数字万用表在电源测试行业中的应用

引言

　　随着电源技术的不断发展和创新，用户对电源的效率、性能和成本提出更高要求，而对于电源工程师们来说，在设计复杂电源的过程中，如何高效准确的验证电源性能和测试电源参数，成为工程师们满足用户需求、提高企业效益的关键所在。
目前，电源企业对开关电源的测试主要采用程控测试，由一台工业计算机和相应的测试仪器、上位机软件组合而成，这种方法不仅能够提高测试效率、降低成本，而且能够加快测试速度、提高测试准确度和精确度。因此，各大电源企业需要更高性价比、满足多种电源测试的通用测量仪器。本文是RIGOL深入多家电源企业调研后，推出的利用RIGOL数字万用表提高电源检测的解决方案，并介绍了DM3052数字万用表在国内一家知名电源企业的应用实例。

数字万用表如何实现高效测量

　　原理框图

　　RIGOL DM3000系列数字万用表在实现基本的直流电压测量时，首先根据电压大小将其衰减到A/D采样芯片的基准电压2.5V以下，然后进行采样，将结果传送到FPGA中处理，最后得到电压数值；而交流电压的测量，则是在衰减后通过专门的交流电压转换芯片转换为对应等效的直流电压，再测量这个直流电压即可得到交流电压值；测量电阻及电容时，采用恒流源充放电方法，测量压降或充电时间。此外，面向用户的操作和显示部分，则使用基于DSP的数字信号处理模块进行处理。DM3000系列数字万用表测试原理框图如图1示。

　
图1   DM3000系列数字万用表原理框图
　
图2  带共模干扰的+5V直流信号
　
图3  受干扰的200kHz交流电压信号

提高测量速度

　　通常生产线上对测试速度的要求很高，高速度意味着产品测试周期短，可以大大减小产品生产的时间成本，有利于提高生产效率。通过使用不同厂家的万用表进行测试比较， DM3052数字万用表测量速度相比同类万用表最高。

　　在程控测试中，以测量直流24V电压为例，若同一测试平台上采用中速测量，同类万用表所需要的时间为360ms，而DM3052只需要250ms。若在一个测试平台上连续测量直流电压、交流电压、频率、电阻等177个项目，并选用快速，中速或慢速三种不同的测量模式，DM3052完成这一整套测量只需要88s, 相比同类万用表时间缩短了10s左右。

　　另一方面，DM3052数字万用表特有的多量程设置，快速自动寻档功能加快了测量速度。自动化的生产检测通常用上位机软件控制一套测试平台，一方面由于设备面板具有封闭性，不允许手动操作；另一方面项目设置具有灵活性和多样性，不可能以偏盖全的在软件中设固定的手动量程，因此是否能够自动及时地寻找合适的档位非常关键。目前市场上同类产品有两个弊病：一是自动寻档速度慢，二是自动寻档超时会死机。DM3052解决了这两大问题，寻档速度超过以往同类产品，以测量直流电压3.3mV到5V为例，DM3052能够从200mV档到20V档自动寻档，到测量得到稳定的5V电压值，只需要234mS，速度远远快于同类万用表需要的640ms。

　　提高测量精度

　　对于电源企业的复杂测试需求，研发工程师经过反复试验，使 DM3052数字万用表在测量精度上具有5位半、4位半、3位半的读数精度，分别对应慢速，中速和快速等多种测量速度的需求。以在该企业的使用为例，分别采用快，中，慢三种设置测量直流48V电压，同一测试平台上所需要的时间分别为172mS、234mS、438mS，在生产线检测中，快速测量能够大大节省时间，也可用做快速变化信号的测量和分析，但存在测量读数准确度不足等问题。RIGOL DM3052数字万用表在技术上解决了这一问题，完全能够达到客户要求。以测量直流48V电压为例，快速测量和慢速测量的读数准确度分别为0.0008，0.0005，均完全达到了客户测试指标（0.004）。

　　提高测量准确性

　　DM3052数字万用表抗共模干扰能力好，提高了读数准确度。通常开关电源的底板是交流电源的地线，因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到输入端产生共模干扰，影响到标准信号的测量。比如，在测量带共模干扰的+5V直流信号时，所带的干扰在直流成分上叠加了500mV左右的交流成分，信号如图3所示，以往同类产品测得此类信号的幅值偏大。DM3052在硬件上解决了这一问题，避免了共模干扰产生的影响。

　　多种接口配置，良好的兼容性

　　DM3052有GPIB、LAN、RS232和USB Device接口，具有良好的兼容性，满足不同接口的上位机通讯控制。在测一个开关电源的信号时，测试平台需要由示波器、万用表、电子负载以及与之相连接的测试工装，程控电源等多个设备组成，这些装备由不同的通讯接口连接到上位机。这么多的测试设备是否能正常工作，关键之一在于通讯接口卡的兼容性。目前工业控制设备大部分还是沿用世纪初的GPIB接口。对于这个接口，市场上大多万用表存在自身GPIB接口卡与平台主机兼容性不好的问题，使万用表和其他GPIB设备共用同一台工控机上的总线资源会发生冲突，DM3052在兼容性上解决了这一问题，经过与NI、ADLINK各厂家GPIB卡兼容性测试，无一冲突的通过了开关电源生产线不同平台上的现场测试。

　　精简的命令协议，兼容通用标准协议

　　DM3052具有自主研发、配套的精简命令协议，并兼容通用标准的SCPI命令协议和FLUKE公司的命令协议。目前，工业控制快速发展对开关电源产品设计验证和功能测试提出了更为严格的要求，因此整个生产线上测试设备的更新和自动化测试平台的软件升级，都已成为各个厂家亟待解决的问题，同时厂家更加担心一旦设备更新后，软件不能快速升级，将会导致生产停滞，严重影响企业生产效益。面对这些问题， DM3052命令协议的全面兼容性可以大大减少上位机软件的更改，同时方便软件进行快速升级，加快检测设备更新换代的速度。

　　另一方面，DM3052还具有与各种功能相对应的命令集，合理的命令设置可以提高读数准确度。例如，测量200kHz信号的频率时，如图4所示，由于该信号受到外部干扰导致幅度减小，阈值设置过高信号不完整。为了准确测量该信号的频率，需要调整量程电压值决定的阈值设置，在硬件上改变比较复杂。RIGOL DM3052能够通过命令集迅速解决，将所有测频命令从“:FREQ？”改成“:FREQ？MID,MIN”，量程档位设成最小200mV,这样电压阈值就能很方便的重新设置，从而准确的测量信号频率。由此可见，适合的命令集是自动化测试中必不可少的一环。

高可靠性、高稳定性

　　在稳定性方面，产品经历了由不成熟到成熟的过程，在此过程中，高精度和稳定性常常是一对矛盾，为解决这个问题，工程师在开发过程中对硬件部分作了多次改进，并且给出了相应的指标范围，基本上可以满足大部分工业客户的需求，产品通过了中国航天科技集团第五研究院等多家计量单位的计量。