CN111505358B - 电感器直流偏置电流源测试设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电感器直流偏置电流源测试设备，包括：LCR数字电桥、1台直流偏置电流源主机及若干台直流偏置电流源从机，直流偏置电流源主机与直流偏置电流源从机并联。通过分布式电源***使各单元电源相互不影响，隔离式SPI总线使得抗干扰能力加强，12比特DA转换器调整电流大小提高了精度，大电流自动调零电路使***在250A大电流的情况下依然能够调零，满足LCR数字电桥的测试条件，最终使得测试设备更加稳定，测量结果更加精确、可靠。

Description

电感器直流偏置电流源测试设备
技术领域
本发明属于电感测试技术领域，尤其涉及一种电感器直流偏置电流源测试设备。
背景技术
如图1所示，现有测试电感的设备采用1台LCR数字电桥叠加2至3台直流偏置电流源来实现，其中，LCR数字电桥一般使用自动平衡电桥原理。
采用直流偏置电流源替代市面上普通电源的主要原因就是其输出交流阻抗非常大，而普通电源输出交流阻抗非常小，并且低端是接地的，这种特性会影响被测电感的精度，所以直流偏置电流源的输出交流阻抗一般不小于1kΩ。正是上述特性导致直流偏置电流源要比普通电源原理完全不一样，要复杂很多。
目前LCR数字电桥叠加多台直流偏置电流源进行电感测试存在的第一个技术问题是电流源内部电源设计多台叠加容易烧。目前市场上最大只能做到60A，主要是由于电源设计缺陷和控制***缺陷。原有的仪器电源使用的是集中式的开关电源，即一个开关电源控制芯片加上一个开关电源变压器，开关电源变压器上绕了很多次级绕组来产生仪器需要的各种不同电压，但是，由于这些电压共用了一个变压器和一个控制芯片，导致不同通道之间电源不相互独立，有相关性，导致各通道电源会相互影响，在开关机不稳定状态时会出现电源反馈不同步，最终导致***崩溃。
测量电感时，有时需要叠加到250A，然而直流偏置电流源单台只能达到20A，因此，目前LCR数字电桥叠加多台直流偏置电流源进行电感测试存在的第二个技术问题是叠加到250A需要更多的从机并联，给控制电路带来了复制性，多台同步控制容易错乱。由于现有控制总线原理限制导致无法达到250A，原有的控制***使用了MCU数据总线扩展控制外部叠加电流源的方法。由于MCU的数据总线频率非常高，如果把这个总线延长0.5米控制另一台仪器的话，对EMC的要求极高，设计师或使用现场处理不好，就可能导致***受干扰而出错，引起烧机。并且，也是由于这种控制总线设计，使它能并联多台叠加电流源从机。但是要达到如250A的电流控制总线必须能并联控制至少10台从机，使用原有的MCU数据总线并联的方法是无法实现的。
LCR数字电桥叠加多台直流偏置电流源进行电感测试存在的第三个技术问题是多台重叠，每台精度无法保证，比较难平衡。原有***使用的是并行8比特DA转换器，精度相对比较差，从而导致多台并联时，累计电流平衡误差增大，如果平衡不了，会导致总叠加台数的减少，总叠加电流上不去。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种电感器直流偏置电流源测试设备。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，提供一种电感器直流偏置电流源测试设备，包括：LCR数字电桥、1台直流偏置电流源主机及若干台直流偏置电流源从机，所述直流偏置电流源主机与所述直流偏置电流源从机并联，所述直流偏置电流源主机及所述直流偏置电流源从机均包括：偏置电流流出板及偏置电流流入板，所述偏置电流流出板用于为被测电感提供输出的叠加直流电流，所述偏置电流流入板用于接收被测电感流出的直流电流；所述偏置电流流出板与所述偏置电流流入板均包括：光电隔离SPI接口及用于调整电流大小的12比特DA转换器，所述偏置电流流出板与所述偏置电流流入板通过隔离式3线SPI总线进行通信；所述直流偏置电流源主机中的偏置电流流入板还包括：自动凋零电路，用于维持本端的直流电源为0至100mV。
在一些可选的实施例中，所述直流偏置电流源主机及所述直流偏置电流源从机均包括：相互独立的流出侧主电源、流出侧辅电源、流入侧主电源及流入侧辅电源。
在一些可选的实施例中，所述直流偏置电流源主机还包括：主机侧控制单元；所述主机侧控制单元包括：U盘接口、液晶显示模块、键盘、CPU微处理器、通用GPIO接口及光电隔离SPI接口；主机侧控制单元内的光电隔离SPI接口驱动外部的从机接口以及所述直流偏置电流源主机内的偏置电流流出板与偏置电流流入板。
在一些可选的实施例中，所述直流偏置电流源从机还包括：从机侧控制单元；所述从机侧控制单元包括：从机输出接口、从机输入接口、地址码提供模块、光电隔离SPI接口；所述从机输入接口用于连接到直流偏置电流源主机的控制接口，控制本端的电流大小；所述从机输出接口用于连接其他直流偏置电流源从机；所述地址码提供模块用于向所述直流偏置电流源主机提供本端的从机地址。
在一些可选的实施例中，所述偏置电流流出板与所述偏置电流流入板还均包括：用于提高仪器电流分辨率的量程单元。
在一些可选的实施例中，所述偏置电流流出板与所述偏置电流流入板还均包括：用于滤除产生的恒流的高频噪声的噪声滤波单元。
在一些可选的实施例中，所述偏置电流流出板与所述偏置电流流入板还均包括：用于产生测试所需要的偏置电流的负反馈恒流源。
在一些可选的实施例中，所述直流偏置电流源主机通过铜棒与所述直流偏置电流源从机并联。
在一些可选的实施例中，所述LCR数字电桥通过RS232接口控制所述直流偏置电流源主机。
本发明所带来的有益效果：测试设备更加稳定，测量结果更加精确、可靠；通过分布式电源***使各单元电源相互不影响，隔离式SPI总线使得抗干扰能力加强，12比特DA转换器调整电流大小提高了精度，大电流自动调零电路使***在250A大电流的情况下依然能够调零，满足LCR数字电桥的测试条件。
附图说明
图1是现有技术中测试设备的连接示意图；
图2是本发明电感器直流偏置电流源测试设备的前面板连接示意图；
图3是本发明电感器直流偏置电流源测试设备的后面板连接示意图；
图4是本发明直流偏置电流源主机的内部原理图；
图5是本发明直流偏置电流源从机的内部原理图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
在一些说明性的实施例中，如图2和3所示，提供一种电感器直流偏置电流源测试设备，包括：LCR数字电桥101、1台直流偏置电流源主机102及若干台直流偏置电流源从机103，直流偏置电流源主机102与直流偏置电流源从机103并联，可根据测试要求选择从机的数量。
LCR数字电桥101的测试端Hcur、测Hpot、Lpot、Lcur连接到直流偏置电流源主机102的测试输入端Hcur、Hpot、Lpot、Lcur。
直流偏置电流源主机102的电流输出端DRIVE+、DRIVE-，通过铜棒与其他直流偏置电流源从机103并联。
测试电缆的交流部分接到直流偏置电流源主机102的测试端Hcur、Hpot、Lpot、Lcur。测试电缆的直流偏置部分接到DRIVE+、DRIVE-。
LCR数字电桥101通过RS232接口控制直流偏置电流源主机102。
直流偏置电流源主机102通过隔离的控制接口控制直流偏置电流源从机103。
直流偏置电流源从机103的控制接口分为输入和输出，输入来自上一台主机或从机的输出，输出接到下一台从机。
如图3和4所示，直流偏置电流源主机102及直流偏置电流源从机103均包括：偏置电流流出板1、偏置电流流入板2、流出侧主电源3、流出侧辅电源4、流入侧主电源5及流入侧辅电源6。
直流偏置电流源主机102还包括：主机侧控制单元7。
直流偏置电流源从机103还包括：从机侧控制单元8。
偏置电流流出板1用于为被测电感提供输出的叠加直流电流，偏置电流流入板2用于接收被测电感流出的直流电流，即灌入主机通过被测电感流过来的直流电流。
偏置电流流出板1与偏置电流流入板2均包括：光电隔离SPI接口201；主机侧控制单元7包括：光电隔离SPI接口201；从机侧控制单元8包括：光电隔离SPI接口201。对于直流偏置电流源主机102，其内部的偏置电流流出板1、偏置电流流入板2及主机侧控制单元7通过隔离式3线SPI总线进行通信。对于直流偏置电流源从机103，其内部的偏置电流流出板1、偏置电流流入板2及从机侧控制单元8通过隔离式3线SPI总线进行通信。
本发明加大主电源的供电能力和***的功率，使单台最大可以达到25A，这样就减少了需要并联到250A的并联的从机台数。如果是每台20A，一共并联要13台才能达到250A，而改进设计后，只需要并联10台就可以达到250A。
考虑到多台并联控制，主要是要加强抗干扰，本发明隔离式3线SPI总线实现直流偏置电流源主机102与直流偏置电流源从机103之间的通讯控制。在驱动端，3线SPI总线的控制信号，不再是CPU数据总线，而是把数据锁存到总线寄存器，然后再去驱动达林顿驱动器，在接受端使用光耦隔离接受SPI信号，避免了直流偏置电流源主机102与直流偏置电流源从机103在控制上电信号的联系，大大增强了抗干扰能力。同时使用的达林顿驱动，使直流偏置电流源主机102的驱动能力大大增强了，也有利于驱动和并联更多从机，本发明驱动9台完全没有问题，再加上1台主机就是10台，即10×25A＝250A。
偏置电流流出板1与偏置电流流入板2还均包括：用于调整电流大小的12比特DA转换器202。
由于设计了隔离式SPI总线，带来一个好处就是DA转换的位数可以方便的使用更高精度的12比特串行DA转换器来调整电流，使***的分辨率由8比特提高到12比特，提高了16倍，减小了多台直流偏置电流源从机103并联的累计误差。
直流偏置电流源主机102中的偏置电流流入板还包括：自动凋零电路203，用于维持本端的直流电源为0至100mV左右。直流偏置电流源从机103不需要自动凋零电路。
直流偏置电流源主机102改进设计了大电流自动调零电路。由于直流偏置电流源对外输出交流阻抗很高达到1kΩ，所以电流源输出的地端不像普通电源那样接地，而是SINK端，即偏置电流流入板2是用来灌入电源Source端输出的电流的，Source端为偏置电流流出板1。SINK端与LCR数字电桥101的Lcur端用隔离电容隔离，SINK端的直流电源需要维持在0V左右LCR才能完成正常测量，仪器设计了一个负反馈平衡电路来维持SINK端为0V左右。
直流偏置电流源主机102及直流偏置电流源从机103的流出侧主电源3、流出侧辅电源4、流入侧主电源5及流入侧辅电源6是相互独立的，采用分布式主副独立模块电源。为了避免集中电源不可靠的问题，本发明设计了分布式电源***，保证***各通道每个电源有独立的控制芯片和开关电源变压器，保证电源之间不会相互影响。
主机侧控制单元7包括：U盘接口204、液晶显示模块205、键盘206、CPU微处理器207、通用GPIO接口208及光电隔离SPI接口201。主机侧控制单元内的光电隔离SPI接口驱动外部的从机接口209以及直流偏置电流源主机102内的偏置电流流出板1与偏置电流流入板2。
从机侧控制单元8包括：从机输出接口210、从机输入接口211、地址码提供模块212、光电隔离SPI接口201。从机输入接口211用于连接到直流偏置电流源主机102的控制接口，控制本端的电流大小从机输出接口210用于连接其他直流偏置电流源从机；地址码提供模块212用于向直流偏置电流源主机提供本端的从机地址。
偏置电流流出板1与偏置电流流入板2还均包括：用于提高仪器电流分辨率的量程单元213，分成2A、6A、25A。
偏置电流流出板1与偏置电流流入板2还均包括：用于滤除产生的恒流的高频噪声的噪声滤波单元214，减小对LCR数字电桥测量信号的影响，提高测试稳定性。
偏置电流流出板1与偏置电流流入板2还均包括：用于产生测试所需要的偏置电流的负反馈恒流源215。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个***所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (8)

1.电感器直流偏置电流源测试设备，包括：LCR数字电桥、1台直流偏置电流源主机及若干台直流偏置电流源从机，所述直流偏置电流源主机与所述直流偏置电流源从机并联，其特征在于，
所述直流偏置电流源主机及所述直流偏置电流源从机均包括：偏置电流流出板及偏置电流流入板，所述偏置电流流出板用于为被测电感提供输出的叠加直流电流，所述偏置电流流入板用于接收被测电感流出的直流电流；
所述偏置电流流出板与所述偏置电流流入板均包括：光电隔离SPI接口及用于调整电流大小的12比特DA转换器，所述偏置电流流出板与所述偏置电流流入板通过隔离式3线SPI总线进行通信；
所述直流偏置电流源主机中的偏置电流流入板还包括：自动调零电路，用于维持本端的直流电源为0至100mV；
所述直流偏置电流源主机及所述直流偏置电流源从机均包括：相互独立的流出侧主电源、流出侧辅电源、流入侧主电源及流入侧辅电源。
2.根据权利要求1所述的电感器直流偏置电流源测试设备，其特征在于，所述直流偏置电流源主机还包括：主机侧控制单元；所述主机侧控制单元包括：U盘接口、液晶显示模块、键盘、CPU微处理器、通用GPIO接口及光电隔离SPI接口；主机侧控制单元内的光电隔离SPI接口驱动外部的从机接口以及所述直流偏置电流源主机内的偏置电流流出板与偏置电流流入板。
3.根据权利要求2所述的电感器直流偏置电流源测试设备，其特征在于，所述直流偏置电流源从机还包括：从机侧控制单元；所述从机侧控制单元包括：从机输出接口、从机输入接口、地址码提供模块、光电隔离SPI接口；所述从机输入接口用于连接到直流偏置电流源主机的控制接口，控制本端的电流大小；所述从机输出接口用于连接其他直流偏置电流源从机；所述地址码提供模块用于向所述直流偏置电流源主机提供本端的从机地址。
4.根据权利要求3所述的电感器直流偏置电流源测试设备，其特征在于，所述偏置电流流出板与所述偏置电流流入板还均包括：用于提高仪器电流分辨率的量程单元。
5.根据权利要求4所述的电感器直流偏置电流源测试设备，其特征在于，所述偏置电流流出板与所述偏置电流流入板还均包括：用于滤除产生的恒流的高频噪声的噪声滤波单元。
6.根据权利要求5所述的电感器直流偏置电流源测试设备，其特征在于，所述偏置电流流出板与所述偏置电流流入板还均包括：用于产生测试所需要的偏置电流的负反馈恒流源。
7.根据权利要求6所述的电感器直流偏置电流源测试设备，其特征在于，所述直流偏置电流源主机通过铜棒与所述直流偏置电流源从机并联。
8.根据权利要求7所述的电感器直流偏置电流源测试设备，其特征在于，所述LCR数字电桥通过RS232接口控制所述直流偏置电流源主机。
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