信号，在线调整所输入的电源或者输入信号参数，并能够实时采集被测产品的输出响应波形，将所采集的波形进行存储、在上位机上进行图形化显示。

另一方面，本发明可以实时采集被测设备的状态输出波形，能够在测试的同时采集被测设备输出信号波形，进行信号的瞬态响应观察、合格性判定，从而有效避免了现有技术采用不同设备搭建测试平台时的诸多弊端(包括瞬态响应无法控制，各参数协同调节难度大，集成度较差，可靠性、便携性及灵活性都比较低等)。

附图说明

图1为本发明多功能数字式瞬态响应测试仪实施例的组成结构框图；

图2为基于本发明多功能数字式瞬态响应测试仪实施例对被测设备进行测试的流程图；

图3为本发明实施例中测试信号幅度控制原理示意图；

图4为本发明实施例中射随输出电路示意图；

图5为本发明实施例中电压模拟电路原理示意图；

图6为本发明实施例中多路信号采集电路示意图。

具体实施方式

参考图1，示出了本发明多功能数字式瞬态响应测试仪实施例的组成结构，包括主处理器、数控电源模块、数控信号生成模块和数据采集模块，其中：

数控电源模块为被测设备提供测试电源，数控信号生成模块为被测设备提供测试信号，数据采集模块采集被测设备的响应信号；

主处理器接收上位机发送的控制数据，生成对数控电源模块的电源控制参数和对数控信号生成模块的信号控制参数；

数控电源模块根据主处理器生成的电源控制参数，动态调整电源输出参数；所述电源输出参数包括输出电压、输出电流和电源的上电时间、下电时间；

数控信号生成模块根据主处理器生成的信号控制参数，动态调整信号输出参数；所述信号输出参数包括输出信号频率、输出信号幅度和输出信号阻抗；

数据采集模块对被测设备的响应信号进行采样处理后，传输至主处理器进行处理或发送至上位机进行显示。

本发明多功能数字式瞬态响应测试仪实施例中各部分的详细技术方案分述如下。

一、幅度控制方案

幅度的控制采用“高速DA+射随输出级”的电路结构来实现。首先，高速数模转换器(DA，Digital to Analog Converter)输出的信号经过运算放大器进行幅度放大，放大器的放大倍数通过数字电位计进行调节，因此，信号增益可以通过程序进行控制。这部分的原理图参考图3。

图3中，采用即现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)做主处理器，通过并行总线驱动高速DA，在一定范围内，可产生任意频率和波形的信号。DA之后的有源低通滤波器用以滤除采样频率及其镜像频率成分。根据图3中的电路拓扑结构，数字电位计的两段决定了运放的增益。

二、频率控制方案

模拟信号的频率通过DA输出的信号来实现，采用高速的DA转换器，建立时间为35ns，这样，在一定范围内各种信号频率都能通过DA模拟实现。信号的频率也是能实时调整的。

三、输出阻抗控制方案

在基带信号电路的输出级，采用了“射随输出”电路结构，一方面，射随输出电路遵守了DA的输出电压，另一方面放大了电流，增加了驱动能力。再者，射随电路能够起到阻抗变换作用，从而可以做到对输出阻抗的控制。输出级的电路结构如图4所示。

四、电压瞬态过程控制方案

电压的瞬态过程控制采用“高速DA+射随输出级”并叠加纹波的电路结构来实现，这部分的原理图如图5所示。

在这部分电路中，为了产生一个电压和纹波都可控制的电源，需要一个双通道的高速DA转换器，该转换器同样由FPGA通过并行总线进行驱动。高速DA转换器具有较快的建立时间，因此，这一特性可以用来实现输出电源的上电或者下电时间。在DA的第一路输出，通过集成运放进行幅度调节，以便将电压调整到需要的值。这个电压放大倍数的调节，也是通过一个经由FP6A程序控制的数字电位计来实现。在DA输出的第二路输出产生一个仅有几十毫伏的电压，这个毫伏级的输出用来叠加到电源上，用来模拟电源输出的纹波。因为对于不同的被测产品，需要模拟不同的纹波大小，因此这个纹波的幅度也需要调节，调节方式还是通过经由FPGA控制的数字电位计来实现。在电压和纹波输出的后级，采用一个加法器，将电压和纹波进行加法运算，从而获得一个带有纹波的电压输出。这里的电压幅度和纹波幅度都是独立可程序控制的。由于集成运放本身的驱动能力有限，因此，输出级同样采用“射随输出级”，一方面射随电路遵守了输入电压，另一方面放大了电流，增加了驱动能力，本电路中输出电流可以达到单路数百毫安(如500mA)。

五、多路波形采集方案

多路波形采集方案采用“FPGA+AD转换器”构成，本部分的***框图如图6。

图6中，第一到第四路输入信号来自被测设备，输入信号经模数转换器(AD，Analogto Digital Converter)采样后，传输至FPGA，这样就实现了对被测产品输出的测量。所得数据可以进行运算处理，或者存储，也可以送至上位机进行显示。通过测量的结果还可以对信号进行时序比对和瞬态响应分析。

六、复杂波形的回放实现

“复杂波形的回放实现”方案是借助“多路波形采集方案”结合预留的DA输出实现的。对于一些特别不容易模拟得到的信号，可以在现场经过多路信号采集功能来采样该信号，所得到的数据可以进行存储，在需要复现的时候，通过DA输出进行复现，还可以基于该信号进行数字信号处理等各种后处理。

具体测试时，将被测设备与本发明测试仪互连，通过上位机的图形界面，即可控制测试***为被测产品供电、加载测试信号、采集并观察被测产品的输出响应，整个测试过程中，输入信号参数的调整均在线可调。

参考图2示出了本发明采用上述多功能数字式瞬态响应测试仪实施例对被测设备(或被测产品)进行测试的流程，包括：

步骤1：通过程序启动数控电源模块，给被测产品加电。

步骤2：判断各测试点电压、电流等是否正常，若是，转步骤4；否则，转步骤3。

步骤3：检查并修复被测产品，转步骤1重新给被测产品加电。

步骤4：通过程序启动数控信号生成模块(可以根据测试需要启动1至N个)，给相应的被测产品施加测试信号。

步骤5：动态调整测试信号(即输入到被测产品的输入信号)参数，并实时采集被测产品的输出波形(或响应信号)。

步骤6：判断被测产品的输出信号是否合格？若是，转步骤7；否则，转步骤3。

步骤7：保存测试记录，结束本次测试过程。

现有的装置中，对嵌入式电子设备(包括软件、硬件)的测试，需要使用信号发生器、可调电源以及数据采集设备搭建测试环境，使用手工的方式逐一调整输入信号参数来完成测试过程。现有的三种设备通过设置可以选择输出信号的波形、幅度、频率、驱动电流以及输出阻抗。其缺点是需要手工调整，并且无法模拟瞬态过程，也无法采集被测设备的瞬态响应。在一些电子设备测试应用中，难以实现多参数实时调谐。与本发明相比，其主要区别如下表所示：

通过上述比较，可以看到本发明在生成测试信号时，尤其是需要对多参数进行综合自动化调谐时具有明显优势。特别地，本发明能够模拟电源输出，而且电源的瞬态过程以及纹波是可控的。

Claims (7)

1.一种多功能数字式瞬态响应测试仪，用于对嵌入式电子设备进行测试，其特征在于，包括主处理器、数控电源模块、数控信号生成模块和数据采集模块，其中：

所述数控电源模块为被测设备提供测试电源，所述数控信号生成模块为被测设备提供测试信号，所述数据采集模块采集被测设备的响应信号；

所述数控信号生成模块根据主处理器生成的信号控制参数，动态调整信号输出参数；所述信号输出参数包括输出信号频率、输出信号幅度和输出信号阻抗，数控信号生成模块包括低第二数模转换器、低通滤波器、第二集成运放电路和第二射随输出电路；

所述数控电源模块包括第一数模转换器、第一集成运放电路、纹波调整电路、加法运算器和第一射随输出电路；

所述第一数模转换器的输入端通过并行总线与主处理器连接，第一数模转换器的第一输出端与第一集成运放电路的电压输入端连接，第一数模转换器的第二输出端与纹波调整电路的输入端连接；

所述第一集成运放电路设置有通过主处理器进行程序控制的第一数字电位计；所述纹波调整电路设置有通过主处理器进行程序控制的第二数字电位计；

所述加法运算器的输入端分别与第一集成运放电路的电压输出端和纹波调整电路的纹波输出端连接；所述加法运算器的输出端与第一射随输出电路的输入端连接；

所述第一射随输出电路的输出端与被测设备的电源端连接；

所述数控电源模块根据主处理器生成的电源控制参数，动态调整电源输出参数；所述电源输出参数包括输出电压、输出电流和电源的上电时间、下电时间；

所述数据采集模块对被测设备的响应信号进行采样处理后，传输至主处理器进行处理或发送至上位机进行显示；

所述主处理器接收上位机发送的控制数据，生成对数控电源模块的电源控制参数和对数控信号生成模块的信号控制参数，主处理器还用于对数据采集模块采集的信号进行处理存储，并将存储的信号通过第二数模转换器的预留输出端发送至被测设备的信号输入端，在需要复现的时候进行复现，基于该信号进行数字信号处理。

2.根据权利要求1所述的多功能数字式瞬态响应测试仪，其特征在于，

所述第二数模转换器的输入端通过并行总线与主处理器连接，第二数模转换器的信号输出端通过低通滤波器与第二集成运放电路的信号输入端连接；

所述第二集成运放电路的信号输出端与第二射随输出电路的输入端连接，第二射随输出电路的输出端与被测设备的信号输入端连接；

所述第二集成运放电路设置有通过主处理器进行程序控制的第三数字电位计；所述第二射随输出电路设置有通过主处理器进行程序控制的第四数字电位计。

3.根据权利要求1至2任一所述的多功能数字式瞬态响应测试仪，其特征在于，所述第一数模转换器的电源建立时间为35ns；所述第二数模转换器的测试信号建立时间为35ns。

4.根据权利要求1所述的多功能数字式瞬态响应测试仪，其特征在于，所述数据采集模块包括模数转换器；

所述模数转换器的输入端与被测设备的信号输出端连接，模数转换器的输出端通过并行总线与主处理器连接。

5.根据权利要求1所述的多功能数字式瞬态响应测试仪，其特征在于，所述主处理器发送至上位机进行显示的信号还包括施加到被测设备上的测试信号。

6.根据权利要求1所述的多功能数字式瞬态响应测试仪，其特征在于，所述主处理器为FPGA。

7.一种采用权利要求1至6任一所述的多功能数字式瞬态响应测试仪对被测设备进行测试的方法，其特征在于，包括：

对被测设备施加电源以及测试信号；

在线调整施加到被测设备上的电源或者测试信号参数；

实时采集被测设备的输出响应信号，将所采集的响应信号进行存储并在上位机上进行显示。

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