随着电子、机械装置可靠性水平的提升，PWM控制小型直流散热风扇（以下简称风扇）在加速发展。风扇性能测试主要对风扇微型直流电机的电流和转速进行测试。主要通过给风扇提供多种占空比的PWM控制信号，在不同的占空比下分别测试风扇的电流和转速。在测量转速方面，闪频测试仪是目前风扇高精度转速测量普遍采用的仪器，更为传统的测试方法需采用多台通用仪器，即用信号发生器提供风扇所需的PWM信号，通过电阻采样风扇的电流，使用光电感应的方法测转速，通过示波器观察波形。对自动化流水线来说，采用以上两种方法，每个测试工位都要配置测试员和整套测试仪器，使得成本升高、测试效率降低^[1]。针对这种状况，研制了基于VHDL语言的高精度新型直流风扇自动测试系统。该系统给风扇提供各种占空比的PWM控制信号，通过FPGA技术和等精度测量原理提高测量的精度，借助FPGA器件内部逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，计算出风扇的转速及其他参数，通过CAN总线送到上位机保存和分析。此系统的测试理论准确度可达±1r/s，可同时测试多个风扇，实现直流风扇的在线测量^[2]，提高测量精度和测试效率。本文在整体测试系统的基础上，重点介绍基于VHDL语言的PWM风扇等精度测速原理及实现。

本文以图 1所示的PWM驱动的风扇为例，进行分析，构建PWM风扇等精度测速原理的系统图，PWM风扇接口线有3线和4线，测试转速时,主要采用其中的TOCLOCKTHROTTLE信号线采集风扇的转速信号。

图 1 PWM 驱动的风扇原理图

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PWM风扇测试系统包括风扇接口线路与装置，测试信号预处理与控制模块、数据采集卡及数据分析系统。测试系统在开始测试时，将当前测试的PWM波的频率和占空比经过信号预处理后传送给所述数据采集控制模块的可编程门阵列FPGA，可编程门阵列根据当前测试点PWM波的频率和占空比产生高频率的PWM波，对待测PWM风扇进行转速控制，上位机发出的数据采集指令，信号采集电路通过风扇接口板采集PWM风扇不同占空比的转速信号，并通过双向精密电流传感放大器MAX471采集待测PWM风扇的电流信号，该电流信号经过A/D转换后，与不同占空比下的风扇转速信号一起传送给FPGA模块；FPGA模块对不同占空比的转速信号进行等精度处理后和电流信号传给上位机和直接显示装置，计算机对该数字信号进行误差处理和补偿后，依据系统可建制的风扇样品参数、电流波形高低比的实际值和电流波形宽窄比的实际值进行比较，判断其优劣和其他性能指标是否满足。系统原理如图 2所示。

图 2 PWM 风扇测试系统工作原理

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在本系统预处理中，采用了美国MAXIM公司的双向精密电流传感放大器MAX471，其内置35mΩ的精密传感电阻，可测量的电流范围是±3A，其响应时间、精度高漂移等指标均很理想，可以适应3A以内的各种规格直流风扇的电流测量，MAX471的原理框图如图 3所示。电流信号通过RS+和RS-输入到MAX471的采样电阻进行采样，采样电阻是一个阻值较小的电阻，串联在电路中用于把电流转换为电压信号进行测量。用以检测电路的电流，在实际的电路中是与负载电阻串联的。采样电阻一般使用的都是精密电阻，阻值低，精密度高，一般在阻值精密度在±1%以内，更高要求的用途时会采用0.01%精度的电阻。MAX471通过一个2kΩ的输出电阻将电流转换成0～3V的电压信号，直接送到A/D转换器中。TOCLOCKTHROTTLE信号是从风扇直接输出的一串方波信号，其频率和风扇的转速成正比，用于检测风扇的转换^[1]。TOCLOCKTHROTTLE信号是电压信号，经电阻1分压转换到0～3V内，然后经过一个电压跟随器传送到A/D输入端。

图 3 MAX471 的原理框图

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波形经预处理后的电流信号如图 4所示，电压信号如图 5所示。

图 4 TO CLOCK THROTTLE 预处理后的电流信号波形

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图 5 TO CLOCK THROTTLE 预处理后的电压信号波形

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等精度测频方法^[3]是在直接测频方法的基础上发展起来的。它的闸门时间不是固定值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步。因此，除了在被测信号计数产生±1个字误差，已达到了在整个测试频段的等精度测量^[2]，其测频原理如图 6所示。在测量过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数。首先给出闸门开启信号（预置闸门上升沿），此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。然后预置闸门关闭信号（下降沿）时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。可以看出，实际闸门时间t与预置闸门时间t₁并不严格相等，但差值不超过被测信号的一个周期。

图 6 等精度测频原理波形图

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设在一次实际闸门时间t中计数器对被测信号的计数值为N_x，对标准信号的计数值为N_s。标准信号的频率为f_x，则被测信号的频率为

等精度测频的实现方法^{[4, 5, 6, 7, 8, 9]}可简化为图 7所示。CNT1和CNT2是两个可控计数器，标准频率信号从CNT1的时钟输入端CLK输入；经整形后的被测信号从CNT2的时钟输入端CLK输入。当预置门控信号为高电平时，经整形后的被测信号的上升沿通过D触发器的Q端同时启动CNT1和CNT2。CNT1、CNT2同时对标准频率信号和经整形后的被测信号进行计数，分别为N_s与N_x。当预置门信号为低电平时，而后来的被测信号的上升沿将使两个计数器同时关闭，所测得的频率为（F_s/F_n）×N_x。则等精度测量方法测量精度与预置门宽度的标准频率有关，与被测信号的频率无关。在预置门时间和常规测频闸门时间相同而被测信号频率不同的情况下，等精度测量法的测量精度不变。

图 7 等精度测频实现原理图

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由式（1）可知，若忽略标频f_s的误差，则等精度测频可能产生的相对误差为

其中f_xe为被测信号频率的准确值。在测量中，由于f_x计数的起停时间都是由该信号的上升沿触发的，在闸门时间t内对f_x的计数N_x无误差（t=N_x×T_x）；对f_s的计数N_s最多相差一个数的误差，即|ΔN_s|≤1，其测量频率如式：

将式（1）和式（2）代入式（3），并整理如式：

由式（4）可以看出，测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关，仅与闸门时间和标准信号频率有关，即实现了整个测试频段的等精度测量。闸门时间越长，标准频率越高，测频的相对误差就越小^[4]。标准频率可由稳定度好、精度高的高频率晶体振荡器产生，在保证测量精度不变的前提下，提高标准信号频率，可使闸门时间缩短，即提高测试速度。

PWM驱动的风扇，其转速的核心思想在于以TOCLOCKTHROTTLE信号经过转换盒整形以后的方波信号的上升沿作为开启门闸和关闭门闸的驱动信号，只有在被测信号的上升沿才将图 3中预置的“软件闸门”的状态锁存，因此在实际闸门T_x内被测信号的个数就能保证整数个周期，这样就避免普通测量方法中被测信号的±1的误差，但会产生高频的标准频率信号的±1周期误差，因为周期与风扇转速成正比，计算出的风扇转速相较于传统的风扇转速测量方法，可以大大提高测量精度。

图 8 PWM 风扇等精度测速原理

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仿真使用QuartusII软件，该软件支持VHDL语言，对FPGA模块编译后，其时序仿真波形如图 5所示，在TF=0，EEND=1时，在FSTD，FINPUT端口有稳定的数据输出，并且可以设置其周期比为1/2。同时测得不同闸门时间内对标准时钟信号和被测信号的脉冲计数值，可以看出一直保持1/2的关系，符合系统要求的等精度原理公式计算。在输入标准频率信号时，由此可得被测信号的频率值。进而计算出所测转速。由图 9可看出，基本在软件上实现了测试功能，在整个频率测量范围内，精度恒定，实现了等精度测量。

图 9 PWM 风扇等精度测速系统的仿真

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取20PCS风扇，通过闪频测速仪（DT2239B）和基于VHDL语言的PWM风扇等精度测速装置上进行对比验证，闪频测速仪测试数据用A_i表示，本文研究装置测试数据用B_i（i=1，2…）表示，测试数据见表 1。由表 1可知，该测试装置具有很高的测试精度和稳定性。

表 1 测试装置对比验证测试数据表

表选项

实践证明，利用VHDL语言和复杂系统可编程逻辑器件CPLD，开发了等精度测量小型风扇转速的便携式测量系统，通过实验表明：系统测量工作可靠，有良好的测量精度、灵敏度、分辨率，便于现场测试。实现了直流风扇的在线测量及测量精度，提高了测试效率，适合风扇电气性能评价和生产线自动化测量。