一种模拟电路动态电源电流信号测量电路设计与实验验证*

张 克 贺 国,2 张超杰

(1.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)(2.海军工程大学管理工程系 武汉 430033)

一种模拟电路动态电源电流信号测量电路设计与实验验证*

张 克1贺 国1,2张超杰1

(1.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)(2.海军工程大学管理工程系 武汉 430033)

集成电路技术的飞速发展导致电路的可测量信号越来越少,对电路的故障诊断带来巨大挑战。动态电源电流(IDDT)测试是传统电压测试方法的有效补充,为电路故障诊断提供了新的、不破坏被测电路的测试手段。针对模拟电路IDDT信号幅值小、变化快、易被噪声干扰等特点,提出了一种以三运放仪表放大结构为主体、能有效克服高频噪声干扰的片外IDDT测量电路设计方法,并利用实验验证了设计电路的有效性。被测电路采用Sallen-key滤波器,设计的实验电路板可以方便地模拟其常见故障类型,利用所设计的IDDT测量电路进行信号测量,并与示波器直接测量的信号进行对比,证明了所设计测量电路的有效性。

动态电源电流; 测量电路; 故障模式; 模拟电路

Class Number TN86

1 引言

随着集成电路技术的飞速发展,电路的集成度不断提高,对电路测试的要求也越来越高,但电路的可测信号却越来越少,甚至只有输出电压信号可测。20世纪90年代,美国学者提出了动态电源电流测试(IDDT)的概念[1],试图通过观察和分析电路在其内部状态变化时所产生的动态电流,来发现某些不能被其他测试方法发现的故障,作为对传统的基于电压测试方法的有效补充,其优势逐步受到学术界和工业界的研究和关注。IDDT测试过程包含信号测量和信号处理两个方面[2]。高性能的信号测量电路是实现电路故障诊断的基础,也对IDDT测试的硬件提出了更高要求。国内外学者在模拟电路的IDDT信号测量领域开展了大量研究工作[3～5],概括起来可以分为两类。一类针对集成芯片的片上测试,把测量电路设计到被测电路中,这种方式比较容易获得IDDT信息,但会改变原有电路的结构[5～6]。另外一种是片外式的测量电路,可以在不破坏被测电路结构的前提下获取IDDT信号[7～8]。与数字电路相比,模拟电路的IDDT信号有很大的不同,比如幅值、频率等方面,所以对测量电路的要求也有很大不同；IDDT信号较弱,且频率特性与被测电路本身的固有频率特性存在很大差别,这些都对模拟电路的IDDT测量方法提出了更高的要求。本文针对模拟电路的故障诊断需求,设计了一种IDDT信号测量电路,并利用Sallen-key滤波器作为被测电路,通过实验测量了正常模式和故障模式下的IDDT信号波形,验证了本文设计电路的有效性,为实现电路的故障诊断奠定基础。

2 IDDT信号测量电路设计

2.1 电流信号转换为电压信号

IDDT信号测量的基本原理如图1所示,在被测电路与电源端串接一个精度达到万分之一的电阻RT。当被测电路正常工作时,电源电流流过电阻RT并产生压降(由于RT阻值足够小,产生的压降并不影响被测电路的正常工作)；当被测电路出现故障时,会使电源电流产生微小的波动,这种电流的波动变化可以通过电阻RT两端的压降体现出来。通过RT将电源电流信号转化成了微小的电压信号,再进入后续测量电路进行进一步处理。

2.2 仪表放大电路及其应用

由于IDDT信号通常较小,图1中RT得到电压信号一般是毫伏级的微弱信号,容易受到环境噪声影响,导致有用信号被噪声埋没,为此,采用图2所示的仪表放大电路对RT两端的电压信号进行放大,同时提高电路的信噪比。图2中,仪表放大电路主要由两级差分放大器电路构成,为三运放仪表放大电路[10]。其中,运放U1,U2为同相差分输入方式,该输入方式可以大幅度提高电路的输入阻抗,这样可以使得对IDDT信号的衰减变小；差分输入使差模信号(有用信号)按照增益比例放大,而对共模输入信号(噪声干扰信号)只起跟随作用,这样差模信号与共模信号之比就变大(共模抑制比CMMR得到提高)。在以运放U3为核心部件组成的差分放大电路中,增加可调电阻Rg,在共模抑制比要求不变情况下,可明显降低电路对电阻R3和R4,Rf和R5的精度匹配要求,从而使该电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2,R3=R4,Rf=R5的条件下,图2电路的增益Au为:

(1)

由式(1)可见,电路增益的调节可以通过改变Rg阻值得到。仪表放大结构具有高增益、直流耦合的特点,它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比、低噪声、低线性误差、低失调电压和失调电压漂移、低输入偏置电流和失调电流误差等优势。

仪表放大电路有分立式和单片式两种类型。分立式是由三个运放以及相关电阻搭建而成的,此类型仪表放大器对分立的元器件精度要求高,只有元器件参数高度匹配情况下才能正常发挥出仪表放大器的性能,而这样的要求在实际实现过程中往往存在较大的难度。而单片式仪表放大电路是由专业厂家经过高精度工艺把相关元器件集成在单个芯片上,与分立式的仪表放大器相比,单片式的仪表放大电路集成度高,内部元器件匹配度高,能够更好地克服环境影响,从而得到受噪声干扰较小的波形信号。在本文实验中,根据待测电路IDDT信号的特点,选取单片式仪表放大器INA110实现测量信号的仪表放大功能。INA110的,内部结构原理如图3所示。

INA110是一款多功能的单片FET输入仪表放大器,其电流反馈电路拓扑和激光调整输入级提供了出色的动态测试测试能力和高精度,低增益漂移为10ppm/℃～50ppm/℃,低失调漂移为2μV/℃,具有非常高的输入阻抗和低输入偏置电流。正常工作时用±15V电源供电,内部设置了增益电阻,用于实现1、10、100、200、500的增益调整。在10倍增益时瞬态响应建立时间为10μs,而且10倍增益的最大共模抑制比可达110dB,使其成为理想高速数据采集系统的选择,因此能有效提取IDDT信号波形。设计信号测量电路如图4所示,芯片电源端用1μF的钽电容滤波,且尽可能靠近芯片电源脚放置。为避免外电路引入的增益和CMMR误差,应确保最小接地电阻。信号测量电路对动态电源电流信号进行信号调理后,送入测量计算机的高速数据采集卡完成数据采集。

2.3 减小电路高频噪声干扰

所有仪表放大器都会对带外小信号进行整流。这种干扰可能会表现为较小的直流电压失调。因此需要更具鲁棒性的滤波器。高频信号可以通过仪表放大器输入端的低通RC网络滤除,如图4所示,增加两个电阻R取200Ω,两个电容CC取100pF,Cd取1nF,组成的低通滤波器的带宽在50kHz左右。

滤波器由以下关系式对输入信号加以限制,FilterFreq表示滤波器:

(2)

(3)

其中Cd≥10CC,Cd影响差模信号。CC影响共模信号。R×CC的任何不匹配均会降低INA110的共模抑制比性能。为了避免无意中降低共模抑制比带宽性能,需确保CC比Cd至少小一个数量级。Cd/CC值越大,不匹配CC的影响越小。

3 实验设计

3.1 被测电路设计

被测电路选用Sallen-key滤波器,图5是其电路原理图。它是带通滤波器,中心频率是25kHz,各元器件的标称参数值示于图5中。

实验时利用Tektronix AFG3021B型任意波形/函数发生器产生幅值为±4V、频率为25kHz的正弦波激励信号,输入到被测滤波器电路的输入端作为激励信号,在该信号激励下,电路中的元器件处于过渡状态,元器件的故障在测量的瞬态电流信号中以波形的形式反映出来。测试时在电路供电电源端串接阻值为10Ω的电阻RT,RT选用万分之一精度电阻,用测量电路测取RT端的电压信号。动态电源电流值等于瞬态输出电压值除以RT,采样周期为40μs,相当于5个激励信号周期,共采集到5000个数据点。实验时信号测量电路增益设置为10。

被测电路的故障模拟电路如图5所示,3端跨接端子分别用于模拟R1的故障。实验时只考虑对电路性能影响较大的元器件,可以利用OrCAD仿真软件进行灵敏度分析得到,运放LM741是集成电路,可靠性较高不容易出现故障,通过仿真分析,对Sallen-key滤波器性能影响较大的分别是R1、R4、C1、C2。由于篇幅所限,本文仅对R1的故障模式进行分析,设F0表示电路无故障,F1表示R1阻值减小的电路故障,F2表示R1阻值变大的电路故障。跨接端子P1用于模拟R1的故障,当短路跨接片安装在1脚和2脚之间时,1-2脚间电阻为零,输出电阻等于R1的值,相当于R1处于无故障状态F0；当短路跨接片安装于2脚和3脚之间时,2-3脚间电阻为零,总电阻相当于R1阻值减小的故障F1；当不安装跨接片时,总电阻相当于R1阻值增大的故障F2。其余故障的故障模拟方法与R1的类似,通过该实验电路板可以方便地模拟R1、R4、C1、C2的故障类型,从而测取相应的实验数据。

由于Sallen-key滤波器采用双电源供电,可以测到两个动态电源电流信号,分别是正供电电源端的电源电流信号、负供电电源端的电源电流信号,分别记为正电源电流信号和负电源电流信号。

3.2 测量电路有效性验证

首先验证信号测量电路是否有效。在被测电路处于正常状态下,向被测电路施加幅值为±4V、频率为25kHz的正弦波激励信号,利用本文设计的IDDT信号测量电路测量正电源电流信号,如图6所示。

相同激励条件下,直接利用Tektronix TDS2022B型示波器测量RT两端的电压信号,如图7所示。

由图6与图7可以看出,采用本文设计的IDDT信号测量电路可以有效地实现动态电源电流信号的测量,且可以滤除高频干扰信号提高信噪比。

3.3 正电源电流信号分析

在幅值为±4V、频率为25kHz的正弦波激励信号作用下,利用信号测量电路分别测量被测电路无故障状态F0、故障状态F1、故障状态F2时的正电源电流信号,F0状态的测量信号见图6,F1、F2状态的测量信号分别见图8、图9。

对比图6、8、9可以看出,与电路正常状态F0相比,当发生F2故障时,正供电电源端的电源电流频率不变,但信号幅值明显减小；而当发生F1故障时,正供电电源端的电源电流信号幅值增大,同时在25kHz基频信号的基础上叠加了高频信号。因此,利用正电源电流信号可以区分电路的F0、F1、F2状态,实现电路的故障诊断。

3.4 负电源电流信号分析

图10是不安装跨接片时,R1阻值变为原来1.5倍时测得的正电源IDDT波形。

图11是跨接端子在2～3时R1阻值变为原来一半时测得的IDDT波形。

对比图10与图11同样可以看出R1在阻值变大与变小时的负供电电源端的电源电流发生了变化,R1变小时频率变低,而且此时在基频信号上又叠加了高频信号。并且通过对比图8与图11可以发现,R1阻值变为一半时,正负电源端的信号频率以及波形特征都是不同的。对比图9与图10可以发现R1变为1.5倍时正负电源IDDT信号波形在信号幅值上存在显著的区别。由此可见,被测电路在不同的电源端测得同一故障下的IDDT波形图是不同的,为故障诊断提供了更多的特征值。

4 结语

动态电源电流测试方法是对电路故障传统测试方法的补充,之前的研究学者大多采用仿真的方法得到实验数据,本文在前人的研究的基础上设计出动态电源电流信号测量电路,并通过实验验证其有效性。

运用单片式INA110仪表放大器高共模抑制比的特点,在克服环境噪声干扰的情况下实验测得Sallen-key滤波器IDDT信号,采样信号时间长度相当于5个激励信号周期,采样周期为40us,5个周期的采样时间共采集到5000个数据点,并通过与示波器直接测量出来的IDDT信号进行对比发现,信号测量电路可以有效滤除高频干扰信号,减少噪音对电源动态电流信号的影响,从而使有用信号不易被噪声所埋没,提高了测量的精度和所测信号的可靠性,实验验证了设计电路的有效性,采样时间间隔为40us。

对被测电路中的R1分别注入阻值变大故障与阻值变小故障,可以清晰的看出R1在这两种故障模式时与被测电路无故障时IDDT波形存在显著差异。从而可以判断电路是否处于故障状态。又通过实验发现,R1在阻值变小或者阻值变大故障模式下测得的正电源IDDT信号波形与负电源IDDT信号波形也是存在显著差别,正负电源端测得信号的多样性为故障诊断提供了更多的参考信息。可运用本文方法对R4、C1、C2进行IDDT信号提取,后续工作运用合适的算法计算出电路中不同元器件出现各种故障模式时的特征值,完成电路的故障诊断。

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An Analog Circuit Dynamic Power Current Signal Measuring Circuit Design and Experimental Verification

ZHANG Ke1HE Guo1,2ZHANG Chaojie1

(1. College of Power Engineering,Naval University of Engineering, Wuhan 430033)(2. Department of Management Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The rapid development of integrated circuit technology has resulted in fewer and fewer measurable signal of the circuit, brings a huge challenge to circuit fault diagnosis. Dynamic supply current (IDDT) test is an effective complement to traditional voltage test method, a new mean which does not destroy the test. For characteristics of analog circuit IDDT such as small signal amplitude, quick change, susceptible to noise interference characteristics, this paper proposes a three op-amp instrumentation amplifier structure as the main body, can effectively overcome the high frequency noise outside IDDT measurement circuit design method, and uses experiment to verify the effectiveness of the designed circuit. The Sallen-key filter circuit under test, the design of the experimental circuit board can easily simulate its common failure types, the designed IDDT signal measurement is used to measure circuit and compared with the oscilloscope direct measurement signal, the validity of the measuring circuit design is proved.

dynamic power supply current, measuring circuit, failure mode, analog circuit

2016年10月10日,

2016年11月25日

国家自然科学基金《基于动态电源电流的舰船动力监控系统模拟电路故障诊断》(编号:5150090320)资助。

张克,男,硕士研究生,研究方向:舰船动力装置自动化与仿真技术。贺国,男,教授,研究方向:舰船动力装置自动化与仿真技术。

TN86

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.024