一种电压和波形测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及测试领域，具体涉及一种电压和波形测量装置。


背景技术：

2.在对电子产品进行带电检测时，对电压与波形的检测占据了极大的比重，也是衡量产品性能是否合格的一个极其重要的标准。目前市面上对电压和波形测试普遍采用人工仪表检测的方式或者开发专用测试设备测试的方式。人工仪表检测的方式需要消耗测试人员大量的时间，也需要购买价格昂贵的测试仪表；开发专用测试设备测试方式需要投入开发成本以及时间。人工仪表检测方式的检测效率低下，不适合大批量板卡的测试；开发专用测试设备测试方式需要投入开发成本以及时间，而且其通用性较差，适用范围窄。因而设计一种方便快速、自动化、适用范围广的电压和波形测量模块来测试产品的电压和波形是非常有意义的。


技术实现要素：

3.鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本实用新型实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种电压和波形测量装置，具体方案如下：
4.一种电压和波形测量装置，其特征在于，所述测量装置包括测试底板以及安装于测试底板上的电压测量板和波形测量板，其中，所述电压测量板包括电压信号输入单元、电压信号调理单元、a/d转换单元、第一可编程控制器和第一数据通信单元，所述电压信号输入单元、电压信号调理单元、a/d 转换单元、第一可编程控制器和第一数据通信单元依次电连接；所述波形测量板包括波形信号输入单元、波形信号调理单元、波形整形单元、第二可编程控制器和第二数据通信单元，所述波形信号输入单元、波形信号调理单元、波形整形单元、第二可编程控制器和第二数据通信单元依次电连接；所述测试底板包括测试电压输入接口、波形信号输入接口以及两个485通信接口，所述测试电压输入接口与所述电压信号输入单元电连接，所述波形信号输入接口与所述波形信号输入单元电连接，两个所述485通信接口分别与第一数据通信单元和第二数据通信单元电连接。
5.其中，所述电压信号输入单元用于将电压信号接入测量模块。测量时，待测电压信号通过导线直接接入测试底板上的测试电压输入接口座子。本实用新型适用于电压信号低于40v的应用测试场合，底板上的测试电压输入接口座子一共有12个接线端口，一共可以同时接入6组电压(电压正极与负极各用一个端子接入)。
6.所述电压信号调理单元用于对输入的电压信号进行缩小调理，方便后级的a/d转换单元进行处理，防止电压过大损坏后级电路或者超过a/d转换单元最大量程，本实用新型统一进行1/20缩小处理，即将输入电压减小为原大小的1/20，本实用新型统最大量程为40v，进行调理之后输入后级测量单元的最大电压为2v。
7.所述a/d转换单元的作用是将模拟电压信号转换为数字信号，供第一可编程控制器对数字信号进行处理，就可以计算得到电压的幅值大小。
8.所述第一可编程控制器用于对a/d转换单元一级数据通信单元的控制；包括控制ad芯片进行模数转换，读取电压测试结果；控制第一数据通信单元，将电压测试结果上传至pc上位机软件进行显示。
9.所述第一数据通信单元用于将测量数据上传至pc上位机软件，本实用新型是通过rs485标准通信接口实现的，只需要测试底板外接一个usb转485转换器，就可以实现测量模块与pc机的数据传输。
10.所述波形信号输入单元用于将波形信号接入测量模块，测量时，待测电压信号通过射频连接导线直接接入测试底板上的波形信号输入接口座子，本实用新型适用于波形信号频率低于1mhz的应用测试场合，测试底板上的波形信号输入接口座子一共有12个接线端口，一共可以同时接入6组波形。
11.所述波形信号调理单元包括分频电路和幅值放大/缩小电路，幅值放大/ 缩小电路作用是将波形幅值放大或缩小到合适的测试范围，不然波形电压幅值过大会损坏电路；分频电路的作用是将波形频率范围缩小到合适的测试范围，波形频率太大则可编程控制器无法正常测试处理波形，本实用新型选择分频芯片为74hc393，能测试频率小于1mhz的周期波形频率信号。
12.所述波形整形单元的作用是将输入的如正弦、三角、方波等主流周期信号波形转变为方波信号，供第二可编程控制器处理并计算得到方波信号的频率和占空比。
13.所述第二可编程控制器用于对波形整形单元以及数据通信单元的控制；包括处理波形整形单元输出的波形信号并计算得到方波信号的频率和占空比，控制数据通信单元，将电压测试结果上传至pc上位机软件进行显示。
14.所述第二数据通信单元用于将测量波形数据上传至pc上位机软件，本例通过rs485标准通信接口实现的，只需要测量底板外接一个usb转485转换器，接可以实现测量模块与pc机的数据传输。
15.进一步地，所述电压测量板还包括第一隔离供电单元，所述波形测量板还包括第二隔离供电单元，所述测试底板还包括供电电压接口，所述第一隔离供电单元和第二隔离供电单元均与所述供电电压接口电连接，所述第一隔离供电单元分别与所述电压信号输入单元、电压信号调理单元、a/d转换单元、第一可编程控制器和第一数据通信单元电连接，所述第二隔离供电单元分别与所述波形信号输入单元、波形信号调理单元、波形整形单元、第二可编程控制器和第二数据通信单元电连接。
16.其中，所述第一隔离供电单元用于给电压测量板中的电压信号调理单元、a/d转换单元、可编程控制器单元、数据通信单元提供电源电压。所述第一隔离供电单元使用b0505xt-1wr2cdc电源模块对上述单元电路进行供电，使整个电压测量板的电压信号调理单元、a/d转换单元、第一可编程控制器单元和第一数据通信单元的参考地与输入测试电压的参考地保持一致。
17.其中，所述第二隔离供电单元用于给波形测量板中的波形信号调理单元、波形整形单元、可编程控制器单元、数据通信单元提供电源电压。所述第二隔离供电单元使用b0505xt-1wr2cdc电源模块对上述单元电路进行供电，使整个波形测量板的波形信号调理单元、波形整形单元、第二可编程控制器单元和第二数据通信单元的参考地与输入测试波形的参考地保持一致。
18.其中，所述测试底板上设置有多个电压测量板插槽和波形测量板插槽，所述电压测量板通过电压测量板插槽插入到测试底板上，所述波形测量板通过波形测量板插槽插入到测试底板上，本实用新型，所述测试底板可以同时插入六块电压测量板和六块波形测量板，也就是最多可以同时测试6路电压和6路波形。每个测量板与测试底板通过一个20pin的座子相连接，达到供电和传输信号的作用，其中，测试底板一共有两个供电电压接口，两个485 通信接口，两个供电电压接口电连接，两个485通信接口也电连接，设置两个接口的目的是模块级联使用，可以多个测量模块级联起来，只需要将各个测量模块底板上的供电电压接口和485通信接口接在一起，就可以了，例如需要测试12路电压，就可以将2个测量模块级联起来使用。
19.单个模块使用时，只需要将外部电源接入一个供电电压接口，同时将485 通信接口通过一个usb转485转换器与pc机的usb口连接，通过运行pc 机上的测试软件接可以获取各路的电压和波形测试结果。可以自定义通信协议，也可以使用modbus通信协议。本例使用自定义通信协议，协议类型：发送指令＝帧头+指令+校验和+帧尾，帧头为0xaa，指令由长度码(指令部分总长度)、命令码(11表示电压，22表示波形)、地址码(电压测量板或波形测量板的组号)三部分构成，校验和有两个字节，他们分别是长度码、命令码、地址码三码求和计算后的高位和低位字节。帧尾是0xff，表示一帧数据的结束。例如(1)pc机软件发送aa 03 11 01 00 15 ff表示获取第一个电压测量板的电压值，第一个电压测量板收到该指令后发送aa 05 11 01 vhvl sh sl ff给上位机，vh vl表示电压值的高位和低位，sh sl表示校验和的高位和低位，如果电压值为5.125v，乘以1000对应十进制数为5125，换算为16进制数为0x1405，那么vh＝0x14,vl＝0x05,pc软件只需要获取vh vl的值，进行换算就可以得到十进制数为5125，除以1000，就可以得到电压值为5.125v(对于所有电压测量模块最后的计算值需要除以1000才是最终测量值)。(2)pc机软件发送aa 03 22 01 00 26 ff表示获取第一个波形测量板(该板地址码为01)的频率值和占空比值，第一个波形测量板收到该指令后发送aa 09 11 01 fh fl fw dy dl dw sh sl ff给上位机，fh fl dh dl分别表示频率和占空比的高位和低位，sh sl分别表示有效数据校验和的高位和低位，fw表示频率的数据宽度控制位，当fw＝1，表示通过fh fl计算后的频率值要乘以10，当fw＝3，表示通过fh fl计算后的频率值要乘以1000，当fw＝0，表示通过fh fl计算后的频率值要乘以1；dw表示占空比的数据宽度控制位，当dw＝1，表示通过fh fl计算后的频率值要乘以0.1，当dw＝3，表示通过fh fl计算后的频率值要乘以0.001，当dw＝0，表示通过fh fl计算后的频率值要乘以1；本例返回aa 09 11 01 27 10 00 13 88 02 00 ef ff；pc 软件只需要获取fh fl fw dh dl dw的值，进行换算就可以得到频率和占空比的数值，频率为(0x27*256+0x10)*1＝10000(hz),占空比为 (0x13*256+0x88)*0.01＝50(％)。
20.多个模块使用时，需要将各个测量模块底板上的供电电压接口和485通信接口接在一起，然后选择其中任意一个测量模块的供电电压接口与供电开关电源相连，485通信接口外接一个usb转485转换器与pc机相连。每个电压测量板模块的地址码都不相同，每个波形测量板的地址码也不相同，这样在pc机发送不同的指令码和地址码时，都有唯一对应的测量板与它响应，返回对应的测试数据，不会发送通信冲突。每一块测量板上都有主控制mcu，每块mcu程序都不一样，主要是mcu测试程序中的地址码和功能码不同。接入一个测量模块中的所有电压测量板的功能码相同，地址码不同；接入一个测量模块中的所有波形测
量板的功能码相同，地址码不同。
21.进一步地，所述第一隔离供电单元和第二隔离供电单元均包括 b0505xt-1wr2cdc电源模块芯片及其外围电路。
22.进一步地，所述第一可编程控制器和第二可编程控制器均为基于fpga 或mcu的可编程控制器。
23.进一步地，所述电压信号调理单元包括tlv2372运放芯片及其外围电路，用以对电压信号输入单元输出的电压信号进行缩放调理。
24.进一步地，所述a/d转换单元包括tlc7135芯片及其外围电路，用以将电压信号调理单元输出的模拟电压信号转换为数字信号，tlc7135芯片是采用cmos工艺制作的单片4又1/2位a/d转换器，满量程为2v。
25.进一步地，所述波形整形单元包括74ls90芯片及其外围电路，用以将波形信号调理单元输入的信号波形转变为方波信号。
26.本实用新型具有以下有益效果：
27.1、本实用新型采用模块化的测量方式，测量模块上测量板卡的类型和数量，用户都可以自由选择，用户只需要将信号引入测量模块底板中，插入对应类型和数量的测量板卡，就可以实现与测量模块精确连接，因而其适用面广、测试效率高；
28.2、采用专用电压测试电路和波形测试电路进行信号参数测试，测试结果可靠准确。
29.3、采用rs485进行通信，采用灵活的自定义通信协议，只需要两根通信线连接，就可以实现所有测量板卡的数据读取。
30.4、当用户所测试的信号数量较多时，测量模块可以扩展级联，将多个模块接在一起，只需要将各个测量模块底板上的供电电压接口和485通信接口接在一起，然后选择其中任意一个测量模块的供电电压接口与供电开关电源相连，485通信接口与pc机相连，就可以实现所有功能模块的供电与通信功能。
31.5、本实用新型的测量模块结构紧凑，方便灵活，操作简单，并可满足用户的个性化测试需求。
附图说明
32.图1为本实用新型实施例提供的电压和波形测量装置的结构图；
33.图2为本实用新型实施例提供的电压测量板的电路结构图；
34.图3为本实用新型实施例提供的波形测量板的电路结构图；
35.图4为本实用新型实施例提供的隔离供电单元的电路原理图；
36.图5为本实用新型实施例提供的数据通信单元的电路原理图；
37.图6为本实用新型实施例提供的电压信号调理以及a/d转换单元的电路原理图；
38.图7为本实用新型实施例提供的波形信号调理以及整形单元的电路原理图。
39.图中：1-电压信号输入接口，2-波形信号输入接口，3-电压测量板插槽， 4-波形测量板插槽，5-电压测量板，6-波形测量板，7-供电电压接口，8-485 通信接口，9-定位安装孔。
具体实施方式
40.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
41.图1是按照本实用新型的基于台式万用表的板卡自动测量模块的整体结构示意图。如图1中所示，按照本实用新型优选实施例的测量装置主要包括电压信号输入接口1(6组)，波形信号输入接口2(6组)，电压测量板插槽3(6个)，波形测量板插槽4(6个)，电压测量板5(单个模块最多接入6块)，波形测量板6(单个模块最多接入6块)，供电电压接口7(2 个)，485通信接口8(2个)，定位安装孔9(4个)。电压信号输入接口1(6组)与波形信号输入接口2(6组)，用于将外部待测试的电压和波形信号引入测量模块中。电压测量板插槽3、波形测量板插槽4、电压测量板5，波形测量板6这四个单元用于信号的测量处理，测试时只需将电压或波形测量板插入相应的插槽即可；供电电压接口7是整个测量模块的外部供电接口，485通信接口8用于将测试结果传输给pc上位机。定位安装孔9用于整个测量模块的安装，当用户使用测试夹具时，可以将模块安装在测试夹具盒内。
42.其中，所述电压信号输入单元用于将电压信号接入测量模块，测量时，待测电压信号通过导线直接接入测试底板上的测试电压输入接口座子。本实用新型适用于电压信号低于40v的应用测试场合，底板上的测试电压输入接口座子一共有12个接线端口，一共可以同时接入6组电压(电压正极与负极各用一个端子接入)。
43.所述电压信号调理单元用于对输入的电压信号进行缩小调理，方便后级的a/d转换单元进行处理，防止电压过大损坏后级电路或者超过a/d转换单元最大量程，本实用新型统一进行1/20缩小处理，即将输入电压减小为原大小的1/20，本实用新型统最大量程为40v，进行调理之后输入后级测量单元的最大电压为2v。
44.所述a/d转换单元的作用是将模拟电压信号转换为数字信号，供第一可编程控制器对数字信号进行处理，就可以计算得到电压的幅值大小，电压信号调理单元和a/d转换单元的电路原理图如图4所示。
45.所述第一可编程控制器用于对a/d转换单元一级数据通信单元的控制；包括控制ad芯片进行模数转换，读取电压测试结果；控制第一数据通信单元，将电压测试结果上传至pc上位机软件进行显示。
46.所述第一数据通信单元用于将测量数据上传至pc上位机软件，本实用新型是通过rs485标准通信接口实现的，只需要测试底板外接一个usb转 485转换器，就可以实现测量模块与pc机的数据传输。
47.所述波形信号输入单元用于将波形信号接入测量模块，测量时，待测电压信号通过射频连接导线直接接入测试底板上的波形信号输入接口座子，本实用新型适用于波形信号频率低于1mhz的应用测试场合，测试底板上的波形信号输入接口座子一共有12个接线端口，一共可以同时接入6组波形。
48.所述波形信号调理单元包括分频电路和幅值放大/缩小电路，幅值放大/ 缩小电路作用是将波形幅值放大或缩小到合适的测试范围，不然波形电压幅值过大会损坏电路；分频电路的作用是将波形频率范围缩小到合适的测试范围，波形频率太大则可编程控制器
无法正常测试处理波形。
49.所述波形整形单元的作用是将输入的如正弦、三角、方波等主流周期信号波形转变为方波信号，供第二可编程控制器处理并计算得到方波信号的频率和占空比，如图5所示，为本实施例提供的一种具体的波形信号调理以及整形单元的电路原理图。
50.所述第二可编程控制器用于对波形整形单元以及数据通信单元的控制；包括处理波形整形单元输出的波形信号并计算得到方波信号的频率和占空比，控制数据通信单元，将电压测试结果上传至pc上位机软件进行显示。
51.所述第二数据通信单元用于将测量波形数据上传至pc上位机软件，本例通过rs485标准通信接口实现的，只需要测量底板外接一个usb转485转换器，接可以实现测量模块与pc机的数据传输，其中，第一数据通信单元和第二数据通信单元电路原理相同，如图6所示，为本实施例提供的一种具体的数据通信单元电路原理图。
52.进一步地，所述电压测量板还包括第一隔离供电单元，所述波形测量板还包括第二隔离供电单元，所述测试底板还包括供电电压接口，所述第一隔离供电单元和第二隔离供电单元均与所述供电电压接口电连接，所述第一隔离供电单元分别与所述电压信号输入单元、电压信号调理单元、a/d转换单元、第一可编程控制器和第一数据通信单元电连接，所述第二隔离供电单元分别与所述波形信号输入单元、波形信号调理单元、波形整形单元、第二可编程控制器和第二数据通信单元电连接。
53.其中，所述第一隔离供电单元用于给电压测量板中的电压信号调理单元、a/d转换单元、可编程控制器单元、数据通信单元提供电源电压。所述第一隔离供电单元使用b0505xt-1wr2cdc电源模块对上述单元电路进行供电，使整个电压测量板的电压信号调理单元、a/d转换单元、第一可编程控制器单元和第一数据通信单元的参考地与输入测试电压的参考地保持一致，其中，第一隔离供电单元和第二隔离供电单元的电路原理相同，如图7所示，为本实施例提供的一种具体的隔离供电单元的电路原理图。
54.其中，所述第二隔离供电单元用于给波形测量板中的波形信号调理单元、波形整形单元、可编程控制器单元、数据通信单元提供电源电压。所述第二隔离供电单元使用b0505xt-1wr2cdc电源模块对上述单元电路进行供电，使整个波形测量板的波形信号调理单元、波形整形单元、第二可编程控制器单元和第二数据通信单元的参考地与输入测试波形的参考地保持一致。
55.其中，所述测试底板上设置有多个电压测量板插槽和波形测量板插槽，所述电压测量板通过电压测量板插槽插入到测试底板上，所述波形测量板通过波形测量板插槽插入到测试底板上，本实用新型，所述测试底板可以同时插入六块电压测量板和六块波形测量板，也就是最多可以同时测试六路电压和六路波形。每个测量板与测试底板通过一个20pin的座子相连接，达到供电和传输信号的作用，其中，测试底板一共有两个供电电压接口，两个485 通信接口，两个供电电压接口电连接，两个485通信接口也电连接，设置两个接口的目的是模块级联使用，可以多个测量模块级联起来，只需要将各个测量模块底板上的供电电压接口和485通信接口接在一起，就可以了，例如需要测试12路电压，就可以将2个测量模块级联起来使用。
56.图2所示为本实用新型实施例测量模块的电压测量工作原理示意图，图 3所示为本实用新型实施例测量模块的波形测量工作原理示意图为了便于说明，结合本实用新型实
施例的工作过程，详述如下：
57.将供电电压源通过电源线引入测量装置的供电电压接口7上，将待测试的电压信号接入到测量装置的电压信号输入接口1中；将待测试的波形信号接入到测量装置的波形信号输入接口2中；将电压测量板5插入到电压测量板插槽3上；将波形测量板6插入到波形测量板插槽4上；485通信接口8 外接一个usb转485转换器与pc机相连；整个测量装置通过定位安装孔安装在测试夹具盒内。连接完毕之后运行安装在pc主机上的测试软件。pc主机发送不同的通信指令码给测量装置，实现对测量装置的测量数据读取。
58.以测试一块测试信号数量较少的产品板为例，该产品板需要测试5v， 12v，24v三路电压值，10khz，50khz,100kh三路正方波信号。那么测试流程如下：将供电电压源通过电源线引入测量装置的供电电压接口7上，将带测试的三路电压信号接入到测量装置的电压信号输入接口1中(选取左边3 组进行连接)；将带测试的波形信号接入到测量模块的波形信号输入接口2 中(选取左边3组进行连接)；将电压测量板5(左边3块)插入到电压测量板插槽3上；将波形测量板6(左边3块)插入到波形测量板插槽4上； 485通信接口8外接一个usb转485转换器与pc机相连；之后pc机软件发送aa 03 11 01 00 15 ff表示获取左边第一个电压测量板(该板地址码为01) 的电压值，第一个电压测量板收到该指令后发送aa 05 11 01 vh vl sh sl ff 给上位机，vh vl表示电压值的高位和低位，sh sl表示校验和的高位和低位，如果电压值为5.125v，乘以1000对应十进制数为5125，换算为16进制数为0x1405，那么vh＝0x14,vl＝0x05,pc软件只需要获取vh vl的值，进行换算就可以得到十进制数为5125，除以1000，就可以得到电压值为5.125v。pc 机软件发送aa 03 22 01 00 26 ff表示获取左边第一个波形测量板(该板地址码为01)的频率值和占空比值，第一个波形测量板收到该指令后发送aa 0911 01 fh fl fw dy dl dw sh sl ff给上位机，fh fl dh dl分别表示频率和占空比的高位和低位，sh sl分别表示有效数据校验和的高位和低位，fw表示频率的数据宽度控制位，当fw＝1，表示通过fh fl计算后的频率值要乘以 10，当fw＝3，表示通过fh fl计算后的频率值要乘以1000，当fw＝0，表示通过fh fl计算后的频率值要乘以1；dw表示占空比的数据宽度控制位，当 dw＝1，表示通过fh fl计算后的频率值要乘以0.1，当dw＝3，表示通过fh fl 计算后的频率值要乘以0.001，当dw＝0，表示通过fh fl计算后的频率值要乘以1；本例返回aa 09 11 01 27 10 00 13 88 02 00 ef ff；pc软件只需要获取fh fl fw dh dl dw的值，进行换算就可以得到频率和占空比的数值，频率为(0x27*256+0x10)*1＝10000(hz),占空比为(0x13*256+0x88)*0.01＝50(％)。剩余的两路电压和波形测试与上面相似，只需pc机发送通信指令时将地址码更改为02和03即可。pc主机处理这三个电压测试结果和三个波形测试结果，如果测试值不正常，测试流程立刻结束，显示测试异常。如果结果正常，则显示测试结果正常。
59.以测试一块测试信号数量较多的产品板为例，该产品板需要测试15路路电压值，10路方波信号。那么测试流程如下：需要将3个测量装置级联在一起，将3个测量装置的测试底板上的供电电压接口和485通信接口接在一起，然后选择其中任意一个测量装置的供电电压接口与供电开关电源相连，其485通信接口外接一个usb转485转换器与pc机相连。每个电压测量板模块的地址码都不相同，每个波形测量板的地址码也不相同，本例电压测量板的地址码从0x01到0x0f,一共15个，本例波形测量板的地址码从0x01到 0x0a,一共10个，这样在pc机发送不同的指令码和地址码时，都有唯一对应的测量板与它响应，返回对应的测
试数据，不会发送通信冲突，具体测试流程同上，pc主机处理这15个电压测试结果和10个波形测试结果，如果测试值不正常，测试流程立刻结束，显示测试异常。如果结果正常，则显示测试结果正常。
60.在本实用新型的电压和波形测量模块中，所选用的测试电路已能满足测试需求；但是用户仍可以根据需要改变可编程控制器、通信接口及协议的种类和型号，本实用新型的电压和波形测量模块不局限于单一种类产品的测试，因而是一种高效、操作简单、适用范围广的测量模块。
61.需要说明的是，本实用新型所涉请求保护的方案是在于各个硬件设备的选取和连接关系，而本领域技术人员，在获知本技术硬件方案时，是可以毫无异议得到相应上位程序的，所以本技术请求保护方案中，并不涉及程序的改进。
62.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。