CN112485697A - 一种基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，包括高压输入电路、隔直放大电路、滤波增益补偿电路、模数转换电路、数字信号处理电路；所述的高压输入电路，用于接入待测高压电源的信号，并为高压电源提供不同的负载；所述的隔直放大电路，用于隔离直流高压，并将交流纹波放大；所述的滤波增益补偿电路，用于对放大后的交流纹波采集得到的模拟纹波信号进行频带限制；所述的模数转换电路，用于将滤波增益补偿电路所采集的模拟纹波信号转换为数字信号；所述的数字信号处理电路，采用基于锁相放大算法对得到的数字信号进行采集和处理。本发明能对于精密高压电压源的纹波情况进行精确的分析，为精密高压电压源的设计及改进提供测量依据。
Description
技术领域
本发明涉及精密电源测试技术领域，更具体的，涉及一种基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***。
背景技术
电源在电子***中是非常重要的组成部分，对于精密电子***，要求电源的纹波必须控制在不影响电路正常工作的范围，因而在设计电源时，我们需要对其纹波情况进行精确地测量与评估。
电源纹波产生的主要来源主要包括以下几种：一是电源中可能存在的开关管开关所产生的周期性开关噪声，电容电感在开关管的作用下进行充放电将产生周期性的输出电压波动；二是前级可能引入的工频噪声，这是由于室内高强度的工频电磁场可能会引入的噪声，也可能直接通过前级的整流电路直接进入后级的电路中；三是电压电流反馈环路有可能引入特定频率的纹波，这种纹波与反馈环路的响应速度有关，频率不会太高。
总结以上几种主要的开关电源纹波产生的机理，我们需要针对纹波测量***，通过模拟滤波和数字滤波等方式，将测量频宽限制在低频-20MHz左右，这种频带的限制可以在尽可能还原纹波的信息的情况下，减少空间内发射的电磁噪声对于测量***的干扰，从而尽可能准确地还原电源的纹波情况。
在精密高压电源的设计中，对于纹波的要求较高。在相对较高的工作电压下，纹波应远小于传统电源的纹波(纹波峰峰值小于等于1mV的量级)，对于此类高压高精度的开关电源。如中国专利公开号：CN 108549039 A，公开日： 2018.09.18，公开了一种开关电源纹波测量电路，本发明涉及一种开关电源纹波测量电路，使用高速比较器和高精度DAC，实现了高频情况下的高精度纹波测量，控制器通过检测高速比较器输出脉冲信号的有无及宽度，判定DAC的输出值与纹波信号峰值或谷值的关系，并据此调整DAC的输出，当控制器恰好检测不到比较器的脉冲信号时，得到纹波信号的峰值或谷值，将二者相减得到纹波电压值。
传统的检测手段难以满足纹波的测量需求，且纹波的波形特征在一定程度上能反映出电源设计中存在着何种不足，因而构建一种针对高压低幅值纹波测量与分析的***，在很大程度上能反向指导精密电源设计的改进方向。
发明内容
本发明为了解决传统的检测手段难以满足纹波的测量需求的问题，提供了一种基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，其能对于精密高压电压源的纹波情况进行精确的分析，从而为精密高压电压源的设计及改进提供测量依据。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，所述的高压电源纹波分析***包括高压输入电路、隔直放大电路、滤波增益补偿电路、模数转换电路、数字信号处理电路；其中，
所述的高压输入电路，用于接入待测高压电源的信号，并为高压电源提供不同的负载，实现对不同负载下的纹波特性测量；
所述的隔直放大电路，用于隔离直流高压，并将交流纹波放大；
所述的滤波增益补偿电路，用于对放大后的交流纹波采集得到的模拟纹波信号进行频带限制；
所述的模数转换电路，用于将滤波增益补偿电路所采集的模拟纹波信号转换为数字信号；
所述的数字信号处理电路，采用基于锁相放大算法对得到的数字信号进行采集和处理，并将采集到的数字信号的频带进一步限制。
优选地，所述的高压电源纹波分析***还上位机纹波分析装置，所述的上位机纹波分析装置对数字信号处理电路处理的结果进一步分析；并显示采集到的纹波信号的波形。
进一步地，所述的高压输入电路包括带保护的高压输入接头、由多路开关加功率电阻串联而成的可调负载电路；
所述的带保护的高压输入接头接入高压电源后，通过可调负载电路输入隔直放大电路，并通过选通多路开关实现测量不同负载下的纹波特性。
再进一步地，所述的多路开关采用若干个单刀双掷继电器串联实现多路选择。
再进一步地，所述的隔直放大电路包括用于滤除高压直流信号的二阶高通滤波电路、用于将交流纹波放大的运算放大器A1、防止过冲浪涌损害运算放大器的单刀双掷继电器、接地电阻、第一比例放大电阻、第二比例放大电阻；
所述的二阶高通滤波电路的输入端接入高压输入电路的输出端；所述的二阶高通滤波电路的输出端接单刀双掷继电器的一个选通端；
所述的单刀双掷继电器的另一端选通端通过接地电阻接地；
所述的单刀双掷继电器的中心端口接运算放大器A1的正输入端；
所述的第一比例放大电阻、第二比例放大电阻依次串联后运算放大器A1的输出端；
所述的运算放大器A1的负输入端接在第一比例放大电阻、第二比例放大电阻之间；
所述的运算放大器A1的输出端将放大后的交流纹波信号传输给滤波增益补偿电路。
再进一步地，所述的滤波增益补偿电路包括依次串联的有源高通滤波电路、无源低通滤波电路；所述的运算放大器A1的输出端与有源高通滤波电路的输入端连接；所述的无源低通滤波电路的输出端与模数转换电路的输入端连接。
再进一步地，所述的有源高通滤波电路采用10阶巴特沃斯滤波器，所述的10阶巴特沃斯滤波器采用5级Sallen-Key电路结构，每级所述的Sallen-Key电路结构包括独立的增益补偿电路，保证输出模拟信号与输入模拟信号的幅值比例是10:1。
再进一步地，所述的Sallen-Key电路结构包括电容、正反馈电阻、接地电阻、放大器、电阻；
所述的电容的一端与运算放大器A1的输出端连接；所述的电容的另一端依次与电容、放大器的正输入端连接；
所述的正反馈电阻的一端接在电容、电容之间；所述的正反馈电阻的另一端接在放大器的输出端；
所述的接地电阻的一端接在电容与放大器的正输入端之间；
所述的放大器的输出端与下一级的Sallen-Key电路结构的输出端连接；同时所述的放大器的输出端依次通过电阻、电阻接地；
所述的放大器的负输入端接在电阻、电阻之间。
再进一步地，所述的无源低通滤波电路采用14阶椭圆滤波器，所述的无源低通滤波电路的特性阻抗为50Ω。
再进一步地，所述的模数转换电路包括阻抗匹配网络、全差分运算放大器、反馈电阻、滤波网络、参考电压源、模数转换器；
所述的全差分运算放大器的正输入端依次与阻抗匹配网络、无源低通滤波电路的输出端连接；
所述的全差分运算放大器的负输入端通过阻抗匹配网络接地；
所述的全差分运算放大器的负输出端、正输出端通过滤波网络与模数转换器连接；
所述的反馈电阻的一端与全差分运算放大器的正输入端连接，所述的反馈电阻的另一端与全差分运算放大器的负输出端连接；
所述的反馈电阻的一端与全差分运算放大器的负输入端连接，所述的反馈电阻的另一端与全差分运算放大器的正输出端连接；
所述的参考电压源输入模数转换器。
再进一步地，所述的数字信号处理电路包括主控芯片、存储单元；
所述的主控芯片读取模数转换器的采样数据通过16位的并行差分LVDS实现；所述的主控芯片读写模数转换器的控制字采用SPI接口协议进行传输；所述的主控芯片内置用于分析纹波频域特性的锁相放大算法，实现对接受到的数据进行处理；
所述的存储单元，用于存储模数转换器上传的数据和主控芯片处理后的数据。
本发明的有益效果如下：
本发明的原理是将高压电源信号通过隔直放大电路、滤波增益补偿电路进行一系列的处理，并使用高速高分辨率的模数转换电路以及内置由锁相放大算法的数字信号处理电路对纹波进行采集与分析，可对纹波的频谱幅值信息进行精确分析。本发明能实现在较高的直流电压的精密电源中的微小纹波的测量与分析，适用于精密高压电源的纹波检测场景。同时本发明可实现测试高压电源在不同负载情况下的纹波特性。
附图说明
图1是本实施例所述的高压电源纹波分析***的原理框图。
图2是本实施例所述的高压输入电路的电路连接图。
图3是本实施例所述的隔直放大电路的电路连接图。
图4是本实施例所述的有源高通滤波电路的电路连接图。
图5是本实施例所述的无源低通滤波电路的电路连接图。
图6是本实施例所述的数模转换电路的电路连接图。
图7是本实施例所述的数字处理电路的电路连接图。
图8是本实施例所述的锁相放大算法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1所示，一种基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，所述的高压电源纹波分析***包括高压输入电路、隔直放大电路、滤波增益补偿电路、模数转换电路、数字信号处理电路；其中，
所述的高压输入电路，用于接入待测高压电源的信号，并为高压电源提供不同的负载，实现对不同负载下的纹波特性测量；
所述的隔直放大电路，用于隔离直流高压，并将交流纹波放大；
所述的滤波增益补偿电路，用于对放大后的交流纹波采集得到的模拟纹波信号进行频带限制；
所述的模数转换电路，用于将滤波增益补偿电路所采集的模拟纹波信号转换为数字信号；
所述的数字信号处理电路，采用基于锁相放大算法对得到的数字信号进行采集和处理，并将采集到的数字信号的频带进一步限制。
在一个具体的实施例中，所述的高压电源纹波分析***还上位机纹波分析装置，所述的上位机纹波分析装置对数字信号处理电路处理的结果进一步分析；并显示采集到的纹波信号的波形。
在一个具体的实施例中，如图2中的电路结构所示，所述的高压输入电路包括带保护的高压输入接头、由多路开关加功率电阻串联而成的可调负载电路；所述的带保护的高压输入接头202包括一个外壳接保护地的三同轴、一个外壳接保护地的双同轴接口几种中的一种。所述的带保护的高压输入接头202将待测量的高压电源信号201接入所述的高压电源纹波分析***。当待测量的高压电源进入高压电源纹波分析***后，将通过一个多路开关加功率电阻串联而成的可调负载电路203。本实施例可以测试高压电源在不同负载情况下的纹波特性。在一个具体的实施例中，所述的多路开关的选通由数字信号处理电路进行控制。本实施例所述的双同轴接口的耐压通常约为1500V，所述的多路开关应选择单刀双掷继电器串联来实现多路选择的功能，除了实现多路选通的逻辑，还可以满足对高电压输入耐压的要求，两级的单刀双掷开关串联，即可实现四路的多路选择开关，耐压值为600V×2＝1200V。所述的多路开关中在上电时应该选定最高阻值，防止上电过程中过载损坏待测电源。
在一个具体的实施例中，如图3所示，所述的隔直放大电路包括二阶RC电路组成的二阶高通滤波电路、用于将交流纹波放大的运算放大器A1、防止过冲浪涌损害运算放大器的单刀双掷继电器308、接地电阻305、第一比例放大电阻 306、第二比例放大电阻307；所述的二阶高通滤波电路的作用是滤除高压直流信号，由于纹波测量的特点，将准入的信号带宽限制在10Hz-20MHz，所述的隔直放大电路中的二阶高通滤波电路的-3dB频点将设为10Hz。
所述的二阶高通滤波电路的输入端接入高压输入电路的输出端；所述的二阶高通滤波电路的输出端接单刀双掷继电器308的一个选通端；
所述的单刀双掷继电器308的另一端选通端通过接地电阻305接地；
所述的单刀双掷继电器308的中心端口接运算放大器A1的正输入端；
所述的第一比例放大电阻306、第二比例放大电阻307依次串联后运算放大器A1的输出端；
所述的运算放大器A1的负输入端接在第一比例放大电阻306、第二比例放大电阻307之间；
所述的运算放大器A1的输出端将放大后的交流纹波信号传输给滤波增益补偿电路。
所述的单刀双掷继电器308在外部高压输入时，为了防止过冲浪涌损害运算放大器309，应该选通接地电阻305一端。所述的单刀双掷继电器308的耐压应该大于输入电压的最大值，当开机上电时的浪涌稳定后，才应该将二阶高通滤波电路的端口接入运算放大器309的正输入端，为此应该在上电后约0.5-1s才将阶高通滤波电路接入运算放大器309正输入端，第一比例放大电阻306和第二比例放大电阻307将决定隔离放大电路的放大倍数，设第一比例放大电阻306的阻值为R1，第二比例放大电阻307的阻值为R2，则放大倍数为：
所述的隔直放大电路中选用的运算放大器309应采用低电压噪声的运算放大器，且放大倍数在带宽允许的范围内应该尽量大，运算放大器309的选型应重点参考增益带宽积这一参数，在本实施例中需要将20M以内的信号放大100倍，故增益带宽积至少需要达到2GHz，可使用ADI公司的超低失真高速运算放大器 AD8099，其增益带宽积可以达到3.8GHz，20MHz的增益约为45dB，略大于100 倍，满足设计需求。由所述的隔直放大电路放大以后的信号将进入后级滤波增益补偿电路对信号带宽进行更加精确的限制。如图3所示，二阶高通滤波电路中的两级RC滤波的参数分别为：电容301为15.7uF，电阻302为1kΩ，电容303为15.7uF，电阻304为1kΩ。
在一个具体的实施例中，如图4、图5所示，本实施例需要构建10Hz-20MHz 的滤波增益补偿电路，由于考虑到硬件结构的复杂程度和滤波器的特点等因素。所述的滤波增益补偿电路包括依次串联的有源高通滤波电路、无源低通滤波电路；所述的运算放大器A1的输出端与有源高通滤波电路的输入端连接；所述的无源低通滤波电路的输出端与模数转换电路的输入端连接。
如图4所示，所述的有源高通滤波电路将采用10阶巴特沃斯滤波器，所述的10阶巴特沃斯滤波器的特点是通带波纹较小，同时，其陡降为6dB每倍频，故当设定通带-3dB频点为10Hz，阻带-60dB频点设定为5Hz的情况时，易估算滤波器阶数为10阶。所述的10阶巴特沃斯滤波器将采用五级Sallen-Key电路结构，每级所述的Sallen-Key电路结构中包括独立的增益补偿电路，以补偿器件不理想对于滤波后波形的影响，保证输出模拟信号与输入模拟信号的幅值比例是 10:1。
在一个具体的实施例中，以第一级为例，如图4所示，所述的Sallen-Key电路结构包括电容401、电容403、正反馈电阻402、接地电阻404、放大器405、电阻406、电阻407；
所述的电容401的一端与运算放大器A1的输出端连接；所述的电容401的另一端依次与电容403、放大器405的正输入端连接；
所述的正反馈电阻402的一端接在电容401、电容403之间；所述的正反馈电阻402的另一端接在放大器405的输出端；
所述的接地电阻404的一端接在电容403与放大器405的正输入端之间；
所述的放大器405的输出端与下一级的Sallen-Key电路结构的输出端连接；同时所述的放大器405的输出端依次通过电阻406、电阻407接地；
所述的放大器405的负输入端接在电阻406、电阻407之间。
此外，电阻406和电阻407为运放的比例放大电阻，确定运算放大器405的放大倍数，如第一级Sallen-Key有源高通滤波器的结构一共有五级，其电路结构是完全相同的，但选择的器件参数有所区别。优选的，所述的有源高通滤波电路中选用的器件理想参数如表1所示，使用中应根据波形的实际情况进行调整：
表1有源高通滤波电路的参数表
在一个具体的实施例中，所述的无源低通滤波电路采用14阶椭圆滤波器，通带-3dB频点为20MHz，阻带-60dB频点设定为20.5MHz，由于巴特沃斯滤波器的陡降较小，无法以较少阶数达到设定的衰减指标，故最终采用椭圆滤波器这一陡降最大的滤波器来实现低通滤波器的结构。其中，整个电路的结构可以视为电感与电容的并联结构与电容串联的多级无源器件滤波网络，如图5的结构所示。其中电阻501为阻抗匹配电阻，所述的无源低通滤波电路的特性阻抗为50 Ω，后级的高速高分辨率模数转换电路也需要阻抗匹配网络用于匹配50欧姆的输出阻抗，减小信号的反射。所述的14阶椭圆滤波器的参数如表2所示：
表2 14阶椭圆滤波器电路的参数表
| 标号 | 器件类型 | 参数或型号 |
| 501 | 电阻 | 50Ω |
| 502 | 电感 | 312.2nH |
| 503 | 电容 | 169.9pF |
| 504 | 电感 | 399.5nH |
| 505 | 电容 | 94.18pF |
| 506 | 电容 | 127.4pF |
| 507 | 电感 | 212.2nH |
| 508 | 电容 | 267.9pF |
| 509 | 电容 | 71.77pF |
| 510 | 电感 | 134nH |
| 511 | 电容 | 453.4pF |
| 512 | 电容 | 61.15pF |
| 513 | 电感 | 158.3nH |
| 514 | 电容 | 377.1pF |
| 515 | 电容 | 95.54pF |
| 516 | 电感 | 291.1nH |
| 517 | 电容 | 173.1pF |
| 518 | 电容 | 169.7pF |
| 519 | 电感 | 458.7nH |
| 520 | 电容 | 38.95pF |
| 521 | 电容 | 90.91pF |
在一个具体的实施例中，如图6所示，本实施例中测量的纹波信号带宽设计在10Hz-20MHz，为了充分保证还原出的信号内容的真实度，要求在最高频率时的信号，一个周期内必须采集到10个点，也就是采样率fS＝20MHz*10＝200MSPS，图6中高速高精度的模数转换器607，根据计算的结果，可采用ADI公司的集成式高速高精度流水线型模数转换器LTC2107，该模数转换器607的精度为16bit，采样速度为模数转换器607的前级需要高精度的单端转差分结构，将滤波与增益补偿电路输出的单端对地波形转为差分输入，其核心结构是全差分运算放大器605，根据要求的20MHz的信号带宽，所述的全差分运算放大器605将选用ADI 公司的ADA4945-1，其-3dB带宽60MHz，大于设定的信号频率上限20MHz，可以正常使用。
本实施例中所述的模数转换电路包括阻抗匹配网络601、阻抗匹配网络602、全差分运算放大器605、反馈电阻603、反馈电阻604、滤波网络606、参考电压源608、模数转换器607；
所述的全差分运算放大器605的正输入端依次与阻抗匹配网络601、无源低通滤波电路的输出端连接；
所述的全差分运算放大器605的负输入端通过阻抗匹配网络602接地；
所述的全差分运算放大器605的负输出端、正输出端通过滤波网络606与模数转换器607连接；
所述的反馈电阻603的一端与全差分运算放大器605的正输入端连接，所述的反馈电阻603的另一端与全差分运算放大器605的负输出端连接；
所述的反馈电阻604的一端与全差分运算放大器605的负输入端连接，所述的反馈电阻604的另一端与全差分运算放大器605的正输出端连接；
所述的参考电压源608输入模数转换器607。
所述的反馈电阻603和反馈电阻604的作用是匹配差分运发的放大倍数，将根据输入阻抗匹配放大倍数为2。所述的滤波网络606是由电阻、电容组成的低通滤波器，作用是限制输入信号的带宽，其带宽限制为20MHz。所述的参考电压源608，其要求为低温漂的参考电压源，为了限制其噪声，将在其输入模数转换器前可接入滤波网络，有利于进一步降低基准电压源的噪声。
在一个具体的实施例中，所述的数字信号处理电路包括主控芯片、存储单元；所述的主控芯片内置用于分析纹波频域特性的锁相放大算法，实现对接受到的数据进行处理；如图7中的电路结构所示，本实施例的数字信号处理电路采用的主控芯片是高端FPGA芯片，FPGA芯片由于其接口和硬件资源丰富、并行指令的易实现，非常适合高速数字信号读写和处理。本实施例采用ZYNQ-7000系列 FPGA芯片，其内部包含FPGA和ARM配合的硬件处理结构。根据前级模数转换器的选型，模数转换器607与主控芯片的采样数据将通过16位的并行差分 LVDS实现，所述的主控芯片读写模数转换器的控制字将采用SPI接口协议。所述的存储单元，用于存储模数转换器上传的数据和主控芯片处理后的数据。数据进入FPGA芯片中的存储单元后，将数据保存在两片1GB，1033MHz的DDR3 内存704上。但上位机纹波分析装置与主控芯片702通讯后，会通过高速总线将 DDR3中存储的数据发送至上位机纹波分析装置中。
本实施例所述的高压电源纹波分析***的供电和时钟，由专门的电路703提供，对电源来说要求满足芯片最高算力下的电流需求，要求其供电纹波不能影响数字电路的正常功能。对时钟电路来说要求其时钟抖动、偏斜等参数尽可能小，可以使用温补晶振来作为外部时钟源，并由FPGA内部锁相环倍频并分配给高压电源纹波分析***。
在一个具体的实施例中，如图8所示，本实施例对于纹波特性分析最为重要的数字算法即为锁相放大算法，其数学原理是三角函数的积化和差公式，即：
所述的锁相放大算法的原理即为将待测高压电源信号的数字信号分别与设定的参考电压源的数字正弦信号及数字余弦信号做乘法，假定待测信号中在参考频率有以下信号分量：
S(t)＝Aisin(ωt+φ)
其中，ω为待测信号中与参考信号同频的信号分量，φ为该信号与参考信号的相位差，Ai为待测信号内与参考信号同频的信号的幅度，同理可以知道参考电压源的数字正弦信号和参考余弦信号分别如下：
S_REF_0＝Arcos(ωt)
S_REF_1＝Arsin(ωt)
根据前面推导给出的积化和差公式，当待测信号与参考信号相乘可以得到以下公式，图8中，802和805为数字乘法器，可以将数字正弦信号与待测信号做乘法：
公式中，含有2ωt的信号为高频信号，利用一个数字低通滤波器803和806 可以将其滤除，滤波后的信号假定为S_OUT_0和S_OUT_1，分别等于：
则滤波后信号中只包含与幅度和相位有关的值，利用平方求和和反正切的计算公式，即可知道待测信号的幅度与相位信息：
测量过程中采用参考信号扫频的方法即可求解出纹波信号中不同频点的幅度，从而实现对纹波信号频域信息的精确分析，同时采用这种方法可以极大的提升测量的精确度，因为除了同频信号外其他频率的信号与参考信号的相关性极弱，对此我们需要引入互相关函数的概念R12，R12的定义为：
假定参考信号与待测正弦信号不同频，则参考信号和待测正弦信号分别为：
Si(t)＝Aisin(ω1t+φ1)
Sr(t)＝Arsin(ω2t+φ2)
则联合以上两组公式可得：
由上式可知，当ω1＝ω2时，上式的积分值的极限不为0。代入之前锁相放大算法的原理，计算一段时间内值的累加，其本质就是一种低通滤波器，故当参考信号与待测正弦信号同频时，其相关性最高，相关系数不为0，因而对待测信号与参考信号的乘积求和一段时间，可以滤除掉其他频带的信息，仅保留需要测量的频点的幅度和相位信息。以上即为锁相放大算法的核心内容。
所述的数字信号处理电路在采集完模数转换结构输出的数字信号后，需要根据上位机纹波分析装置的指令及时将采样信号传输到上位机纹波分析装置705，进行进一步的数学统计处理，同时由于其短时间内的传输数据量十分巨大，主控芯片与上位机纹波分析装置的通讯需要使用，PCIe、以太网、USB等高速通讯协议。本实施例上位机纹波分析装置需要能对传输的信号进行实时的展示与统计，统计内容包括一段时间内的纹波最大最小值(峰峰值)、纹波有效值、纹波频率等参数。同时，上位机纹波分析装置可以调用硬件电路主控芯片的锁相放大算法，对纹波的频谱信息进行实时的计算，上位机纹波分析装置还可显示采集到的纹波信号的波形。
根据以上的高压电源纹波分析***，总共放大倍数为2000倍，若假设输入纹波信号的幅度为1mV，则最后进入模数转换器中的纹波信号约为2V，LTC2107 模数转换器的SNR约为80dB，则其ENOB＝(80-1.76)/6.02≈13bit，则AD分辨率为2.5V/2^13≈305uV，等效为对于纹波的真实分辨率为305uV/2000≈ 152.6nV。以上分辨率能较好地呈现出10uV-1mV纹波的波形情况。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，其特征在于：所述的高压电源纹波分析***包括高压输入电路、隔直放大电路、滤波增益补偿电路、模数转换电路、数字信号处理电路；其中，
所述的高压输入电路，用于接入待测高压电源的信号，并为高压电源提供不同的负载，实现对不同负载下的纹波特性测量；
所述的隔直放大电路，用于隔离直流高压，并将交流纹波放大；
所述的滤波增益补偿电路，用于对放大后的交流纹波采集得到的模拟纹波信号进行频带限制；
所述的模数转换电路，用于将滤波增益补偿电路所采集的模拟纹波信号转换为数字信号；
所述的数字信号处理电路，采用基于锁相放大算法对得到的数字信号进行采集和处理，并将采集到的数字信号的频带进一步限制。
2.根据权利要求1所述的基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，其特征在于：所述的高压电源纹波分析***还上位机纹波分析装置，所述的上位机纹波分析装置对数字信号处理电路处理的结果进一步分析；并显示采集到的纹波信号的波形。
3.根据权利要求2所述的基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，其特征在于：所述的高压输入电路包括带保护的高压输入接头、由多路开关加功率电阻串联而成的可调负载电路；
所述的带保护的高压输入接头接入高压电源后，通过可调负载电路输入隔直放大电路，并通过选通多路开关实现测量不同负载下的纹波特性。
4.根据权利要求3所述的基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，其特征在于：所述的多路开关采用若干个单刀双掷继电器串联实现多路选择。
5.根据权利要求4所述的基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，其特征在于：所述的隔直放大电路包括用于滤除高压直流信号的二阶高通滤波电路、用于将交流纹波放大的运算放大器A1、防止过冲浪涌损害运算放大器的单刀双掷继电器、接地电阻(305)、第一比例放大电阻(306)、第二比例放大电阻(307)；
所述的二阶高通滤波电路的输入端接入高压输入电路的输出端；所述的二阶高通滤波电路的输出端接单刀双掷继电器的一个选通端；
所述的单刀双掷继电器的另一端选通端通过接地电阻(305)接地；
所述的单刀双掷继电器的中心端口接运算放大器A1的正输入端；
所述的第一比例放大电阻(306)、第二比例放大电阻(307)依次串联后运算放大器A1的输出端；
所述的运算放大器A1的负输入端接在第一比例放大电阻(306)、第二比例放大电阻(307)之间；
所述的运算放大器A1的输出端将放大后的交流纹波信号传输给滤波增益补偿电路。
6.根据权利要求5所述的基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，其特征在于：所述的滤波增益补偿电路包括依次串联的有源高通滤波电路、无源低通滤波电路；所述的运算放大器A1的输出端与有源高通滤波电路的输入端连接；所述的无源低通滤波电路的输出端与模数转换电路的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，其特征在于：所述的有源高通滤波电路采用10阶巴特沃斯滤波器，所述的10阶巴特沃斯滤波器采用5级Sallen-Key电路结构，每级所述的Sallen-Key电路结构包括独立的增益补偿电路，保证输出模拟信号与输入模拟信号的幅值比例是10:1。
8.根据权利要求7所述的基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，其特征在于：所述的Sallen-Key电路结构包括电容(401、403)、正反馈电阻(402)、接地电阻(404)、放大器(405)、电阻(406、407)；
所述的电容(401)的一端与运算放大器A1的输出端连接；所述的电容(401)的另一端依次与电容(403)、放大器(405)的正输入端连接；
所述的正反馈电阻(402)的一端接在电容(401)、电容(403)之间；所述的正反馈电阻(402)的另一端接在放大器(405)的输出端；
所述的接地电阻(404)的一端接在电容(403)与放大器(405)的正输入端之间；
所述的放大器(405)的输出端与下一级的Sallen-Key电路结构的输出端连接；同时所述的放大器(405)的输出端依次通过电阻(406)、电阻(407)接地；
所述的放大器(405)的负输入端接在电阻(406)、电阻(407)之间。
9.根据权利要求8所述的基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，其特征在于：所述的无源低通滤波电路采用14阶椭圆滤波器，所述的无源低通滤波电路的特性阻抗为50Ω。
10.根据权利要求9所述的基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，其特征在于：所述的模数转换电路包括阻抗匹配网络(601、602)、全差分运算放大器(605)、反馈电阻(603、604)、滤波网络(606)、参考电压源(608)、模数转换器(607)；
所述的全差分运算放大器(605)的正输入端依次与阻抗匹配网络(601)、无源低通滤波电路的输出端连接；
所述的全差分运算放大器(605)的负输入端通过阻抗匹配网络(602)接地；
所述的全差分运算放大器(605)的负输出端、正输出端通过滤波网络(606)与模数转换器(607)连接；
所述的反馈电阻(603)的一端与全差分运算放大器(605)的正输入端连接，所述的反馈电阻(603)的另一端与全差分运算放大器(605)的负输出端连接；
所述的反馈电阻(604)的一端与全差分运算放大器(605)的负输入端连接，所述的反馈电阻(604)的另一端与全差分运算放大器(605)的正输出端连接；
所述的参考电压源(608)输入模数转换器(607)。
11.根据权利要求10所述的基于锁相放大算法的高压电源纹波测量分析***，其特征在于：所述的数字信号处理电路包括主控芯片、存储单元；
所述的主控芯片读取模数转换器的采样数据通过16位的并行差分LVDS实现；所述的主控芯片读写模数转换器的控制字采用SPI接口协议进行传输；所述的主控芯片内置用于分析纹波频域特性的锁相放大算法，实现对接受到的数据进行处理；
所述的存储单元，用于存储模数转换器上传的数据和主控芯片处理后的数据。
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