（电力电子与电力传动专业论文）便携式冲击接地电阻测量装置的研制.pdf

a b s t r a c t t om e e tt h en e e d so fo v e r v o l t a g es u p p r e s s i o na n dl i g h t n i n gp r o t e c t i o ni n e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，w eh a v et ok n o wt h ei m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo ft h e g r o u n d i n ga p p a r a t u s s i n c ed i r e c tm e a s u r e m e n ti so f t e nd i f f i c u l t t h ec u r r e n t r e s e a r c ho fi m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c ei sm a i n l yc o n f i n e di nt h e o r ya n a l y s i sa n d n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n g r o u n d i n ga d p a r a t u s i sm o d e l e da sad i s t r i b u t e dp a r a m e t e rn e t w o r k c o m p o s e do fr e s i s t a n c e s ，i n d u c t a n c e s ，c a p a c i t a n c e sa n dc o n d u c t a n c eu n d e rt h e c o n d i t i o no ft h ei m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c em e a s u r e m e n t t h en e t w o r ki sa l i n e a r i t ys y s t e mi fw ei g n o r et h es p a r kd i s c h a r g ei nt h ee a r t h s ot h en e t w o r kj u s t h a so n ea n do n l yo n es y s t e mf u n c t i o n k n o w i n go n ec u r r e n ti n t ot h eg r o u n d i n g a p p a r a t u sa n di t sr e s p o n s ev o l t a g e ，w ec a nw o r ko u tt h er e s p o n s ev o l t a g eo fa n y c u r r e n ti n t ot h eg r o u n d i n ga p p a r a t u sb yt r a n s f o r mc o m p u t a t i o nm e t h o d o fc o u r s e ， w ec a na l s og e tt h er e s p o n s ev o l t a g eo ft h el i g h t n i n gc u r r e n ti n t ot h eg r o u n d i n g a p p a r a t u s ，a n dc o m p u t et h ei m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo ft h eg r o u n d i n g 印p a r a t u s a c c o r d i n gt ot h ea b o v et h e o r ya n dt h ep r a c t i c a lp r o j e c td e m a n d s ，t h ep a p e r c o m b i n e st h ed i r e c tm e a s u r e m e n tw i t ht h en u m e r i c a l c o m p u t a t i o nt o g e t h e rt o d e s i g nap o r t a b l em e a s u r ei n s t r u m e n to fi m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c e b a s e do n t h et h e o r i t i ca n a l y s i s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e s ，t h es y n t h e s i ss c h e m e ，t h e s o f t w a r e & h a r d w a r ea n dr e l i a b i l i t yd e s i g n t h er e s u l t sa n dc o n c l u s i o n so f s i m u l a t i v ee x p e r i m e n ta n dt h ef i e l dm e a s u r e m e n ta r ea l s og i v e n t h ep a p e ri n c l u d e ss e v e nc h a p t e r s ：c h a p t e ro n ei n t r o d u c e st h ep a p e r s m e a n i n g ，m a i nc o n t e n t sa n de m p h a s e s c h a p t e rt w os u m m a r i l yi n t r o d u c e st h e e q u i p m e n t sp r i n c i p l e sa n ds y n t h e s i ss c h e m e c h a p t e rt h r e ea n df o u rr e s p e c t i v e l y i l l u s t r a t et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o ni nd e t a i l c h a p t e rf i v e i n t r o d u c e st h ed e s i g no fe m ca n dr e l i a b i l i t y i nc h a p t e rs i x ，t h er e s u l t so fm a t l a b s i m u l a t i v e c a l c u l a t i o n ，t h ee q u i p m e n ts i m u l a t i v ee x p e r i m e n ta n df i e l d m e a s u r e m e n ta r eg i v e n c h a p t e rs e v e ns u m m a r i z e sa l lt h ew o r ka n da c h i e v e m e n t ， a n d p o i n t so u tt h ef l a wa n di m p r o v e m e n ta s p e c t s k e yw o r d s ：i m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c e ，r e l i a b i l i t y , e m c ，p o r t a b l e m e a s u r ei n s t r u m e n t i i 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申请赴学位的论文是本人在导师的指 导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：弓孰云良日期：奶年岁月留日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文大规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权武汉大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：动、么良 日期： 刃年s _ 月昭日 新签氢 剖陟嘲o ? 年r 月舢 j 武汉大学颂j ：论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的目的和意义 在电力系统中为了工作的需要，常需将电力系统及其电气设备的某些部分与大地相 连接，从而构成接地系统。电力系统的接地可以分为三种：工作接地，保护接地和防雷 接地。工作接地是根据电力系统正常运行方式的需要而将掰络的某一点接地，例如将三 相系统的中性点接地，其作用为稳定电网对地电位，从而可使对地绝缘降低，还可以使 对地绝缘闪络或击穿时容易查处，以及有利于实现继电保护措施等等：保护接地是为了 人身安全而将高压电气设备的金属外壳( 包括电缆外皮) 接地；防雷接地是将避雷针、 避雷线和避雷器等防雷设备配以相应的接地装置构成接地，以保证强大的雷电流能够安 全流入地中，从而减少雷电流流过时引起的电位升高。 对丁丁作接地及保护接地而言接地电阻是指在直流或工频电流流过时的电阻：对 防雷接地而言，我们特别感兴趣的是它在雷电流( 冲击电流) 流过时的电阻，简称冲击 接地电阻。 雷电流或冲击电流持续时间通常很短，一般为数十微秒而其幅值有时可达数十至 数百千安。它们流过接地体时，接地体呈现的接地电阻与工频接地电阻不同。其主要原 因是冲击电流的幅值可能很大，会引起土壤放电而且冲击电流的等效频率又比t 频高 的多，当冲击电流进入接地体时，就会引起一系列复杂的过渡过程，每一瞬间接地体呈 现的有效电阻值都可能有所不同，而且接地体上最人电压出现的时刻不一定是电流最大 的时刻。为了使冲击接地电阻r 有一个明确的意义，通常令 r d ：u ) n ( 1 一1 ) 式中“。为接地体上的摄大电压，f 。为流过接地体的最大电流。由于“。和f 。出现的时刻 可能不同，所以尺，。并无实际的物理意义，但是这一定义在工程上使用很方便因为我 们感兴趣的是在一定的f 。下接地体的最大电压“。是多少，而这在r ，。已知的条件下马上 就可以计算出来。 目前对于冲击接地电阻的研究主要局限在以下方面： l 在理论分析的基础上对具体接地装置建立数学物理模型，通过解偏微分方程或者 差分方程从而计算求出该接地装置的冲击接地电阻。这种方法的缺点是建立数学物理 模型凼难，求解复杂繁琐，而且不同的接地装置有不同的数学物理模型，通刚性若，结 果无法验证： 2 进行模拟试验，主要针对集中接地体： 3 利用测量得到的二f = 频接地电阻乘以冲击系数，求出冲击接地电阻； 4 根据经验公式进行估算。 武汉大学硕士论文 第一章绻论 后两种方法的缺点是准确性低，只能用于估算。优点是简单方便。上述几种方法除 了第二种方法外，其余都不是通过实验直接测量得到结果，而是利用间接手段求出冲击 接地电阻，其结果的可靠性难以验证。而在野外对杆塔进行冲击接地电阻模拟试验。存 在诸多困难，由于接地电极与电流极之间相距较远( 几十米到几百米) ，回路连线较长， 且冲击接地电阻的数值一般都在数欧姆到数十欧姆，这样整个回路中的电感和电阻都很 大，要产生波头很陡、幅值很大的雷电流波形就需要极高的电压，这在工程应用中是很 难实现的。那么能否利用波头较缓、幅值较低的电流对冲击接地电阻进行测量呢? 本课 题就尝试设计一个测量分析系统，利用这样的入射电流，通过变换计算的方法求出接地 装置在波头较陡、幅值较大的雷电流波形作用下的电压响应，从而进一步求出冲击接地 电阻。数字仿真和装置模拟测试以及现场实测证明该方案是可行的，具有较高的工程实 用价值；该装置具有体积小、重量轻、工作时间氏、测量思想新颖、方案简明、稳定可 靠等一系列特点，此外，还具有波形存储和通信功能，完全满足野外杆塔冲击接地电阻 测量的要求。该装置在国内外也暂无同类产品具有广阔的市场前景。 1 2 论文的主要内容和工作重点 本文结合工程实际要求，提出了一种全新的冲击接地电阻测量方法，研制出了冲 击接地电阻测量装置，完成了从方案制订、软硬件研制、装置调试和优化到模拟试 验和现场实测等工作。全文主要包括以下几个部分： 1 冲击接地电阻测量的基本原理。沦述该仪器测量的理论依据。 2 装置的硬件设计。介绍了系统的整体构成，并详细说明了硬件系统备单元的 原理和方案实现。 3 系统的软件设计。该仪器使用波头较缓、幅值较低的入射电流来反映接地体 在波头较陡、幅值较大的雷电流作用下的冲击接地电阻。因此，在数据采集完成后， 要进行变换引算和数据分析。这部分内容详细介绍了变换计算的思路和原理，给出 了主要的软件流图。 4 系统的由j 靠性设计。测量现场的电磁环境往往比较恶劣，应从软硬件两方面 保证测量系统的可靠性。 5 数字仿真、模拟试验和现场实测及总结。对结果进行分析，并提出装置改进 和完善的途径。 武汉火学吲士论文第二二章装置的测量原理及总体方案 第二章装置的测量原理及总体方案 2 1 冲击接地电阻的测量原理 在进行冲击接地电阻的测量时，由于冲击电流的陡度很大，频率很高，一般要考 虑接地装置的电感和电容对冲击接地电阻的影响，风此可以将接地装置等效为一个 由电阻、电感、对地电容和电导组成的分布参数网络。如果考虑冲击电流在土壤中 引起的火花放电，那么这个网络是非线性的，其数学模型非常复杂，求解极其繁琐， 日前还没有很好的解决办法。女果不考虑土壤的火花放电，那么接地装置可以等效 为一个线性非时变系统。其数学模型相对简单，计算求解容易实现。当然，在不考 虑火化放电的情况下，求得的冲击接地电阻将偏于安全侧。因为在火花放电的区域 内土壤的等值电阻率下降，有利于电流的流散，相当于接地体的等值直径增大，从 而使冲击接地电阻值降低。雷电流的幅值越高，在土壤中引起火花放电的区域就越 大，冲击接地电阻值就越小。不过对于伸长接地体和地网而言，由于接地装置本身 的电感呈现较大的阻碍雷电流流通的作用，火花放电主要集中在电流入射点的附近， 火花放电的范罔相对于整个伸长接地体和地网还是很小的。因此，火花放电对于冲 击接地电阻的影响是有限的。故无须考虑火花放电的影响，计算结果比实际值大， 故在设计中考虑的安全系数更大。 所谓线性非时变系统，就是指具有叠加性、齐次性，并且系统参数不随时间变化 的系统。线性非时变系统还具有微分特性并满足因果性。对于线性非时变系统，零 j 状态下的响应象函数r 0 ) 与激励象函数e ( s ) 之比定义为系统函数( 也叫网络函数) 。 即 即) = 器 ( 2 - 1 ) 其中e ( s ) 、r ( s ) 分别为其时域原函数的拉氏变换式。 当激励象函数e ( s ) 与响应象函数r ( s ) 由系统的同一端口取得时，系统函数具有输入 阻抗或输入导纳的意义。即 耶) = 等或者耶) = 器 ( 2 - ：) 对_ 丁线性非时变系统，在频域中其系统函数是唯一的，不随激励信号特性改变而改 变。如果系统函数作为输入阻抗时，即有下式成立。 掣：掣( 2 - 3 ) i i ( s )，2 ( s ) 堂坚查兰堡主兰兰 笙三童茎星丝型量塑竺丝：望堡垄壅 式中，( s ) 和1 2 ( s ) 分别为系统激励的拉氏变换式。u r ( s ) 和也( j ) 为相应激励f 的响 应。整理上式得到： u 2 ( s ) ，) 0 ) = u j(j)l(s)(2-4) 两边同时进行反拉氏变换将得到时域卷积方程。以等号左边为例： u 2 ( s ) 州s ) = r “：( r ) e 叫n 咖一“d x 设x 。，一f n t = x + t ，当x = 0 时，f = r ，当x ；o 。时，f ：o 。；出：出 上式= f 心( r ) e - - d r f ( ，一r ) e 州r r ) d t = r 吐( r ) 叫x ，一； ) e - s t d t 当。一r r s 2 3 2 串口通信； 3 斩波升压，为冲击电流发生器主放电电容充电 4 控制冲击电流发生器触发： 5 启动数据采集板； 6 数据分析与计算，异常处理： 7 自动量程转换； 8 电池电压监测： 9 键盘、l c d 显示扫描，蜂鸣报警。 2 、m c u 板的组成 m c u 板作为主控板，具有智能仪器的一般特征和组成。就运行方式来讲，可有键 控方式雨i 遥控方式。键控方式通过装置面板上的薄膜按键直接进行控制：遥控方式通过 r s 2 3 2 串行口接收指令和收发数据，主要为测试分析系统自动化和组网预留。m c u 板 组成原理见图3 - 1 。它通过排线与采集s a m 板连接。 3 、a t 8 9 c 5 1 硬件资源分配 a t 8 9 c 5 1 的硬件资源包括内部资源和i o 口资源。内部资源有：1 2 8 3 y t e s 的片内 r a m 、1 2 8 b y t e s 的特殊功能寄存器s f r 、4 k 的f l a s h r o m 等，其分配与系统软件的编 制密切相关。a t 8 9 c 5 1 有四个准双向i o 口，p o 口分时用作数据总线和地址总线的低八 位，经7 4 h c 3 7 3 和单片机的a l e 脚实现数据和地址的分离；p 2 口用作地址总线的高八 位；p 1 口的低四位用作片选译码的输入，高四位接上拉电阻，分时用作键盘列扫描线和 两路运放的增益控制线，实现两路独立的四级程控增益：p 3 口为具有第二功能的准放向 i o 口，p 3 0 、p 3 1 分别用作串行口输入r x d 和串行口输出t d x ，p 3 2 作电源故障或电 池电压欠压中断输入，p 3 3 、p 3 4 、p3 5 用作i o 口，p 3 3 作输入口，作为判断数据采 集扳采集完成的状态线，p 3 4 作为s r a m 3 、s r a m 4 的地址线，提供1 s 6 1 c 1 0 2 4 芯片 7 武汉大学硕上论立第三章装置的硬件设计 1 2 8 k 地址空间的第1 7 位地址r a l 6 ，p 3 5 作为程序存储器的片选线，复位后，p 3 5 为 高电平，选中a t 8 9 c 5 1 片内4 k f l a s h r o m ，先执行片内程序，必要时再在程序的适当位 置安排指令使p 3 5 为低电平，程序指针p c 从外部程序存储器取指，采用内部存储器的 目的主要是考虑到提高抗干扰能力和保密性能。p 3 6 、p 3 7 分别作为读写线r w r 和 r r d 。具体见表3 - 1 。 ! 里兰塑 图3 - 1 主控m c u 板原理图 表3 - 1a t 8 9 c 5 1 硬件资源分配 资源用途备注 p 0 0 - p 1 7数据总线和地址总线低八位r a 0 r a 7经7 4 h c 3 7 3 分时复用 p 2 o p 2 7地址总线高八位r a 8 r a l 5 p 1 0 - p 1 3 片选输入m c u 外设控制信号 p 1 4 - p 1 7键盘扫描运放增益设置接上拉电阻，分时复用 p 3 0 ( r x d ) 、p 3 1 ( t x d ) 、p 3 2 ( 1 n t 0 ) 、 p 3 3 、p 3 4 、p 3 5 p 3 p 33 ( s t o p ) 、p 3 4 ( r a l 6 ) 、 作i o 口 = | | p 3 5 ( r o m i ) 、p 3 6 ( r w r ) 、p 3 7 ( r r d ) 武汉大学硕士论文 第三章装鼍的硬件设计 4 、通信单元 该装置中，选用m a x 2 3 2 芯片作为与上位机进行通信的电平转换单元。m a x 2 3 2 带 两路r s 一2 3 2 的收发器它由三部分组成：充电泵电压变换器、驱动器( 发送器) 和接 收器。其r 作电路如图3 2 所示。在m a x 2 3 2 中，有+ 5 v 到1 0 v 的双充电泵电压变换 器。第一个充电泵电压变换器由电容器c 1 和c 3 组成。通过充电，c 3 充上5 v 电压， 将c 3 上的电压加上v c c 得到+ 1 0 输出：第 二个充电泵电压变换器由电容器c 2 和c 4 组成。电容器c 2 将+ 1 0 v 在c 4 上反向为 1 0 v ，加到输出端。m a x 2 3 2 第1 1 、1 0 脚 为t t l c m o s 输入端，第1 2 、9 脚为 t t l c m o s 输出端，第1 4 、7 脚为r s 一2 3 2 输出，第1 3 、8 脚为r s 2 3 2 输入端，m a x 2 3 2 为双路收发，具体的引脚功能为：第1 1 脚 为t i m ，第1 4 脚为对应的t 1 0 u t ，第1 0 脚 为t 2 r n ，第7 脚为t 2 0 u t ，第1 3 脚为r l f n ， 第1 2 脚为r 1 0 u t ，第8 脚为r 2 m ，第9 脚 为r 2 0 u t 。在对电源噪声很敏感的应用中， m a x 2 3 2 v c c 图3 - 2m a x 2 3 2 典型工作电路 v c c 对地应加去耦电容，其值与c i 和c 2 相同，电容器在连接时必须尽簧靠近器件。 至于电容的大小与具体器件型号有关：当器件为m a x 2 3 2 时，c l 、c 2 、c 3 、c 4 为1 0 , uf 当器件为m a x 2 3 2 a 时，c l 、c 2 、c 3 、c 4 为0 1 “f 。 5 、看门狗、复位及电压监视电路m a x 8 1 3 l “看门狗”为监视定时器w d t ( w a t c h d o gt i m e r ) 的俗称，实际上是一个自动 重装载的定时器。当它启动后，便按同定的：宵拍自增白减计数直至溢山，溢山后产生一 个复位信号使单片机复位，监视定时器本身也复位重新计数；若在监视定时器溢出前， 单片机能给它一个清零信号，使之重新计数，便不会使单片机复位。监视定时器一经启 动，便不能靠软件来停止。实现时，在程序的适当位置对看门狗刷新，只要程序正常运 行，监视定时器就不会溢出，不会产生系统复位信号；一旦程序跑飞，就有可能在监视 定时器溢出前不能对其清零，从而让看门狗产生系统复位信号，这样，监视定时器就提 供了一种使系统能从瞬时故障中自动恢复的能力。为提高系统的抗干扰性能，现代智能 仪器一般都带有看门狗单元，有些微控制器甚至直接将看门狗电路作在芯片内部。 与其他单片机一样，a t 8 9 c 5 1 单片机系统常常有上电复位平| i 操作复位两种方法。上 电复位是指系统上电瞬间，要在单片机的r s t 脚出现一个宽度大t - 1 0 m s 的正脉冲，使 单片机进入复位状态。操作复位指剧户按下“复位”按钮使单片机进入复位状态。简单 的复位电路如图3 - 3 所示，这种电路具有防止按键抖动的能力。 由于本仪器为便携式设备，采州1 2 v 铅酸电池供电，而铅酸屯池当自身电压低于厂 家规定值时应充电，不宜继续使用，否则将降低电池的寿命和有效容量。故有必要监视 武汉大学硕二 论文 第三章装置的硬件设计 电池的电压，低于阀值时给出报警信号。 m r v c c g n d p f l d f p i $ o 丽 | e s 盯 w d i p f 0 图3 - 3 典型复位电路图3 _ 4m a x i m 8 1 3 封装 根据设计需要和市场货源情况，选择m a x 8 1 3 l 器件作为看门狗、复位和电池电压 监视。m a x 8 1 3 l 为m a m i m 公司推出的微处理器监控集成芯片，它具有以下四种功能： f 1 ) 欠压使用情况下的复位输出，复位输出为高电平，脉冲宽度2 0 0 m s ； ( 2 ) “看f j 狗”输出，“看门徇”最大定时时间为i 6 秒； ( 3 ) 1 2 5 v 电压门限检测器，川于电源故障报警，欠压检测( 低于4 6 5 v ) 或+ 5 v 以 外的电源的监视； ( 4 ) 操作复位输入。 m a x 8 1 3 l 广泛应用于要求严格的微处理器监控中。为8 脚的d i p 或s o 封装，管 脚分布如图图3 4 。管脚说明及使用如f ： ( 1 手动复位输入端( 丽) 当该端输入低电平保持1 4 0 m s 以上，m a x 8 1 3 l 就输出复位信号。该输入端的最小输入脉宽要求可以有效地消除开关的抖 动。丽与t t l c m o s 兼容。 ( 2 ) 二l ：作电源端( v c c ) 接+ 5 v 电源，该电源应为稳压源，在靠近m a x 8 1 3 l 处加接1 0 u f 的电解i h 容，以防电源的波动造成系统的频繁误复位： ( 3 ) 电源接地端( g n d ) 接0 v 参考电平： ( 4 )电源故障输入端( p f i ) 和电源故障输出端( p f o ) 当4 号引脚输入端电压 低于1 2 5 v 时，5 号引脚输出端的信号由高电平变为低屯平。将该脚接至单 片机的外部中断输入端，当电源发生故障时，引起单片机i n t o 中断，c p u 响应中断，执行相意的中断服务程序，保护数据，断开外部州电电路等。为 了做到这一点，必须把i n t 0 的中断优先级( p x 0 ) 设为最高，特别是系统中还 有其它中断时，更应如此。中断优先级的设置可通过中断优先寄存器i p 实 现，此外还要殴置中断允许寄存器i e 的总允许位( e a ) 及外部中断0 中断允许 位( e x 0 ) 。用c 5 1 实现的指令为： p x 0 = l ；设置高优先级 e x o = l ；允许外部中断 e a = 1 ；开总中断允许位 ( 5 )看门狗刷新信号输入端( w d i )程序正常运行时，须在小于1 6 s 的时间间 武汉大学硕= l ：论文 第三章装置的硬件设计 隔| j 1 4 向该输入端发送一个脉冲信号，以清零芯片内部的看门狗定时器。若超 过1 ，6 s 该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出8 号引脚由高电平变 为低电平。 ( 6 ) 复位信号输出端( r e s e t ) 上电时，自动产生2 0 0 m s 宽的高屯平的复位脉 冲：手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。 ( 7 )看门狗信号输出端( w d o ) 正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时， 该端输出信号由高电平变为低电平。实用电路如图3 5 ： 6 、l c d 显示及驱动 图3 - 5 看门狗单元实用电路 在传统的智能仪器仪表中采用的显示器r 卜一般是七段数码管( l e d ) ，其主要优点是： 成本低，驱动方便，有多种颜色可供选择，晚间或室内使用较醒目：主要缺点是功耗相 对较高，野外使用亮度不够好。 l c d 是一种压控器件，其功耗极低，再加上它是通过反射外界的入射光而显示，故 特别适合便携式仪器野外使用。然而由于液品显示器同有的结构和电特性使得它的驱动 较麻烦，一般要用专t | ；| 的芯片，而且要采取并行驱动：由于无位选线备段码的驱动线 不能共用，故需要较多的驱动线；液品显示器由于白身结构原理的限制，必须采用交流 驱动k 时间的直流偏压会使液晶片的工作物质失去旋光性，降低品质和使用寿命。 l c d 驱动方波的频率一般在3 0 2 0 0 h z 之间随着器件的不同有不同的典型驱动频 率。驱动频率的f 限取决于人的视觉暂留效应，频率过低，显示闪烁：驱动频率的上限 取决于液晶显示器在某一驱动电压下的响应特性，当驱动频率过高时，液晶显示器的对 比度降低，表现为显示模糊。驱动方波的质量对液晶显示器的寿命有很大的影响，若驱 动信号中含有较大直流成份，则其寿命将大大缩短。 根据该仪器便携式和野外使_ e = | 的特点，设计时选择了人连东方显示器公司的笔段式 l c d e d s 8 0 3 。其主要特性和参数如下： ( i )三位半笔段式液晶显示，带小数点，有超量程、欠电压显示： ( 2 ) 显示面积：5 0 m m 3 0 r a m ； ( 3 )工作电压：3 5 1 2 v ，电流( 每段) 1 2 5 u a ( 典型值) ： ( 4 ) 驱动方波频率：3 2 1 0 0 h z ，典型值6 0 h z ，净直流分量最大5 0 m v ； 葚 羊芎 武汉大学硕士论文第三章装置的硬件瑷计 ( 5 )对比度：2 0 ：1 ，视角：上至下+ 8 5 一7 0 ，左至右7 5 。： ( 6 ) 工作温度：4 0 8 5 c ，寿命大于5 0 0 0 0 小时。 驱动采用了三片带锁存的七段b c d 译码驱动7 4 h c 4 5 4 3 、两片异或门电路7 4 h c 8 6 和一片锁存器7 4 h c 3 7 4 。三片7 4 h c 4 5 4 3 提供低三位数码字段的驱动，7 4 h c 8 6 和 7 4 h c 3 7 4 提供三个小数点、最高的半位、欠压、溢出和符号位的驱动。e d s 8 0 3 的第一 和四十脚为公共驱动方波输入端c o m ：各字段的装载信号由译码器7 4 h c l 5 4 的输出和 a t 8 9 c 5 1 的丽经或非门7 4 h c 2 8 后提供，公共驱动信号由7 4 h c l 5 4 译码提供，其频 率通过单片机的定时器中断控制。显示单元的电路如图3 - 6 。 e d $ 8 0 3 特殊功能协 烈i 4 1 i c 2 8 。吲州f 攀 7 4 i c 3 7 4 一一3 gi1 2 a 2 gj l l a 一1 g 7 4 h c 4 5 4 3 ( 2 ) 7 4 h c 4 5 4 3 ( i ) r d o 7 | i i r d o 3 l | lr d 4 7 ii ii r d 0 3 7 、键盘与蜂鸣器 l d h 图3 - 6l c d 显示驱动 l d i p f i 由于本系统为单次测量仪器，对采集以外的其他功能实时性要求不高，为减小系统 成本和复杂性，键盘采f e j 行列式键盘，列选线由a t 8 9 c 5 1 的p 1 口的高四位提供，和运 放增益控制分时复用：行选线由译码器输出提供。蜂鸣器采用压电陶瓷片，它具有体积 小，音质好，功耗低的优点可赢接由译码器输山驱动。 1 、基本要求 3 2 数据采集板s a m 的设计 ( 1 ) 模拟通道带宽足够宽，响应速度足够快： ( 2 ) 模拟通道增益可程控： ( 3 )采样频率要足够高，尽可能的保证无失真 武汉火学硕士论文 第三章装置的硬件设计 ( 4 ) 可设置触发电平和触发方式： ( 5 )原始数据空间应保留一定的裕量，且可与m c u 板分时共用。 2 、工作原理与构成 s a m 板一般处于停l e 状态，模数转换器a d c 不工作，以减少系统功耗：当接到 m c u 扳发出的启动信号后开始数据采集，若不满足触发条件则采集后的数据只往原 始数据区的低三分之一的空间写入：不能触发的处理可以根据需要选择自动方式或手动 方式；若满足触发条件，则在全部数据区写满后，自动停止采集，同时关闭原始数据区 s a m 板的控制权( 访问通道) ，打开m c u 板的访问通道。整个系统由数据采集过程转 入数据处理过程。数据采集s a m 板原理图如图3 7 。 图3 7 数据采集扳构成 h e a d e ri d c 4 0 的定义和作用同m c u 板，它们通过4 0 芯扁平线连接，实现m c u 对 数据采集板的控制和数据传输。从m c u 扳米的8 位数据总线r d 0 r d 7 、1 5 位地址总 线r a 0 r a l 4 、2 个片选信号r r a m i 与r r a m 2 和读写信号经右总线控制器加到原始 数据存储器上。运放增益控制线直接加到运放上。其余控制线跟s a m 板上的时序与逻 辑控制电路组合使用实现s a m 的控制。下面对箨部分作详细说明。 3 、采样频率的确定 标准雷电波的波前波尾时间为2 6 4 0 u s ，为了使测量计算的结果更接近实际雷电波 的频率特- 眭，模拟雷电波的入射电流波形也取得较陡，大致在2 5 u s 1 0 0 u s 左右。信号的 带宽在f c = 2 0 0 k h z 左右，根据采样定理，对一个具有有限频谱x ( 0 的连续信号x ( t ) 进行 采样，当采样频率f s 2 f c 时，由采样后的采样信号x s ( n t s ) 能无失真的恢复原来的信号。 采样频率过低，会产生频率混淆现象：过高，需增加数据存储空间和硬件设计的难度及 l3 武汉大学顺士论文第三章装置的硬件设计 成本。由采样定理可知，消除频率混淆的措旌不外两种方式： ( 1 ) 限制信号的带宽对于频域衰减较慢的信号，可采用抗混滤波器米结决。即在 采样前，用一截止频率为f c 的抗混滤波器，先将信号x ( t ) 滤波，将不感必趣或不需要的 高频成份滤掉，然后再进行采样和数据处理。抗混滤波器实际上是一个低通滤波器，应 有较好的截止特性。比较理想的是多阶有源r c 巴特沃斯( b u t t c r w o r t h ) 滤波器。 ( 2 ) 提高采样频率对于频域衰减较快的信号，可用提高采样频率的方法来解决。 即按采样定理，使采样频率f s 提高到信号截止频率f c 的3 5 倍。 一般系统中都是综合运用两种方法，即先经抗混滤波器滤波后，然后将采样频率f s 提高到信号截止频率f c 的3 5 倍，再对信号进行采样与处理。由于本系统需要较大的 带宽和响应速度，故没有设置抗混滤波器，而是直接采用提高采样频率的方法，尽可能 的保留信号的频率成份，信号采集到数据存储器r a m 后，再作数字滤波后处理。这样 利用了数字信号处理的优点，避开了模拟低通滤波器设计和调试的难点，增加了设计的 灵活性和系统的可靠性。 4 、接地系统的集中参数模型和电压电流取样 由于系统所加测量信号的带宽较大，前沿较陡，这就需要前端取样单元有足够的 带宽和足够快的响应速度，而目前市场上的隔离式电压电流传感器( 互感器、霍尔 器件等) 带宽一般不超过1 5 0 k h z ，响应速度大于1 u s ，且价格较贵，不满足数据采 集系统的要求。结合传统高压大电流测量的经验，电压取样直接j 【 ； 阻容分压器，电 流取样直接用电阻分流器。在本系统中，所加测量信号幅值不超过1 k v ，分压电阻 安装时保持适当的间隙可以不必考虑沿面放电和火花放电现象。电压取样电阻r 1 、 r 2 选择o 2 5 w 金属膜电阻，电流取样电阻r j 选择o 5 w 金属膜电阻，为降低电流 取样电阻的剩余电感，可用几个金属膜电阻并联使用；与分压电阻并联的电容c i 、 c 2 起着频率补偿作朋，可提高分压器高频响应特性，选用无极性高频低感小容量， 独石或聚苯电容均可，注意电容耐压应满足要求，容量为p f 级，为减小分布电容的 影响，补偿电容的容量应大于5 p v , 且满足r 1 c 1 = r 2 c 2 。补偿原理：由于电阻分压 器存在分布电容，高频时分压后的信号在高频段会有失真，为减小分压电阻的分布 电容影响，引入集中电容进行频率补偿。引入电容后的分压比( 忽略电压极的接地 电阻r p ) ： v 1 r 2 f i r 1 c 1 + 1 ) v 2r l f ( o r 2 c 2 + 1 1 7 要使分压比k 与频率无关，则应满足r 1 c 1 = r 2 c 2 。 接地测量系统集中参数模型和电压电流取样电路如图3 - 8 。 14 武汉大学硕j l 论文第三章装置的硬件设计 接地扳g电压极p 电流极c 图3 - 8测量系统模型和电压电流取样电路示意图 r 电流取样电阻r l 、r 2 电压取样电阻 c 1 、c 2 频率补偿电容 r p 、r c 电流极、电压极接地电阻 r d - - 塔杆的接地电阻，待测量 由图3 - 8 可以看出，电压取样的结果中包括电流取样电阻上的电压值，这是由具 体电路的结构限制的，只要从测量得到的电压值中减去即可，这可通过软件实现。 在测量中，电流极c 、电压极p 实际上为两根或更多的金属棒，由于金属棒与 土壤的接触面远远小于接地体网，其接地电阻值远远大于接地体网的接地电阻，而 且还随着测量点的土壤电阻率、湿度、温度等等请多因素在很大的范围内变化，一 般在几十欧几百欧之间。为了减小电流极接地电阻的影响，要求信号发生器发出 信号的幅值或模拟通道的增益町调，使送入模数转换器的模拟信号落入其量程内： 为了减小电压极接地电阻对分压比的影响和减小分压器对电流回路信弓的衰减，应 使分压器r l 、r 2 的阻值远远大于r d 的可能最大值，且前置运放的输入阻抗需远远 大于分压器的输出阻抗。 5 、输入保护和程控运放构成 ( 1 ) 输入保护在实际测量中，操作火误、量 群不当或冲击电流发生器的自动词压等，都有可 能使从分压分流器过米的模拟信号超过运放的 输入极限值，从而造成运放的损坏。运放的保护 包括共模过压保护和差模过压保护。典型电路如 幽3 - 9 。 图中二极管d 1 d 4 用作共模保护，d 5 、d 6 州作差模保护。有些厂家在运放生产时已将保护 二极管集成在了芯片内部，具有更好的保护性 能，同时降低了系统的复杂性，从而不需要外接 保护二极管。 图3 - 9 典型的运放输入保护 武汉大学硕士论文第三章装置的硬件设计 钳位保护二极管一般选择结电容小、动作快的开关管，如1 n 4 1 4 8 ，其结电容最大仅为 4 p f ，反向恢复时间小于1 0 n s 。需要说明的是，瞬态电压抑制器t v s 管虽然动作速度快， 瞬态吸收功率大，但其结电容可达2 0 0 0 p f , 不适合作高速高频信号线的保护。 ( 2 ) 运放的选择 运放性能指标主要包括：输入失调电压v i o 、输入偏置电流i i b 、输 入失调电流1 1 0 、温度漂移、最大差模共模输入电压、转换速率s r 、开环差模电压增益 a ”单位增益带宽b w g 、输出电压摆幅、输入输出电阻和供电电压及方式等。各指标 之间可能还有相互制约关系，再考虑货源和价格因素，盲目的要求高指标是不现实的。 一个可行的方法是，根据实际需要。将各指标的重要性排序，确定哪些指标是必须满足 的，哪些指标是可以放宽的。随着i c 技术_ 千1 1 5 1 2 艺的提高，在满足首要指标的前提下， 次要指标一般也是可以满足的，必要时作些折衷处理。本系统中，要求模拟通道有足够 的带宽和响应速度，并且运放增益可调，故单位增益带宽1 3 w g 和转换速率s r 是首要指 标。要求b w g 1 5 m h z ，s r 5 0 v u s 。而一般带增益控制的运放的转换速率s r 低于要求 值，且价格较贵：视频运放的b w g 和s r 两项指标都极易满足，但其增益一般都不允许 太高，而且货源较少。考虑各种因素，最后取l m 2 1 8 结合模拟多路开关组成程控运放。 需要说明的是，这是一种折衷的方案。因为l m 2 1 8 需要双电源供电，这对于电池供电 的便携式设备而言，是很不利的。一些新式运放都可以单5 v 供电，输出摆幅可达到供 电电压值。 l m 2 1 8 在1 5 v 供电时，b w g = 1 5 m h z s r = 7 0 v u s ( t y p i c a l ) ，输入电阻3 m 欧 姆，共模抑制比c m r r = 1 0 0 d b ，基本满足系统要求。运放增益通过模拟多路开关调节 串联在反馈同路中的电阻米实现。电路如图3 - 1 0 所示。 图3 1 0 棵控增益运放的构成原理 运放增益由单片机通过模拟开关7 4 h c 4 0 5 1 控制，7 4 h c 4 0 5 l 在+ 5 v 供电时，通态 电阻在较大的带宽内保持4 0 欧左右，又由于这个电阻与反馈电阻串联但远小丁反馈电 阻，故其影响可忽略不计。与反馈电阻并联的电容起着频率补偿作用，增加运放的稳定 16 武汉大学硕上论史第三章装置的硬件设计 性，防止运放白激。运放输出端接r o 的目的是为阻尼输出振荡，其值在3 0 1 0 0 欧之 间，根据实验结果确定。 6 、模拟多路开关、采样保持和a d 转换 在高速数据采集系统中，一般采用多a d c 方案，即每个通道拥有自己独立的采样保 持和a d c 电路，多通道并行工作。但这样会增加系统成本和数据存储器设计的难度。 另一种方案是采用两级采样保持电路和一套a d c 子系统，即第一级采样保持电路并行 t 作，时刻跟踪各通道信号变化：其后接多路模拟开关，再经第二级采样保持电路送往 a d c 子系统。这种方案可以满足多同道的并行采集，并有较好的抗通道间串扰的效果。 根据本系统的特点，作系统误差分布分析后，采用第二种方案，但为了减小系统复 杂性，没有设置第一级采样保持电路。实验结果表明，这种方法是可行的。下面介绍一 f 数据采集扳的核心部分a d c 子系统a d 9 2 2 5 a r 。 a d 9 2 2 5 a r 是美国a & d 公司生产的一种1 2 位、2 5 m