1. Введение
Целью данной работы является разработка автоматизированного стенда для измерения ключевых характеристик источников электропитания, включающего диагностику и анализ их параметров и зависимостей. Основные задачи стенда включают измерение номинальных значений выходного напряжения и тока, построение нагрузочных характеристик, определение КПД (коэффициент полезного действия), а также расчет коэффициентов нестабильности по напряжению и току, коэффициента пульсаций и степени сглаживания пульсаций.
Актуальность данной работы обусловлена отсутствием аналогичных решений на рынке, способных проводить столь широкий спектр измерений с высоким уровнем точности и при этом остающихся экономически более выгодными по сравнению с существующими промышленными аналогами. Созданный стенд не только обеспечивает измерение параметров, которые ранее не учитывались в других системах, но и отличается меньшей стоимостью, что делает его доступным для широкого круга пользователей.
Для решения поставленной задачи была разработана микропроцессорная система, интегрированная с персональным компьютером. Измерительные каналы системы состоят из высокочувствительных датчиков тока, фильтров высоких частот, блоков масштабирования и аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Обработка данных, вычисление необходимых параметров и их визуализация выполняются микропроцессорной системой, для которой было разработано специализированное программное обеспечение.
Основные параметры источников электропитания:
- номинальное выходное напряжение и ток;
- нагрузочные характеристики – зависимость выходного тока от изменения сопротивления нагрузки;
- коэффициент нестабильности по напряжению – это отношение относительного изменения выходного напряжения ∆UHMissing Mark : sub/UHMissing Mark : sub к вызвавшему его изменению входного напряжения ∆UпMissing Mark : sub/UпMissing Mark : sub:
[LATEX_FORMULA]K_{\text{НU}}=\frac{\Delta U_{\text{П}}/U_{\text{П}}}{\Delta U_{\text{Н}}/U_{\text{Н}}}[/LATEX_FORMULA]
- коэффициент нестабильности по току – это отношение относительного изменения напряжения на нагрузке ∆UНMissing Mark : sub/UНMissing Mark : sub к вызвавшему его относительному изменению тока нагрузки ∆IНMissing Mark : sub/IНMissing Mark : sub:
[LATEX_FORMULA]K_{\text{НI}}=\frac{\Delta U_{\text{Н}}/U_{\text{Н}}}{\Delta I_{\text{Н}}/I_{\text{Н}}}[/LATEX_FORMULA]
- коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения:
[LATEX_FORMULA]K_{\text{П}}=\frac{U_{\sim}}{U_{\text{ср}}}[/LATEX_FORMULA]
- коэффициент сглаживания пульсаций – это отношение амплитудного значения пульсаций входного напряжения U~вхMissing Mark : sub/UвхMissing Mark : sub , к амплитудному значению пульсаций выходного напряжения U~выхMissing Mark : sub/UвыхMissing Mark : sub:
[LATEX_FORMULA]K_{\text{c}}=\frac{\Delta U_{\sim\text{вх}}/U_{\text{вх}}}{\Delta U_{\sim\text{вых}}/U_{\text{вых}}}[/LATEX_FORMULA]
- коэффициент полезного действия – это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку PHMissing Mark : sub, к мощности РпотMissing Mark : sub, потребляемой от первичного источника питания:
[LATEX_FORMULA]\eta=\frac{P_{\text{Н}}}{P_{\text{п}}}[/LATEX_FORMULA]
Автоматизированный стенд для измерения параметров источников электропитания предназначен для точного контроля и анализа входных и выходных значений тока и напряжения. В основе работы стенда лежит микропроцессорная система, обеспечивающая расчёт и анализ этих параметров, а также выявление их корреляций. Данный стенд позволяет эффективно проводить регулярное техническое обслуживание и ремонт блоков питания, что значительно упрощает процессы диагностики и восстановления их функциональности.
Конструкция стенда объединяет программные и аппаратные компоненты, что позволяет осуществлять полный контроль над подключёнными устройствами в ходе испытаний. Использование виртуальных приборов позволяет автоматизировать процесс тестирования, освобождая оператора от необходимости вручную переключать каналы измерения (эту функцию выполняет блок коммутации), изменять параметры источника питания (в случае использования программируемого источника) или устанавливать значения генератора. Все действия, включая управление выходом ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), запись результатов измерений в журнал испытаний, а также выбор настроек измерителя и времени измерений, выполняются автоматически в соответствии с условиями испытаний.
Измерение номинальных значений выходного напряжения и тока производится с использованием вольтметра и амперметра, соответственно. Для оценки нестабильности выходного напряжения применяется вольтметр, фиксирующий изменения при варьировании входного напряжения. Аналогично, измерение нестабильности выходного тока осуществляется с помощью амперметра при изменении сопротивления нагрузки. Такой подход обеспечивает высокую точность и надёжность измерений, что делает стенд незаменимым инструментом в работе с источниками электропитания.
Далее проведем обзор существующих стендов.
В работе
[1]
Параметры обследования:
- нагрузочные и регулирующие характеристики;
- пульсации выходного напряжения;
- реакция микросхемы на ступенчатое отключение нагрузки;
- изучение алгоритма работы микросхемы накачки заряда.
На рисунке 1 показана структурная схема, представленного в
Структурная схема экспериментального стенда
[1][2][3]
Набор тестов (проверок), которые может выполнять данная система:
- выходное напряжение;
- полная нестабилен;
- работа при низком напряжении;
- пусковая защита от перегрузки и короткого замыкания;
- время включения;
- контроль выходного напряжения.
В работе
[4]
Автоматизированная система тестирования PV-инверторов предлагает:
- проверку выходных характеристик испытуемого технического средства (ИТС);
- проверку входных параметров ИТС;
- проверку временных и переходных параметров при срабатывании защиты.
В работе
[5]
Передняя панель программного обеспечения на экране ПК используется для ввода исходных данных, режимов работы и отображения результатов в табличном и графическом виде. На основе сигнала измерения, расчета параметров и формального анализа должен быть получен контрольный результат (исправен/неисправен). При возникновении ошибки указывается причина и отклонение параметров сигнала от эталона.
На рисунке 2 представлена блок-схема автоматизированной системы диагностики.
Структурная схема автоматизированной системы диагностики
[6]
В работе
[7]
Система автоматизации для одновременного управления набором параметров регулятора напряжения и DC/DC преобразователя при радиационном испытании построена на базе стандартного оборудования PXI компании National Instruments.
Данная работа предполагает создание автоматизированной системы одновременного контроля комплекса параметров СН и/или ПН при радиационных испытаниях на таких установках, как линейные ускорители электронов, изотопные источники и т.д.
Комплекс автоматизации имеет модульные устройства стандарта PXI (например, National Instruments). Программная часть создана в среде программирования NI LabVIEW 8.6
[6]
Структурная схема аппаратно-программного комплекса для испытаний микросхем: 1 – источник воздействия; 2 – плата с испытываемыми образцами; 3 – блок управляемых нагрузок; 4 – измерительный блок; 5 – персональный компьютер
На рисунке 3 представлена структурная схема программно-аппаратного комплекса, используемого для тестирования микросхемы.
Разработка автоматизированных стендов для измерения параметров источников электропитания является актуальной задачей, поскольку такие источники широко применяются во всех электронных устройствах, обеспечивая их стабильное функционирование. Для эффективного выполнения поставленных задач, автоматизированный стенд должен обеспечивать измерение входных и выходных токов и напряжений, а также автоматическое создание отчетов о проведённых измерениях и тестах. Это значительно упрощает процесс анализа и документирования, что особенно важно в условиях интенсивной эксплуатации оборудования.
Одним из ключевых этапов разработки автоматизированного стенда является выбор подходящей архитектуры измерительной системы, а также разработка соответствующих аппаратных и программных компонентов, которые гарантируют высокую точность и надежность измерений. Однако одной из существенных проблем, отмеченных в предыдущих исследованиях, является использование устаревшего COM-порта [8], что ограничивает возможность интеграции таких стендов с современными компьютерами и снижает их функциональность в условиях современных требований.
2. Разработка структурной и функциональной схем
Структурная схема стенда измерения параметров источников электропитания
На рисунке 4 представлена структурная схема стенда измерения параметров источников электропитания: ПИП – первичный источник питания, ИВЭП – источник вторичного электропитания, R1 – изменяемая нагрузка.
Функциональная схема автоматизированного стенда измерения параметров источников электропитания: ПИП – программируемый источник питания; МК – микроконтроллер; БМ – блок масштабирования; ПК – персональный компьютер; ФВЧ – фильтр высокой частоты; Клав – клавиатура; Дисп – дисплей
На рисунке 5 показана функциональная схема автоматизированного стенда измерения параметров источников электропитания.[9]
Системные параметры были рассчитаны на основании функциональной схемы, которая приведена на рисунке 4. По заданию погрешность ε0Missing Mark : sub измерительных каналов не должна превышать 0,5%.
Суммарная среднеквадратическая погрешность канала измерения постоянной составляющей напряжения состоит из блока масштабирования и АЦП, оценивается выражением: [LATEX_FORMULA]\varepsilon_{\sum}=\sqrt{\varepsilon^2_{\text{БМ}}+\varepsilon^2_{\text{АЦП}}}[/LATEX_FORMULA] при этом [LATEX_FORMULA]\varepsilon_{\sum}\leq\varepsilon_0[/LATEX_FORMULA].
Изначально примем погрешность БМ равную 0,2%.
Найдем погрешность АЦП:
[LATEX_FORMULA]\varepsilon_{\text{АЦП}}=\sqrt{0,5^2-0,2^2}=0,45\%[/LATEX_FORMULA]
[LATEX_FORMULA]m\geq int[log_2\times\frac{1}{\varepsilon_{АЦП}}]=int[log_2\times\frac{1}{0,0046}]\geq7,76[/LATEX_FORMULA]
Разрядность АЦП составит m=8
Погрешность АЦП:
[LATEX_FORMULA]\varepsilon_{\text{АЦП}}=\frac{1}{2^m} =\frac{1}{2^8}=0,0039=0,39\%[/LATEX_FORMULA]
Суммарная среднеквадратическая погрешность канала измерения переменной составляющей напряжения состоит из ФВЧ, блока масштабирования и АЦП, оценивается выражением (где ε∑Missing Mark : sub≤ε0Missing Mark : sub):
[LATEX_FORMULA]\varepsilon_{\sum}=\sqrt{\varepsilon^2_{\text{ФВЧ}}+\varepsilon^2_{\text{БМ}}+\varepsilon^2_{\text{АЦП}}}[/LATEX_FORMULA]
Изначально примем погрешность БМ равную 0,2%, а ФВЧ равную 0,1%.
Найдем погрешность АЦП:
[LATEX_FORMULA]\varepsilon_{\text{АЦП}}\leq\sqrt{0,5^2-0,2^2-0,1^2}\leq0,45\%[/LATEX_FORMULA]
[LATEX_FORMULA]m\geq int[log_2\times\frac{1}{\varepsilon_{АЦП}}]=int[log_2\times\frac{1}{0,0045}]\geq7,79[/LATEX_FORMULA]
Разрядность АЦП составит m=8.
Погрешность АЦП:
[LATEX_FORMULA]\varepsilon_{\text{АЦП}}=\frac{1}{2^m} =\frac{1}{2^8} =0,0039=0,39\%[/LATEX_FORMULA]
Суммарная среднеквадратическая погрешность канала измерения тока состоит из датчика тока, блока масштабирования и АЦП, оценивается выражением (где ε∑Missing Mark : sub≤ε0Missing Mark : sub):
[LATEX_FORMULA]\varepsilon_{\sum}=\sqrt{\varepsilon^2_{\text{ДТ}}+\varepsilon^2_{\text{БМ}}+\varepsilon^2_{\text{АЦП}}}[/LATEX_FORMULA]
Изначально примем погрешность БМ равную 0,2%, а ДТ равную 0,45%.
Найдем погрешность АЦП:
[LATEX_FORMULA]\varepsilon_{\text{АЦП}}\leq\sqrt{0,5^2-0,2^2-0,45^2}\leq0,45\%[/LATEX_FORMULA]
[LATEX_FORMULA]m\geq int[log_2\times\frac{1}{\varepsilon_{АЦП}}]=int[log_2\times\frac{1}{0,00087}]\geq10,17[/LATEX_FORMULA]
Разрядность АЦП составит m=12.
Погрешность АЦП:
[LATEX_FORMULA]\varepsilon_{\text{АЦП}}=\frac{1}{2^m} =\frac{1}{2^{12}} =0,00024=0,024\%[/LATEX_FORMULA]
Частота дискретизации АЦП всех каналов выбрана в 10 раз больше, чем частоты пятой гармоники сетевого напряжения.
[LATEX_FORMULA]f_{\text{АЦП}}=10*50*5=2500\text{ Гц}[/LATEX_FORMULA]
Время преобразования АЦП:
[LATEX_FORMULA]t_{\text{АЦП}}=\frac{1}{f_{\text{АЦП}}}=\frac{1}{2500\text{ Гц}}=0,4\text{ мс}[/LATEX_FORMULA]
3. Моделирование измерительных каналов стенда
При проведении моделирования пользовались схемотехнической среды для моделирования и анализа схем аналоговой, цифровой и силовой электроники Multisim
[10]
Измерительный канал состоит из блока масштабирования (БМ), который реализован на двух операционных усилителях и 8-ми битном АЦП.
Измерительный канал измеряет входное и выходное напряжение стабилизатора. Входное напряжение стабилизатора равно 24 В с пульсациями ±100 мВ частотой 100 Гц. Выходное напряжение стабилизатора равно 12 В с пульсациями ±5 мВ частотой 100 Гц.
Частота дискретизации АЦП выбрана в 10 раз больше измеряемого сигнала, т.е. 1000 Гц.
Минимальное входное напряжение, разрешаемое АЦП:
[LATEX_FORMULA]U_{min}=\frac{U_{\text{оп}}}{2^m}=\frac{5}{256}=20\text{ мВ}[/LATEX_FORMULA]
Схема измерительного канала измерения напряжения представлена на рисунке 6. Для моделирования напряжения с пульсациями от стабилизатора в программе использован функциональный генератор, включенный последовательно с батареей. Функциональный генератор генерирует синусоидальный сигнал, тем самым моделируя пульсацию. Батарея моделирует постоянную составляющую. Выход функционального генератора подключен к входу усилителя. Для измерения напряжения входы осциллографа подключены к выходу функционального генератора, другой канал осциллографа подключен к выходу ЦАП.
Схема измерительного канала измерения напряжения
Осциллограммы сигналов с выхода функционального генератора (красный) и с выхода ЦАП (зеленый) при амплитуде пульсации 5 мВ
Схема измерительного канала измерения напряжения
На рисунке 7 представлены осциллограммы сигналов: с выхода функционального генератора (красный) и с выхода ЦАП (зеленый). На этом рисунке видно, что из-за малого уровня переменной составляющей на фоне постоянной в первую очередь и недостаточной разрядности АЦП невозможно увидеть переменную составляющую сигнала, т.к. минимальное входное напряжение, разрешаемое АЦП равно 20 мВ.На вход измерительного канала подается постоянное напряжение для определения погрешности БМ (рис. 8).
С учетом коэффициента передачи:
[LATEX_FORMULA]U_{\text{вх}}=12*\frac{1}{3}=4\text{ В}[/LATEX_FORMULA]
[LATEX_FORMULA]\Delta U_{\text{БМ}}=U_{\text{вх}}-U_{\text{вых БМ}}=4-4,001=0,001\text{ В}[/LATEX_FORMULA]
[LATEX_FORMULA]\delta_{\text{БМ}}=\frac{\Delta U_{\text{БМ}}}{U_{\text{вых БМ}}}*100\%=\frac{0,001}{4,001}*100\%=0,025\%[/LATEX_FORMULA]
Погрешность АЦП определяется только его разрядностью, т.к. АЦП при моделировании идеализированный [1].
[LATEX_FORMULA]\delta_{\text{АЦП}}=\frac{1}{2^m}*100\%=\frac{1}{2^8}*100\%=0,39\%[/LATEX_FORMULA]
Погрешность измерительного канала:
[LATEX_FORMULA]\sqrt{\delta_{\text{БМ}}^2+\delta_{\text{АЦП}}^2}=\sqrt{0,025^2+0,39^2}=0,46\%[/LATEX_FORMULA]
Осциллограммы сигналов с выхода функционального генератора (красный) и с выхода ЦАП (зеленый) при увеличении амплитуды пульсации до 80 мВ
Осциллограммы переменной составляющей сигналов с выхода функционального генератора (красный) и с выхода ЦАП (зеленый)
На рисунке 9 с увеличением амплитуды пульсации на выходе ЦАП видны пульсации, показаны зеленым цветом. Выходной сигнал с функционального генератора показан красным цветом.
Схема измерительного канала измерения переменной составляющей напряжения
Измерительный канал состоит из блока масштабирования БМ, который реализован на операционном усилителе и 8-ми битном АЦП. Схема канала измерения переменной составляющей напряжения представлена на рисунке 11.
При моделировании схемы измерительного канала используются идеализированные элементы. Поэтому погрешность измерительного канала определяется только разрядностью 8-ми битного АЦП, которая равна:
[LATEX_FORMULA]\delta_{\text{АЦП}}=\frac{1}{2^m}*100\%=\frac{1}{2^8}*100\%=0,39\%[/LATEX_FORMULA]
Осциллограммы с выхода функционального генератора (красный цвет) и с выхода ЦАП (зеленый зеленый)
Осциллограммы сигнала с выхода усилителя (красный цвет) и с выхода ЦАП (зеленый цвет)
На рисунке 12 красным цветом показан сигнал функционального генератора, который состоит из постоянной и переменной составляющей. Зеленным цветом показан сигнал с выхода ЦАП. Сигнал с выхода ЦАП является переменной составляющей.На рисунке 13 красным цветом показан сигнал с выхода усилителя. Выходной сигнал с усилителя – это усиленная выделенная переменная составляющая. Зеленным цветом показан сигнал с выхода ЦАП.
Схема измерительного канала измерения тока
Преобразование тока в напряжение реализовано на резистивном датчике тока и дифференциальном усилителе, построенном на операционном усилителе.
На рисунке 14 красным цветом показан сигнал с токосъемного резистора. Зеленым цветом показан сигнал с выхода ЦАП.
Осциллограммы сигналов с токосъемного резистора (красный) и с выхода ЦАП (зеленый)
Погрешность, вносимая токосъемным резистором, может быть оценена следующим образом:
[LATEX_FORMULA]\delta_{\text{тс}}=\frac{R_{\text{тс}}}{R_{\text{Н}}}*100\%=\frac{0,01}{10}*100\%=0,1\%[/LATEX_FORMULA]
Погрешность АЦП определяется только его разрядностью, т.к. АЦП при моделировании идеализированный, поэтому:
[LATEX_FORMULA]\delta_{\text{АЦП}}=\frac{1}{2^m}*100\%=\frac{1}{2^8}*100\%=0,39\%[/LATEX_FORMULA]
Тогда суммарная погрешность измерительного канала составит:
[LATEX_FORMULA]\sqrt{\delta_{\text{ТС}}^2+\delta_{\text{АЦП}}^2}=\sqrt{0,1^2+0,39^2}=0,4\%[/LATEX_FORMULA]
4. Разработка узлов принципиальной схемы системы
В нашем случае должно быть не менее 19 линий ввода-вывода. Это необходимо для включения всех периферийных устройств. Необходимо, чтобы микроконтроллер имел 6 каналов АЦП по 12 бит и один ЦАП. Для этих целей выбран микроконтроллер C8051F021. Для добавления интерфейса USB в различные приборы, построенные на базе микроконтроллеров и не имеющих интерфейса USB, а также для обновления уже существующих приборов, требующих перехода на современный интерфейс USB, выбран CP2102-GMR двунаправленные преобразователи интерфейсов UART <=> USB (мосты)
[11]В качестве индикатора взят [12]Аттенюатор построен на резисторах с допуском 0,1%. Датчик тока построен на токосъемном резисторе, который преобразует ток в напряжение. Выбран пассивный ФВЧ 1-го порядка, построенный на резисторе и конденсаторе.
Электрическая принципиальная схема блока нагрузок
По принципу работы это – источник тока, управляемый напряжением (ИТУН) (рис. 15).
5. Заключение
В данной работе представлены результаты разработки автоматизированной системы измерения параметров источников электропитания. Произведен обзор аналогов. Сделан вывод обзора автоматизированных систем. Учтены их достоинства и недостатки. Построены структурная схемы стенда. На основании выбранной структурной схемы построена функциональная схема. Рассчитаны системные параметры функциональной схемы. Выявлена допустимая погрешность и разрядность АЦП. Выполнено моделирование измерительных каналов стенда измерения параметров источников электропитания и непрерывного компенсационного стабилизатора напряжения. На основании функциональной схемы построена принципиальная электрическая схема. Разработаны узлы принципиальной схемы. Максимальная результирующей погрешность измерительных каналов составила 0,4%. В качестве микропроцессорной системы выбран микроконтроллер C8051F021 с разрядностью АЦП равной 12.
Для дальнейшего развития работы по созданию автоматизированного стенда измерения параметров источников электропитания рекомендуется сосредоточиться на нескольких ключевых аспектах. Во-первых, необходимо совершенствовать архитектуру измерительной системы с целью повышения точности и надежности измерений. Это может быть достигнуто за счет использования более современных компонентных баз, таких как высокоточные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, а также оптимизации программного обеспечения для минимизации возможных погрешностей. Во-вторых, рекомендуется рассмотреть возможность расширения функционала стенда путем добавления новых модулей и возможностей, таких как диагностика дополнительных параметров источников питания или интеграция с системами автоматизированного тестирования. Это позволит сделать стенд более универсальным и востребованным в различных областях применения.
Также важным аспектом является улучшение пользовательского интерфейса
[13]
Наконец, для обеспечения конкурентоспособности и снижения затрат на производство стенда рекомендуется оптимизировать процесс разработки и производства аппаратных компонентов, а также рассмотреть возможность использования стандартных модульных решений, что позволит сократить время и расходы на разработку и производство стендов.