電容器間歇性測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制

摘 要：本文提出了基于FPGA的多通道電容器間歇性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，闡述了大容量電容器間歇性測(cè)試的原理和軟硬件的具體實(shí)現(xiàn)方案，該方案的成功應(yīng)用將滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)在大容量電容器間歇性檢測(cè)方面的需求。

關(guān)鍵詞：FPGA；間歇性；電容器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 02-0000-01

電容器是電子設(shè)備中不可或缺的器件之一，其安全性和可靠性是影響電子設(shè)備成功與否的關(guān)鍵性因素。根據(jù)GJB972A-2002、GJB191A-1997等國(guó)軍標(biāo)關(guān)于在沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)中，有質(zhì)量隱患的電容器將會(huì)出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間大于或等于0.5ms的瞬態(tài)開(kāi)路和瞬態(tài)短路現(xiàn)象。目前，國(guó)內(nèi)可檢測(cè)的電容器間歇性測(cè)試的儀器最大可測(cè)量范圍為10，000μF；國(guó)外在該方面的檢測(cè)設(shè)備，已知的5330A電容器間歇性測(cè)試設(shè)備可檢測(cè)的電容器最大容量為1000μF，并且已對(duì)該類(lèi)儀器實(shí)施了禁運(yùn)，購(gòu)買(mǎi)不到大容量電容器的檢測(cè)設(shè)備。而當(dāng)前電容器生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的電容器容量可達(dá)54，000μF。針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備可測(cè)試電容器容量范圍難以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)當(dāng)前的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的電容器間歇性測(cè)試系統(tǒng)，適用于軍用電容器生產(chǎn)單位在對(duì)各類(lèi)電容器做高、低頻振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試其有無(wú)間歇開(kāi)路、間歇短路等故障狀態(tài)，驗(yàn)證其在實(shí)際工作環(huán)境時(shí)的可靠性，從而有針對(duì)性的對(duì)電容器質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，該儀器將廣泛應(yīng)用于電容器生產(chǎn)廠商和各大檢測(cè)機(jī)構(gòu)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

一、工作原理

根據(jù)電容器的自身特性，采用直流信號(hào)進(jìn)行電容器的短路檢測(cè)，高頻交流信號(hào)進(jìn)行電容器的開(kāi)路檢測(cè)，單獨(dú)一種信號(hào)無(wú)法對(duì)電容器的間歇狀態(tài)進(jìn)行判斷，所以必須采用交直流信號(hào)疊加的模式檢測(cè)。電容器間歇性測(cè)試系統(tǒng)主要包括：直流電源，高頻信號(hào)發(fā)生器，耦合變壓器，檢測(cè)模塊組成，如圖1所示。

圖1 電容器間歇性測(cè)試系統(tǒng)方框圖

直流電源：為樣品電容器提供直流偏置電壓，樣品電容器對(duì)直流電壓為開(kāi)路，當(dāng)樣品電容器出現(xiàn)瞬態(tài)短路現(xiàn)象，短路檢測(cè)模塊檢測(cè)到的樣品電容器兩端電壓也會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)掉電壓，根據(jù)電壓的變化趨勢(shì)判斷樣品電容器是否出現(xiàn)瞬態(tài)短路現(xiàn)象。

高頻信號(hào)發(fā)生器：本設(shè)計(jì)中采用可以產(chǎn)生頻率不低于100KHz，同時(shí)可驅(qū)動(dòng)12個(gè)通道測(cè)試回路的信號(hào)發(fā)生器作為該系統(tǒng)的信號(hào)源。

電容器的瞬態(tài)短路是一個(gè)瞬間放電和充電的過(guò)程，對(duì)于短路間歇時(shí)間的判定，由于電容器充電的過(guò)程與限流電阻有關(guān)，不能作為判定的條件，因此間歇短路時(shí)間只能以瞬間掉電壓的時(shí)間來(lái)計(jì)算，當(dāng)時(shí)間超過(guò)0.5ms可判定電容器出現(xiàn)瞬態(tài)短路。

通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生高頻信號(hào)，通過(guò)耦合變壓器一次耦合到測(cè)試回路中，并通過(guò)耦合變壓器二次耦合，用于系統(tǒng)的開(kāi)路檢測(cè)；當(dāng)出現(xiàn)樣品電容器出現(xiàn)瞬態(tài)開(kāi)路現(xiàn)象，測(cè)試回路斷開(kāi)，當(dāng)時(shí)間超過(guò)0.5ms，提示開(kāi)路并報(bào)警。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）開(kāi)路檢測(cè)接口設(shè)計(jì)

檢測(cè)樣品電容器開(kāi)路采用高速脈沖計(jì)數(shù)法，由于耦合變壓器二次耦合過(guò)來(lái)的信號(hào)是高頻交流信號(hào)，需要通過(guò)比較器將高頻交流信號(hào)整形成FPGA可識(shí)別的方波信號(hào)，并將整形后的信號(hào)送入FPGA中進(jìn)行采樣處理。

當(dāng)接入樣品電容器，在正常測(cè)試過(guò)程中，比較器電路輸出的電平信號(hào)為方波信號(hào)。當(dāng)FPGA檢測(cè)到方波信號(hào)為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)寄存器加1，檢測(cè)到方波信號(hào)為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)出現(xiàn)間歇性開(kāi)路時(shí)，樣品電容器測(cè)試回路斷開(kāi)，比較器輸出由于上拉電阻的緣故，輸出將持續(xù)為高電平。采用高時(shí)鐘頻率的基準(zhǔn)時(shí)鐘源對(duì)方波電平信號(hào)采樣，當(dāng)開(kāi)路檢測(cè)寄存器的數(shù)值超過(guò)500（對(duì)應(yīng)的時(shí)間為0.5ms），提示開(kāi)路，并報(bào)警。

（二）短路檢測(cè)接口設(shè)計(jì)

短路檢測(cè)模塊中采用4片AD7924構(gòu)成12路的檢測(cè)通道，用于檢測(cè)樣品電容器在短路瞬態(tài)過(guò)程中的電壓變化。

在短路檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中，由于需要檢測(cè)電容器的容量較大，充電時(shí)間較長(zhǎng)（和直流電源的輸出電流有關(guān)），需要等待電容器充電飽和后開(kāi)始測(cè)試。在檢測(cè)過(guò)程中，需要對(duì)AD7924采樣到的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)電壓值下降到某一個(gè)限定范圍，判斷樣品電容器出現(xiàn)瞬態(tài)短路，計(jì)數(shù)寄存器開(kāi)始進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)樣品兩端的電壓處于一個(gè)持續(xù)下降的過(guò)程，并且計(jì)數(shù)寄存器數(shù)值超過(guò)0.5ms，提示短路并報(bào)警。

電容器的瞬態(tài)短路分為放電過(guò)程和充電過(guò)程，可通過(guò)信號(hào)發(fā)生器模擬電容器瞬態(tài)短路波形，采用三角模擬電容器的放電和充電過(guò)程。當(dāng)輸入三角波信號(hào)的頻率小于1KHz，采用1MHz時(shí)鐘基準(zhǔn)源，在三角波的下降過(guò)程計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，在上升過(guò)程清零計(jì)數(shù)器。只要計(jì)數(shù)數(shù)值超過(guò)500（對(duì)應(yīng)時(shí)間為0.5ms），提示樣品瞬態(tài)短路。

三、結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)品檢測(cè)是生產(chǎn)廠商在設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是檢測(cè)產(chǎn)品性能、質(zhì)量與安全的必要手段。本文提出了采用FPGA作為主要核心模塊的電容器間歇性測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并將該方案運(yùn)用于實(shí)際應(yīng)用中。該方案的成功應(yīng)用，可以解決當(dāng)前國(guó)內(nèi)在大容量間歇性測(cè)試方面缺少專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備的現(xiàn)狀，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]王冠，俞一鳴.面向CPLD/FPGA的verilog設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]GJB972A-2002，有或無(wú)可靠性指標(biāo)的塑料膜介[S].

[4]GJB 191A-1997，有可靠性指標(biāo)的云母固定電容器總規(guī)范[S].

[作者簡(jiǎn)介]蘇良河，男，福建泉州人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所，工程師，研究生，研究方向：儀器開(kāi)發(fā)。