CN112557987A - 一种电流测量校准***及方法 - Google Patents
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Abstract
一种电流测量校准***及方法。本发明提供了一种低成本、小体积、高精度、易于集成且具有校准功能的电流测量校准***及方法。本发明***包括逻辑控制单元（1）、电流测量单元（2）、存储单元（3）及上位机（4），逻辑控制单元分别与电流测量单元、存储单元及上位机通信连接；本发明方法的步骤为：电源模块供电，逻辑控制单元的DAC模块产生若干个模拟电压来驱动负载模组，负载模组产生恒流负载，上位机分别通过电流测量单元、连接到通用校准板及仪器接口上的标准仪器读取电流值，上位机得到两组电流值，经过计算，得到校准系数，上位机将得到的校准系数写入存储单元，然后选择电源通路及负载通路利用校准系数进行电流测量单元的电流校准。本发明可应用于测试领域。
Description
技术领域
本发明涉及电子产品检测领域，尤其涉及一种电流测量校准***及方法。
背景技术
对电子产品而言，电流是衡量产品功能及性能的必备指标。所有的电子产品在出厂前都会要求进行电流测量，以确保产品品质。随着电子产品功能及性能的提升，低功耗小电流、快速充电大电流等技术要求趋于普遍。为准确判断产品工作正常与否，就要求电流测量结果非常精确。传统的解决方案主要是使用Keysight 34465A、Keysight 34470A等标准仪器测量电流的大小，其整体结构如图1所示。然而，标准测量仪器的价格昂贵，不宜应用于批量产品的测试/测量中；且新趋势下的电子产品的电流测量要求灵活多变，标准测量仪器已很难满足新趋势下的消费电子测试行业。随着科技的发展，在测试设备行业中越来越多地使用模拟、数字电路来实现电流测量功能，而非标准仪器。但使用模拟、数字电路进行电流测量时，为保证测量精度，需对电流测量***进行校准。传统校准方法是使用标准电流源对电流进行校准，其***架构如图2所示。然而，现有的标准电流源体积巨大，集成困难，且其成本昂贵，已不适应新趋势下的消费电子产品测试行业，这增加了电子产品的测量成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种低成本、小体积、高精度、易于集成且具有校准功能的电流测量校准***及方法，其校准方法步骤简单、操作便捷，且能保证电流测量***的精确度。
本发明所述电流校准***所采用的技术方案是：它包括逻辑控制单元、电流测量单元、存储单元及上位机，所述逻辑控制单元分别与所述电流测量单元、所述存储单元及所述上位机通信连接，
所述逻辑控制单元用于接收来自所述上位机的指令信号，采集所述电流测量单元的信号，向所述电流测量单元发送控制信号，并将校准系数存储到所述存储单元中；
所述电流测量单元用于连接待测产品，向待测产品供电，接收所述逻辑控制单元及所述上位机发送来的信号，并向所述逻辑控制单元及所述上位机发送信号；
所述存储单元用于存储所述逻辑控制单元发送来的校准参数；
所述上位机用于向所述逻辑控制单元发送指令信号，接收所述逻辑控制单元上传的信号，计算***的校准系数，并将校准系数发送至所述存储单元存储；
所述电流测量单元包括电源模块、供电矩阵、通用校准板及仪器接口以及负载模组，所述电源模块通过所述供电矩阵向待测产品、所述负载模组和所述通用校准板及仪器接口供电，所述逻辑控制单元的DAC模块产生若干个模拟电压来驱动所述负载模组，所述负载模组产生恒流负载，所述上位机分别通过所述电流测量单元、连接到所述通用校准板及仪器接口上的标准仪器读取电流值，所述上位机得到两组电流值，经过计算，得到校准系数，所述上位机将得到的校准系数写入所述存储单元，然后选择电源通路及负载通路利用校准系数进行电流测量单元的电流校准。
所述电源模块提供一路VBUS电源及一路VBATT电源，两路电源的通路上均设置有电流传感器，所述电流传感器将电源通路上的电流转换为电压，并通过与所述电流传感器相连接的ADC模块测量，所述ADC模块通过SPI总线与所述逻辑控制单元相连接并输出电源的电流测量结果。
所述供电矩阵由继电器组成，所述供电矩阵切换所述VBUS电源及所述VBATT电源的供电回路是否接入所述通用校准板及仪器接口。
所述通用校准板及仪器接口包括MOS管切换通路及仪器校准接口，所述MOS管切换通路包括若干个通道，在对所述电源模块及所述负载模组进行电流校准时，所述仪器校准接口接入电流校准标准仪器。
所述负载模组包括若干路负载通道、通道切换开关及跟随放大器，每路所述负载通道包括依次连接的通道DAC模块、电压放大器及恒流负载，所述通道DAC模块用于设置负载电流的大小，所述恒流负载用于模拟产生恒流负载，所述通道切换开关用于切换所述负载通道。
所述负载模组还连接有负载切换矩阵，所述负载切换矩阵的另一侧与待测产品相连接，所述负载切换矩阵用于切换不同的负载通道与待测产品连接。
利用上述电流测量校准***对电流测量单元进行校准的方法包括以下步骤：
步骤a.所述电源模块通过所述供电矩阵向待测产品、所述负载模组和所述通用校准板及仪器接口供电，在所述通用校准板及仪器接口处连接上标准仪器；
步骤b.所述逻辑控制单元的DAC模块产生若干个模拟电压来驱动所述负载模组，所述负载模组产生恒流负载；
步骤c.所述上位机分别通过所述电流测量单元、连接到所述通用校准板及仪器接口上的标准仪器读取电流值，所述上位机得到两组电流值；
步骤d.经过计算，得到校准系数；
步骤e.所述上位机将得到的校准系数写入所述存储单元，然后利用校准系数分别对所述电流测量单元的电源通路及负载通路进行电流校准。
所述步骤d中，计算校准系数的具体步骤为：
步骤d1.通过所述上位机向所述负载模组发送指令，所述负载模组产生全电流段的恒流负载；
步骤d2.按照设定的电流步进依次分别采集所述电流测量单元及连接到所述通用校准板及仪器接口上的标准仪器读取到的电流值，将两组值分别作为XY坐标系的X、Y轴的值，在每个电流步进的末端点取X、Y值，得到X、Y象限内的相交点，将得到的相交点用线依次连接起来，得到一条曲线；
步骤d3.在步骤d2得到的曲线上，将曲线出现明显拐点的位置作为电流校准的分段点；
步骤d4.在各电流分段内，通过所述上位机向所述负载模组发送指令，所述负载模组产生设定步进的恒流负载；
步骤d5. 分别采集所述电流测量单元、连接到所述通用校准板及仪器接口上的标准仪器读取到的电流值，采集的数据通过最小二乘法公式Y=KX+B计算出斜率K和偏置B；
步骤d6. 选取落在0.95～1.05的值作为斜率K的值，斜率K和偏置B无误后，所述上位机通过指令将K,B的值写入所述存储单元作为校准系数。
本发明的有益效果是：本发明中，所述电源模块通过所述供电矩阵向待测产品、所述负载模组和所述通用校准板及仪器接口供电，在所述通用校准板及仪器接口处连接上标准仪器，所述逻辑控制单元的DAC模块产生若干个模拟电压来驱动所述负载模组，所述负载模组产生恒流负载，所述上位机分别通过所述电流测量单元、连接到所述通用校准板及仪器接口上的标准仪器读取电流值，所述上位机得到两组电流值，经过计算，得到校准系数，所述上位机将得到的校准系数写入所述存储单元，然后利用校准系数分别对所述电流测量单元的电源通路及负载通路进行电流校准；可见，本发明的电流测量、校准范围宽：其可测量10mA～5A电流；测量精度高：其采用32bit ADC，精度可达±1‰±2mA；采用通用校准板及仪器接口，其集成度高，***灵活，可扩展；此外，本发明***成本低，其可一次校准多个参数，如VBUS电流，E_Load设置电压，I_Load电流；本发明实现电流的高精度测量及校准，***搭建简洁；数据存储、提取方便，其解决了电流测量成本高、难集成等问题，从而可应用于电子测试/测量设备中。
附图说明
图1是现有技术采用标准仪器检测电流的简易架构图；
图2是现有技术采用模拟、数字电路检测电流的简易架构图；
图3是本发明的***简易结构框图；
图4是所述电流测量单元的简易结构框图；
图5是所述电源模块的简易结构框图；
图6是所述供电矩阵的简易结构框图；
图7是所述通用校准板及仪器接口的简易结构框图；
图8是所述负载模组的简易结构框图。
具体实施方式
本发明具体如下。
如图3至图8所示，本发明所述电流测量校准***包括逻辑控制单元1、电流测量单元2、存储单元3及上位机4，所述逻辑控制单元1分别与所述电流测量单元2、所述存储单元3及所述上位机4通信连接，所述逻辑控制单元1用于接收来自所述上位机4的指令信号，采集所述电流测量单元2的信号，向所述电流测量单元2发送控制信号，并将校准系数存储到所述存储单元3中；所述电流测量单元2用于连接待测产品，向待测产品供电，接收所述逻辑控制单元1及所述上位机4发送来的信号，并向所述逻辑控制单元1及所述上位机4发送信号；所述存储单元3用于存储所述逻辑控制单元1发送来的校准参数；所述上位机4用于向所述逻辑控制单元1发送指令信号，接收所述逻辑控制单元1上传的信号，计算***的校准系数，并将校准系数发送至所述存储单元3存储；所述电流测量单元2包括电源模块21、供电矩阵22、通用校准板及仪器接口23以及负载模组E-Load，所述电源模块21通过所述供电矩阵22向待测产品、所述负载模组E-Load和所述通用校准板及仪器接口23供电，所述逻辑控制单元1的DAC模块产生若干个模拟电压来驱动所述负载模组E-Load，所述负载模组E-Load产生恒流负载，所述上位机4分别通过所述电流测量单元2、连接到所述通用校准板及仪器接口23上的标准仪器读取电流值，所述上位机4得到两组电流值，经过计算，得到校准系数，所述上位机4将得到的校准系数写入所述存储单元3，然后选择电源通路及负载通路利用校准系数进行电流测量单元2的电流校准。
所述电源模块21提供一路VBUS电源211及一路VBATT电源212，两路电源的通路上均设置有电流传感器213，所述电流传感器213将电源通路上的电流转换为电压，并通过与所述电流传感器213相连接的ADC模块214测量，所述ADC模块214通过SPI总线与所述逻辑控制单元1相连接并输出电源的电流测量结果。
所述供电矩阵22由继电器组成，所述供电矩阵22切换所述VBUS电源211及所述VBATT电源212的供电回路是否接入所述通用校准板及仪器接口23。不做校准时，两路电源正常输出；做校准时，两路电源轮流接入通用校准板卡做电流校准。
所述通用校准板及仪器接口23包括MOS管切换通路及仪器校准接口，所述MOS管切换通路包括若干个通道，在对所述电源模块21及所述负载模组E-Load进行电流校准时，所述仪器校准接口接入电流校准标准仪器。
所述负载模组E-Load包括若干路负载通道、通道切换开关I_Load及跟随放大器241，每路所述负载通道包括依次连接的通道DAC模块242、电压放大器243及恒流负载CC_Eload，所述通道DAC模块242用于设置负载电流的大小，所述恒流负载CC_Eload用于模拟产生恒流负载，所述通道切换开关I_Load用于切换所述负载通道，针对不同的负载通道为所述逻辑控制单元1提供负载电流测量结果。
所述负载模组E-Load还连接有负载切换矩阵25，所述负载切换矩阵25的另一侧与待测产品相连接，所述负载切换矩阵25用于切换不同的负载通道与待测产品连接。负载切换矩阵25的设置是在待测产品与负载模组E-Load建立负载通道，以检测待测产品其它不同的性能，从而本发明能够适应对待测产品不同的测试要求，具有较好的扩展性及兼容性。
此外，本发明利用上述电流测量校准***对电流测量单元进行校准的方法包括以下步骤：
步骤a.所述电源模块21通过所述供电矩阵22向待测产品、所述负载模组E-Load和所述通用校准板及仪器接口23供电，在所述通用校准板及仪器接口23处连接上标准仪器；
步骤b.所述逻辑控制单元1的DAC模块产生若干个模拟电压来驱动所述负载模组E-Load，所述负载模组E-Load产生恒流负载；
步骤c.所述上位机4分别通过所述电流测量单元2、连接到所述通用校准板及仪器接口23上的标准仪器读取电流值，所述上位机4得到两组电流值；
步骤d.经过计算，得到校准系数；
步骤e.所述上位机4将得到的校准系数写入所述存储单元3，然后利用校准系数分别对所述电流测量单元2的电源通路及负载通路进行电流校准。
上述步骤d的计算校准系数的具体步骤为：
步骤d1.通过所述上位机4向所述负载模组E-Load发送指令，所述负载模组E-Load产生全电流段的恒流负载；
步骤d2.按照设定的电流步进（这里设定的电流步进可以是50mA,也可以是100mA、150mA或200mA，这可根据实际的情况而定，在本发明中，以100mA作为电流步进）依次分别采集所述电流测量单元2及连接到所述通用校准板及仪器接口23上的标准仪器读取到的电流值，将两组值分别作为XY坐标系的X、Y轴的值，在每个电流步进的末端点取X、Y值，得到X、Y象限内的相交点，将得到的相交点用线依次连接起来，得到一条曲线；
步骤d3.在步骤d2得到的曲线上，将曲线出现明显拐点的位置作为电流校准的分段点；
步骤d4.在各电流分段内，通过所述上位机4向所述负载模组E-Load发送指令，所述负载模组E-Load产生设定步进（本实施例中的设定步进为100mA）的恒流负载；
步骤d5.分别采集所述电流测量单元2、连接到所述通用校准板及仪器接口23上的标准仪器读取到的电流值，采集的数据通过最小二乘法公式Y=KX+B计算出斜率K和偏置B；
步骤d6. 选取落在0.95～1.05的值作为斜率K的值，斜率K和偏置B无误后，所述上位机4通过指令将K,B的值写入所述存储单元3作为校准系数。斜率K的值不能太离谱，一般的原则是：0.95～1.05。
本发明的电流测量、校准范围宽：其可测量10mA～5A电流；测量精度高：其采用32bit ADC，精度可达±1‰±2mA；采用通用校准板及仪器接口，其集成度高，***灵活，可扩展；此外，本发明***成本低，其可一次校准多个参数，如VBUS电流，E_Load设置电压，I_Load电流。经过试验，本发明能够达到较佳的校准效果。
以下表1为电流测量单元中的负载模组在校准前测得的电流数据，其中，ELOAD_1、ILOAD_1分别表示设置CC负载的电压、读取CC负载的电流 ，下同。
各个表格中的项目意思表示如下：
Before RawData表示校准前测得的原始数据；
measure(A)表示设备电流测量单元测得的电流值；
agilent(A)表示标准仪器测得的电流值；
measure(A)- agilent(A)表示备电流测量单元测得电流与标准仪器测得电流的差值；
Error表示测量值的误差；
gain表示校准系数的增益；
offset表示校准系数的偏置；
After RawData表示调用校准系数后，测得的原始数据。
表1
通过接入标准仪器，上位机（电脑）通过本发明方法计算得到的校准参数表2所示。
表2
电流测量单元调用校准参数，得到电流测量结果如表3所示。
表3
此外，对于电源模块中的VBUS电源，在低电流情况下，未对电流测量单元进行校准前测得的电流数据如表4所示。
表4
上位机计算得到校准参数如表5所示。
表5
电流测量单元调用校准参数，得到电流测量结果如表6所示。
表6
对于电源模块中的VBUS电源，在高电流情况下，未对电流测量单元进行校准前测得的电流数据如表7所示。
表7
上位机计算得到校准参数如表8所示。
表8
电流测量单元调用校准参数，得到电流测量结果如表9所示。
表9
经过上述校准过程可见，本发明***体积小、成本低、移植方便、集成简单，对电流校准范围广，校准后电流测量精度高，适用于消费类电子产品测试领域。
Claims (8)
1.一种电流测量校准***，其特征在于：该***包括逻辑控制单元（1）、电流测量单元（2）、存储单元（3）及上位机（4），所述逻辑控制单元（1）分别与所述电流测量单元（2）、所述存储单元（3）及所述上位机（4）通信连接，
所述逻辑控制单元（1）用于接收来自所述上位机（4）的指令信号，采集所述电流测量单元（2）的信号，向所述电流测量单元（2）发送控制信号，并将校准系数存储到所述存储单元（3）中；
所述电流测量单元（2）用于连接待测产品，向待测产品供电，接收所述逻辑控制单元（1）及所述上位机（4）发送来的信号，并向所述逻辑控制单元（1）及所述上位机（4）发送信号；
所述存储单元（3）用于存储所述逻辑控制单元（1）发送来的校准参数；
所述上位机（4）用于向所述逻辑控制单元（1）发送指令信号，接收所述逻辑控制单元（1）上传的信号，计算***的校准系数，并将校准系数发送至所述存储单元（3）存储；
所述电流测量单元（2）包括电源模块（21）、供电矩阵（22）、通用校准板及仪器接口（23）以及负载模组（E-Load），所述电源模块（21）通过所述供电矩阵（22）向待测产品、所述负载模组（E-Load）和所述通用校准板及仪器接口（23）供电，所述逻辑控制单元（1）的DAC模块产生若干个模拟电压来驱动所述负载模组（E-Load），所述负载模组（E-Load）产生恒流负载，所述上位机（4）分别通过所述电流测量单元（2）、连接到所述通用校准板及仪器接口（23）上的标准仪器读取电流值，所述上位机（4）得到两组电流值，经过计算，得到校准系数，所述上位机（4）将得到的校准系数写入所述存储单元（3），然后选择电源通路及负载通路利用校准系数进行电流测量单元（2）的电流校准。
2.根据权利要求1所述的一种电流测量校准***，其特征在于：所述电源模块（21）提供一路VBUS电源（211）及一路VBATT电源（212），两路电源的通路上均设置有电流传感器（213），所述电流传感器（213）将电源通路上的电流转换为电压，并通过与所述电流传感器（213）相连接的ADC模块（214）测量，所述ADC模块（214）通过SPI总线与所述逻辑控制单元（1）相连接并输出电源的电流测量结果。
3.根据权利要求2所述的一种电流测量校准***，其特征在于：所述供电矩阵（22）由继电器组成，所述供电矩阵（22）切换所述VBUS电源（211）及所述VBATT电源（212）的供电回路是否接入所述通用校准板及仪器接口（23）。
4.根据权利要求1所述的一种电流测量校准***，其特征在于：所述通用校准板及仪器接口（23）包括MOS管切换通路及仪器校准接口，所述MOS管切换通路包括若干个通道，在对所述电源模块（21）及所述负载模组（E-Load）进行电流校准时，所述仪器校准接口接入电流校准标准仪器。
5.根据权利要求1所述的一种电流测量校准***，其特征在于：所述负载模组（E-Load）包括若干路负载通道、通道切换开关（I_Load）及跟随放大器（241），每路所述负载通道包括依次连接的通道DAC模块（242）、电压放大器（243）及恒流负载（CC_Eload），所述通道DAC模块（242）用于设置负载电流的大小，所述恒流负载（CC_Eload）用于模拟产生恒流负载，所述通道切换开关（I_Load）用于切换所述负载通道。
6.根据权利要求5所述的一种电流测量校准***，其特征在于：所述负载模组（E-Load）还连接有负载切换矩阵（25），所述负载切换矩阵（25）的另一侧与待测产品相连接，所述负载切换矩阵（25）用于切换不同的负载通道与待测产品连接。
7.利用如权利要求1所述的一种电流测量校准***对电流测量单元进行校准的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤a.所述电源模块（21）通过所述供电矩阵（22）向待测产品、所述负载模组（E-Load）和所述通用校准板及仪器接口（23）供电，在所述通用校准板及仪器接口（23）处连接上标准仪器；
步骤b.所述逻辑控制单元（1）的DAC模块产生若干个模拟电压来驱动所述负载模组（E-Load），所述负载模组（E-Load）产生恒流负载；
步骤c.所述上位机（4）分别通过所述电流测量单元（2）、连接到所述通用校准板及仪器接口（23）上的标准仪器读取电流值，所述上位机（4）得到两组电流值；
步骤d.经过计算，得到校准系数；
步骤e.所述上位机（4）将得到的校准系数写入所述存储单元（3），然后利用校准系数分别对所述电流测量单元（2）的电源通路及负载通路进行电流校准。
8.根据权利要求7所述的电流校准方法，其特征在于，所述步骤d中，计算校准系数的具体步骤为：
步骤d1.通过所述上位机（4）向所述负载模组（E-Load）发送指令，所述负载模组（E-Load）产生全电流段的恒流负载；
步骤d2.按照设定的电流步进依次分别采集所述电流测量单元（2）及连接到所述通用校准板及仪器接口（23）上的标准仪器读取到的电流值，将两组值分别作为XY坐标系的X、Y轴的值，在每个电流步进的末端点取X、Y值，得到X、Y象限内的相交点，将得到的相交点用线依次连接起来，得到一条曲线；
步骤d3.在步骤d2得到的曲线上，将曲线出现明显拐点的位置作为电流校准的分段点；
步骤d4.在各电流分段内，通过所述上位机（4）向所述负载模组（E-Load）发送指令，所述负载模组（E-Load）产生设定步进的恒流负载；
步骤d5. 分别采集所述电流测量单元（2）、连接到所述通用校准板及仪器接口（23）上的标准仪器读取到的电流值，采集的数据通过最小二乘法公式Y=KX+B计算出斜率K和偏置B；
步骤d6. 选取落在0.95～1.05的值作为斜率K的值，斜率K和偏置B无误后，所述上位机（4）通过指令将K,B的值写入所述存储单元（3）作为校准系数。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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