一种脉冲电源数据采集系统

技术领域

本发明属于脉冲电源技术领域，具体涉及一种脉冲电源数据采集系统。

背景技术

目前，电镀已广泛应用于印刷电路板、芯片封装、光电子器件，以及某些武器的关键零部件的表面防腐处理，要求镀层致密性好、表面缺陷少。在现有的制备方法中，脉冲电镀，包括单向脉冲和周期换向脉冲电镀，是获得高质量镀层常用且高效的方法。研究发现在电镀过程中，除了电镀液以外，脉冲电源输出的电流波形参数对镀层的质量影响较大，所以脉冲电源输出电流波形的好坏直接决定镀层质量。目前，现有脉冲电镀电源系统多是面向大功率、大电流的镀金工艺，其输出的脉冲电流精度较低，最低只能到数十毫安，制备的镀金层致密性难以满足精密零件的镀金需求。现有脉冲电镀电源输出的脉冲电流精度不高的原因一般是其采用的电流传感器和AD转换芯片的精度不够高，或是参数的采集速度较慢，导致控制相对滞后。为得到足够高精度的脉冲电流，需要在高速高精度的电流传感器和AD转换芯片的基础上，设计一种高速、准确、实时性好、稳定性好的电流、电压数据采集系统。

发明内容

为了解决现有脉冲电镀电源中脉冲电流精度不高、稳定性较差的问题，本发明提供了一种脉冲电源数据采集系统。本发明实现对脉冲电镀电源中电流和电压的高速、高精度采集。

本发明通过下述技术方案实现：

一种脉冲电源数据采集系统，包括电压采集电路、电流采集电路和控制器；

其中，所述电压采集电路包括隔离放大电路、第一电压跟随电路和第一AD转换电路；

所述电流采集电路包括第二电压跟随电路和第二AD转换电路；

所述脉冲电源中检测点处的电压信号输入到所述隔离放大电路中消除共模电压并进行隔离；经所述隔离放大电路处理后的信号通过所述第一电压跟随电路滤波后，经所述第一AD转换电路转换为数字信号输入到所述控制器中；

所述脉冲电源产生的脉冲电流通过电流传感器检测输出电压信号，所述电流传感器输出的电压信号输入到所述第二电压跟随电路滤波后，经所述第二AD转换电路转换为数字信号输入到所述控制器中。

优选的，本发明的隔离放大电路包括隔离放大器U3、输入端滤波模块、输出端滤波模块；

电压信号输入到所述隔离放大电路后经所述输入端滤波模块进行滤波处理后，进入所述隔离放大器U3的输入端；

所述隔离放大器U3的输出端输出信号经所述输出端滤波模块进行滤波后输出。

优选的，本发明的输入端滤波模块包括滤波电阻R8、二极管D5和滤波电容C51；

所述滤波电容C51和所述二极管D5并联连接在所述滤波电阻R8的一端和电源端之间；所述滤波电阻R8的另一端与所述隔离放大器U3的输入端连接；所述滤波电容C51、所述二极管D5和所述滤波电阻R8的公共连接端作为所述隔离放大电路的输入端。

优选的，本发明的输出端滤波模块包括滤波电阻R9、滤波电阻R10、二极管D6和滤波电容C52；

所述隔离放大器U3的输出端与所述滤波电阻R10的一端连接，所述滤波电阻R10的另一端作为所述隔离放大电路的输出端并与滤波电阻R9的一端连接，所述滤波电阻R9的另一端接地；

所述滤波电容C52和所述二极管D6并联连接在所述隔离放大器U3的输出端和地之间。

优选的，本发明的第一电压跟随电路和第二电压跟随电路的电路结构相同，包括放大器U4、输入滤波模块和输出滤波模块；

所述电压跟随电路的输入信号经所述输入滤波模块滤波后输入到所述放大器U4中，所述放大器U4的输出端输出的信号经所述输出滤波模块滤波后输出。

优选的，本发明的输入滤波模块包括滤波电阻R11、二极管D7和滤波电容C58；

所述滤波电阻R11的一端作为所述电压跟随电路的信号输入端，所述滤波电阻R11的另一端与所述放大器U4的输入端连接；

所述二极管D7和滤波电容C58并联连接在所述放大器U4的输入端与地之间。

优选的，本发明的输出滤波模块包括滤波电阻R12和滤波电容C61；

所述滤波电阻R12的一端与所述放大器U4的输出端连接，所述滤波电阻R12的另一端与所述滤波电容C61的一端连接，所述滤波电容C61的另一端接地；

所述滤波电阻R12和所述滤波电容C61的公共连接端作为所述电压跟随电路的信号输出端。

优选的，本发明的第一AD转换电路和第二AD转换电路的电路结构相同，包括AD转换芯片U5和滤波电容C62；

所述电压跟随电路输出的信号经所述滤波电容C62滤波后，输入到所述AD转换芯片U5中，所述AD转换芯片U5将输入的模拟信号转换为数字信号后通过SDO引脚输入到所述控制器中。

优选的，本发明的控制器基于FPGA实现，所述AD转换芯片采用AD7895。本发明以FPGA为控制核心，并采用精度高、采集速率快的AD7985构建了脉冲电源的采集系统，实现了对电流和电压高速、高精度采集。

优选的，本发明的控制器对所述第一转换电路和第二AD转换电路进行控制。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明可以实现脉冲电源中电流和电压的实时、高速采集；

2、本发明以FPGA为控制核心，并采用高采样率、高精度的AD转换芯片以及相关滤波隔离电路使得采集的电流、电压参数精度较高。

3、本发明可以同时实现多路电流和多路电压的采集，且应用范围广，能够应用于任意高速高精度的采样中。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的数据采集系统原理框图。

图2为本发明的隔离放大电路原理图。

图3为本发明的电压跟随电路原理图。

图4为本发明的AD转换电路原理图。

图5为本发明的AD7985芯片数据转换流程示意图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例提出了一种脉冲电源数据采集系统，实现对脉冲电镀电源中电流和电压的高速、高精度采集。

本实施例的数据采集系统如图1所示，该数据采集系统可以同时采集电流和电压参数。主要包括电压采集电路、电流采集电路和控制器，电压采集电路主要由隔离放大电路、第一电压跟随电路和第一AD转换电路构成，电流采集电路主要由第二电压跟随电路和第二AD转换电路构成。

电压采集电路的工作原理为：脉冲电源中检测点的电压信号进入隔离放大电路中消除共模电压并进行隔离，再通过电压跟随电路滤波后，进行AD模数转换输入控制器中。电流采集电路的原理为：当脉冲产生电路产生的脉冲电流流过霍尔传感器，感应电流转化为电压信号，然后经过电压跟随电路进入AD转换电路进行模数转换后输入到控制器中。

本实施例的控制器基于FPGA实现，利用FPGA产生时序来控制AD转换电路(采用AD7985芯片)将模拟信号进行模数转换为数字信号后串行发送输入到FPGA中，其中AD7985是一款快速、低功耗、单电源、精密16位、最大吞吐速率2.5MSPS的逐次逼近型模数转换器。

如图2所示，本实施例的隔离放大电路主要包括输入端滤波模块(主要由滤波电阻R8、二极管D5和滤波电容C51构成)、隔离放大器U3(ISO124)和输出端滤波模块(主要由滤波电阻R9、滤波电阻R10、二极管D6和滤波电容C52构成)。脉冲电源主电路中检测点处的模拟电压信号进入隔离放大电路后经过输入端滤波模块进行滤波，作用是减少杂波干扰，然后信号进入隔离放大器U3的输入端，模拟电压信号从隔离放大器U3的输出端输出后经输出端滤波模块进行滤波后输出到第一电压跟随电路中。本实施例的隔离放大电路的作用是防止数据采集元件收到潜在的破坏性电压的影响，同时消除高共模电压，提高检测精度。

如图2所示，滤波电容C51和二极管D5并联连接在滤波电阻R8的一端和电源端之间；滤波电阻R8的另一端与隔离放大器U3的输入端连接；滤波电容C51、二极管D5和滤波电阻R8的公共连接端作为隔离放大电路的输入端。隔离放大器U3的输出端与滤波电阻R10的一端连接，滤波电阻R10的另一端作为隔离放大电路的输出端并与滤波电阻R9的一端连接，滤波电阻R9的另一端接地；滤波电容C52和二极管D6并联连接在隔离放大器U3的输出端和地之间。

本实施例的第一电压跟随电路和第二电压跟随电路的电路结构相同，具体如图3所示，本实施例的电压跟随电路主要包括放大器U4、输入滤波模块(主要由滤波电阻R11、二极管D7和滤波电容C58构成)和输出滤波模块(主要由滤波电阻R12和滤波电容C61构成)。

在电压采集电路中，由隔离放大电路输出的模拟电压信号输入电压跟随电路，在电流采集电路中，通过霍尔传感器检测脉冲电源产生的脉冲电流信号，将霍尔传感器输出的模拟电压信号输入电压跟随电路；之后由输入滤波模块进行滤波处理，然后进入放大器U4的输入端，由放大器U4的输出端输出的信号经输出滤波模块进行滤波处理后，输出到AD转换电路中。本实施例的电压跟随电路用来隔离输入端与输出端，提高信号的精度，同时还可以调整信号的大小用于适应于AD转换芯片的输入范围，例如实施例中主电路输入电压范围为0～5V，AD转换芯片输入范围为0～5V，则电压跟随电路中的放大器U4放大倍数为1。

具体如图3所示，本实施例中，滤波电阻R11的一端作为电压跟随电路的信号输入端，滤波电阻R11的另一端与放大器U4的输入端连接；二极管D7和滤波电容C58并联连接在放大器U4的输入端与地之间；滤波电阻R12的一端与放大器U4的输出端连接，滤波电阻R12的另一端与滤波电容C61的一端连接，滤波电容C61的另一端接地；滤波电阻R12和滤波电容C61的公共连接端作为电压跟随电路的信号输出端。

本实施例的第一AD转换电路和第二AD转换电路的电路结构相同，如图4所示，本实施例的AD转换电路主要包括AD转换芯片U5和滤波电容C62。

电压跟随电路输出的信号经滤波电容C62滤波后，输入到AD转换芯片U5中，AD转换芯片U5将输入的模拟信号转换为数字信号后通过SDO引脚输入到控制器(FPGA)中进行下一步处理。

本实施例中通过FPGA控制AD7985芯片实现模数转换，其转换原理如图5所示，在完成初始化后，AD7985进入转换阶段。在转换阶段，SDO为高阻态，没有输出。AD7985设定的转换阶段需要持续300ns，如果持续时间少于300ns，转换阶段可能无法完成，需要重新转换。完成转换后，AD7985进入采集阶段。在采集阶段，FPGA从AD7985逐位采集16位数据。AD7985所设定的采集阶段至少需要持续640ns，如果采集阶段的持续时间小于640ns，可能会导致数据采集异常，需要将寄存器清零后退出采集并反馈异常。为提高数据的可靠性，本设计取30次采样的平均值作为实际值。采集完一次数据后，FPGA判断是否完成30次采样，若未完成，则累加寄存器并重新进入转换阶段继续采样；若已完成，则取平均值后清空寄存器。本逻辑设计适用于电流和电压的采集。

本实施例的数据采集系统可通过FPGA连接至少两路电流采集电路和至少两路电压采集电路，以实现至少两路电流和电压的同时采集。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。