数字式兆欧表设计毕业论文.doc

兰州理工大学技术工程学院毕业设计说明书 数字式兆欧表设计毕业论文数字式兆欧表设计毕业论文 目目 录录 摘摘 要要 I I ABSTRACTABSTRACT IIII 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1 1 课题意义 1 1 2 研究情况 1 1 3 课题任务及设计要求 2 第第 2 2 章章 绝缘电阻测试基本概念绝缘电阻测试基本概念 4 4 2 1 绝缘电阻测试仪技术参数 4 2 2 绝缘电阻测试主要测量参数 7 第第 3 3 章章 系统方案设计系统方案设计 1010 3 1 系统工作原理 10 3 2 高压模块方案选择 10 3 3 测量模块方案选择 15 3 4 系统设计方案确定 17 第第 4 4 章章 系统硬件设计系统硬件设计 1818 4 1 测量电路设计 18 4 2 A D 采样电路设计 20 4 3 高压产生电路设计 23 4 4 键盘电路设计 36 兰州理工大学技术工程学院毕业设计说明书 4 5 显示电路设计 40 4 6 核心控制器 PIC16F877 46 第第 5 5 章章 系统软件设计系统软件设计 5050 5 1 软件系统分析 50 5 2 软件结构 52 第第 6 6 章章 设计总结设计总结 5555 6 1 系统功能实现方式 55 6 2 系统的优缺点 55 6 3 可行的改进方案 56 参参 考考 文文 献献 5757 英文资料翻译英文资料翻译 5858 致致 谢谢 7575 附录一附录一 元器件明细表元器件明细表 7676 附录二附录二 程程 序序 清清 单单 7878 兰州理工大学毕业设计论文 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 课题意义 电力设备由导电材料 导磁材料 结构材料和绝缘材料等组成 在电力设备实际 运行过程中 绝缘结构的电气和机械性能往往决定着整个电力设备的寿命 绝缘损坏 时 可能导致非常严重的后果 如火灾 设备损坏等 以致破坏整个系统的正常运行 甚至造成人员伤亡 据统计数据表明 电力设备运行中 60 80 的事故是由绝缘故障导 致的 而在绝缘检测项目中 直流高压绝缘电阻的测量是常规的项目 兆欧表是该测 量项目中最常用的仪表之一 所以为了更加准确 可靠 方便的测量到反映电缆绝缘 系统劣化程度的特征量 及早发现绝缘隐患 避免事故的发生 不断研究先进的绝缘 电阻检测技术和开发出合适的绝缘电阻检测装置不但具有极其重要的意义 而且也是 十分必要和迫切 的 1 2 研究情况 绝缘电阻测试仪 即兆欧表 是通过测量电气设备的绝缘电阻 检查设备的绝缘 情况 发现电气设备导电部分影响绝缘的异物 绝缘劣化 绝缘击穿及严重热老化等 缺陷 早期的兆欧表主要是指手摇指针式兆欧表 它的主要不足之处有以下几点 1 测量时必须用手摇动发电机 并保证有 120 转 分的速度才能维持正常的输出电 压 2 同一台摇表的电压等级少 量程范围小 3 测量结果由表针指示读数 刻度为非线形 测量误差和读数误差都较大 兰州理工大学毕业设计论文 4 因为无法输出比较稳定的电压 所以在测量试品的吸收比和极化系数时会存在 较大误差 并且操作复杂 5 指针式摇表在关机时反向冲击电流大 不小心会损坏指针 6 需要人工抄表 没有数据保存功能 不符合试验数据信息化的要求 7 体积重量大 小便携带 给使用带来小便 后来市场上还出现了一种利用电机取代手摇的摇表 其输出电压较手摇式的摇表 准确 但是仍然摆脱小了机械式仪表固有的缺点 数字兆欧表的出现克服了传统摇表 的种种缺陷 使得停电时绝缘电阻测量的测量精度 自动化程度和信息化程度等都有 了一个很大的进步 数字式兆欧表较传统摇表的优越性主要表现为以下几点 1 依靠仪表自身具有的直流电源可以产生精确的直流高压 而目 针对不同的被 检测对象可以方便选择不同的电压等级 2 量程范围大 可以根据实际测量数值进行自动实现量程切换 3 采用高精度 AD 使得测量精度较传统摇表有数量级上的提高 而目采用液品显 示屏直接显示读数 避免了指针式仪表的读数误差 4 可以方便 准确的测量试品的吸收比和极化系数 5 有完各的历史数据记录保存的功能 便于历史数据的回溯 同时还具有同微机 的接口 可以进行数据上传以及仪器参数的下载 6 体积小 重量轻 便于携带 提高了测量的效率 所以研究数字化 智能化的兆欧表 使其操作更简便 测量更准确是将来的发展趋势 1 3 课题任务及设计要求 课题任务为设计一款以单片机为核心控制器的数字式绝缘电阻测试仪 具体要求 兰州理工大学毕业设计论文 如下 1 设计的主要内容 查阅资料 熟悉绝缘电阻测试的相关理论 熟悉现有的绝缘电阻测试方法 熟悉 单片机 确定技术方案 完成数字式绝缘电阻的硬件设计 绘制相关图纸 编写程序 完成设计说明书撰写 2 设计实现的主要功能 仪器能够输出设定测试电压 测量绝缘电阻 吸收比和极化指数 测试电压范围 为 500V 5000V 分为多挡 250V 一个台阶 测量结果通过 LED 显示 显示方式自行设 计 设置微型打印机 打印测量结果 3 主要技术指标 测量范围 20 HZ 19999M 输出测量电压幅度 500 5000V 250V 步进 输出电流 1 5mA 测量精度 0 5 级 工作电源 DC12V 4 系统工作稳定 系统具有良好的人机界面操作控制方便 各种显示及指示齐 全 兰州理工大学毕业设计论文 第第 2 章章 绝缘电阻测试基本概念绝缘电阻测试基本概念 2 1 绝缘电阻测试仪技术参数 兆欧表常采用的测试方法为电流一电压法 即测量试品漏电流在标准电阻上的电 压降来推算试试品的绝缘电阻 电流一电压法测试的一般原理电路如图 2 1 所示 被 检测的试品接在 E 端和 L 端之间 G 端一般用作屏蔽端 因为现在国内还没有专门针对数字式兆欧表的检定规程 所以只能参照 JJG622 绝缘电阻表 兆欧表 检定规程 并借鉴同类产品的技术指标 对数字兆 欧表的测试电源 量程范围 测量精度 容量和抗干扰能力等参数和性能指标作一个 简要介绍 En 测试电源电压 Ri 电源等效电阻 R JX 等效绝缘电阻 R0 采样电阻 2 1 1 测试电源 根据试品的额定工作电压和容量 应采用不同的测试电压等级 此外 测试电压 应该低于试品额定绝缘电压 以免造成试品的绝缘损坏 常用的测试电压等级有 低 兰州理工大学毕业设计论文 压 50V 100V 25OV 500V 1000V 高压 2500V 5000V 10000V 兆欧表测试电源电压可以定义为仪表电源两端 E G 之间的开路电压 U Jc 电压误 差是指 U 与标称电压 En 之间的相对误差 即 不同的测试电压使得试品内部绝缘介质产生不同强度的松弛极化 因而试品呈现 的视在绝缘电阻也不同 但是 这种差别对测试电压在小范围内的波动不是很敏感 因此 对测试电压的相对误差要求并不严格 一般以不超过 5 10 为宜 电源在量 程范围之内负载特性参照相对误差范围也不应超过 5 10 此外 在进行试品的 吸收比和极化系数等参数测量时 还对测试电源的 10 分钟内的稳定性作出了要求 即 一般要求该值 5 测试电压的纹波系数是衡量测试电源的另外一个重要参数 直流 电源的电压纹波含量 一般定义为 Ur 电压波动分量的峰峰值 测试电压中的纹波会对电路的稳定工作及试品的正常极化产生影响 甚至影响采 样电阻 R0 上电压的测量 从而加大测量结果的误差 一般要求纹波系数 En 5 2 1 2 量程范围 量程范围是衡量兆欧表性能的重要参数之一 一般情况下 电压等级越高 量程 也越大 市场上常见的摇表测量范围为 1000M 5000M 数字式兆欧表一般都可以超 过这样的量程范围 常见的有 1000M 500G 有些高压表甚至可以达到 10000 G 兰州理工大学毕业设计论文 常规量程下限为 0 但是在大多数的场合下是不必要的 同时出于保护测试电 源的角度 很多数字式兆欧表都具有小电阻情况下的保护功能 2 1 3 测量准确度 试品的绝缘电阻值受到选用的材料 处理土艺 制作过程 产品绝缘结构 所处 环境等因素综合影响 所以即使是针对同一个样品 在实践中 不同时间测得的绝缘 电阻值也呈现比较大的波动性 仅从一次的测量数据中来判断绝缘状况的劣化是不充 分的 重要的是对绝缘电阻值的长期观察 因此 对兆欧表的测量精度并没有十分严 格的要求 但是就兆欧表木身性能的检测来说 精度等级越高的表测得的数据可信度也越高 摇表的精度等级一般为 10 级 而数字兆欧表的精度等级一般可做到 5 级或 2 级 在对 数字式兆欧表精度等级的检定中 一般采用图 4 2 所式装置进行检定 2 1 4 测试容量 当高压施加到试品上时 一共会产生 3 种性质的电流 电容充电电流 介质吸收电 流和绝缘泄漏电流 其中 电容充电电流和介质吸收电流随时间衰减 绝缘泄漏电流 则一直保持恒定 当经过一段时间后电流趋向一个稳定值时 得到的即是泄漏电阻分 量的大小 试品的电容充电电流和介质吸收电流与介质的材质 尺寸 结构和所处环境等因 素有关 对于采用单一绝缘材料的低压设各 充电电流和介质吸收电流会在很短的时 兰州理工大学毕业设计论文 间内衰减为零 而对于采用多层绝缘结构的高压设各而言 如 XPLF 电力电缆等 绝缘 结构很小均匀 分布电容大 松弛极化过程明显 电容充电电流衰减较长 吸收电流 衰减缓慢 事实上 极化电流的大小和衰减情况反映了绝缘状况的好坏 而分布电容的大小 和绝缘状况没有显著的关系 在测试时应该尽量排除该电流分量的影响 以使得对吸 收比测量更加准确 为了排除电容充电电流分量对测量结果的影响 要求充电电流引 起的暂态过程在数秒内结束 这就对测试电源的对电容的充电能力 即容量 提出了要 求 设测试电源回路充电等效电阻大小为 Rs 分布电容大小为 C 那么电容充电的时 间常数 RS C 为保证吸收比的测量精度 一般要求 3 4 秒 被测试品一般 C O luF 也就是说 Rs 30 一 40 M 如果在考虑到电源电 压的建立时间 一般 Rs 5M 实际中 对兆欧表容量的定量指标常定义为兆欧表 EL 端短路时输出的电流 即 由上文分析可以看出 Id 越大 兆欧表的性能越优越 当然 增大 Id 对电源及测 量回路的要求是很高的 首先电路附一加电阻小可能很小 其次为了在绝缘击穿或者 短路时保护电源 电源支路必须串联限流电阻 实践证明 Id 1mA 的兆欧表已经完全 满足绝缘性能常规测试的要求 2 1 5 数字兆欧表的抗干扰性能 兆欧表常用于室外现场测量 主要干扰源来自电网的工频交流电 电网中掺杂的 大量随机干扰经测试线串入仪表 引起测量误差 甚至引起仪器死机等故障 抗干扰 性能优良的数字兆欧表应该在仪器的电路设计 电路布线 电磁屏蔽 硬件滤波和软 件抗干扰等方而综合考虑 最大限度地削弱干扰对测量值的影响 兰州理工大学毕业设计论文 2 2 绝缘电阻测试主要测量参数 2 2 1 绝缘电阻 绝缘电阻是指电气设备中绝缘材料在隔离导电体 或与大地 或与人 之间施加 一种参数 绝对不导电的物质是不存在的 一切绝缘材料即电介质在电场作用下都会 由微弱的泄漏电流通过 绝缘电阻的大小为电介质承受的电压与泄漏电流之比值 单 位为 或 M 绝缘电阻可分为体积绝缘电阻和表面绝缘电阻 体积绝缘电阻为电介质自身对电 导电流呈现的阻力 表面绝缘电阻主要为电介质表面的电导电流呈现的阻力 气体和 液体电介质只有体积绝缘电阻 固体电介质由于表面经常吸附电杂质 如水分和污秽 物 其表面电导能力远远大于体积电导能力 试验项目所要求测量的绝缘电阻是指体 积绝缘电阻 因此 测量绝缘电阻时 应尽量选择在晴朗天气且被试物温度几仪表周 围温度不宜低于 50C 湿度不宜高于 80 的条件下进行 局时还要将被测电气设备表 面擦拭干净 并将表面泄漏电流屏蔽 干燥 完整无损的良好绝缘 其泄漏电流很小 绝缘电阻值很高 而绝缘受潮含 杂质或存在贯穿性的损伤时 泄漏电流就会变大 绝缘电阻值也会降低 故绝缘电阻 测试是检验电器设备的绝缘是否存在贯穿性的受潮 赃污及导电通道集中性缺陷的简 便的有效的方法 在工程检测项目中具有举足轻重的地位 电力管理部门的规定常以 绝缘电阻值的变化作为判别电机 变压器等电气设备的受潮程度和绝缘性能劣化程度 决定电气设备能否投入运行 2 2 2 吸收比和极化指数 不同的绝缘设备 在相同的电压下 其总电流随时间下降的曲线不同 即使对同 一设备 当绝缘受潮或有缺陷时 其总电流曲线也要发生变化 当绝缘受潮或有缺陷 时 电流的吸收现象不明显 总电流随时间下降较缓慢 在相同时间内电流的比值就 兰州理工大学毕业设计论文 不一样 因此 对于同一绝缘设备 根据 i15 i60的变化就可以初步判断绝缘的状况 通常以绝缘电阻的比值表示 即 K1 R60 R15 U i15 U i60 i15 i60 式中 i15 R15为加压 15S 时的电流和相应的绝缘电阻 i60 R60为加压 60S 时的电流和相应的绝缘电阻 K1 为吸收比 一般将 60S 和 15S 时绝缘电阻的比值 R60 R15 称为吸收比 测量这一比值的试验叫 做吸收比试验 绝缘受潮时 K1 下降 K1 的最小值为 1 变压器绝缘要求 K1 值大于 1 3 吸收比试验于温度及湿度有关 必要时可进行温度换算 对于吸收过程较长的大容量设备 如变压器 发电机 电缆等 有时用 R60 R15 吸 收比值尚不足以反映绝缘介质的电流吸收全过程 为了更好地判断绝缘是否受潮 可 采用较长时间的绝缘电阻比值进行衡量 称为绝缘的吸化值数 表示为 K2 R10min R1min 式中 K2 为吸化值数 R10min 加压 10min 时测的绝缘电阻 R1min 加压 1min 时测的绝缘电阻 极化指数测量加压时间较长 测量的电介质吸收比率与温度无关 变压器极化指 数 K2 一般大于 1 5 绝缘较好时其值可达到 3 4 兰州理工大学毕业设计论文 第第 3 章章 系统方案设计系统方案设计 3 1 系统工作原理 兆欧表的基本组成原理如图 3 1 所示 核心控制器 CPU 通过控制电路 将高压 模块产生高压施加于被试品上 被试品 Rx 与取样电阻 Ro 串接于 L 与 G 之间 经测量 电路采集后 取样的电压 电流信号经多级滤波 放大后再经 A D 转换后 送入 CPU 进行数据运算和处理 计算出试品的绝缘电阻 吸收比 极化指数 把结果通过显示 器显示出来 同时兼有时间显示蜂鸣提醒 高压选择 高压启动 数据记忆 高压结 束 工作模式 数字校准等功能 兰州理工大学毕业设计论文 3 2 高压模块方案选择 3 2 1 自激型单端反激电路 自激型单端反激电路又称为 RCC 电路 它主要工作在临界工作状态 采取自 激振荡工作方式来实现峰值电流控制 其结构简单 它同时采取了 PWM 和 PWF 两种方 式工作 其基本电路如图 3 2 1 所示 输入电压 Ui经启动电阻 Rst给开关管 T 提供一个起始基极电流 ib T 开始导通 集 电极电阻 i1 流过初级绕组 N1 产生电势 U1 正反馈绕组 Nf 产生的感应电势 Uf经过 兰州理工大学毕业设计论文 Rzcd Czcd加至 T 的基极 使基极电流 ib 增加 i1 增加 T 很快饱和 T 饱和 i1 则随 时间线性上升 由于 Czcd 的存在 ib 随时间下降 在时刻 t1 有 i1 t1 ib t1 T 则从饱和区进入放大区 i1 受 ib的控制 i1 减小 则 N1产生的电势 U f导 致 ib i1 ic 进一步减小 使 T 很快截止 在反激期间 U f为负 通过 Rzcd Czcd 给开关管基极提供反偏电流 当反偏结束 输出绕组电流为零 时 基极反偏电流亦 为零 开关管又开始导通 周而复始 自激振荡 从上面分析可知 RCC 电路始终工作 在临界模式状态 因此在设计该电路变压器的初级电感时是临界电感 这种电路工作 在 PWM 和 PWF 两种模式之中 在负载一定的情况下可以在很宽的输入电压范围内稳压 工作 它的调制原理为 T 饱和导通时 Nf UiNf N1 Uf经 Rzcd C zcd为 T 提供基极电流 ib ib Uf Uczcd0 Rzcd e t f Ube Rw 式中 Uczcd 0 为前一周期结束时电容 Czcd上的剩余电压 f为时间常数 f Rzcd Czcd T 饱和时 N 的电流是 I1 Ui L1t 忽略 Ui 经启动电阻 Rst给开关管 T 提供的起始基极电流 令 t1时 N1的电流增量是 为 i1 t1 ib t1 则 t1是开关管 T 开始截止时间 即 T 导通的时间 Ton t1 Rw 是一 个等效阻抗 通过改变 Rzcd Czcd或者等效电阻 Rw 都可以改变 t1时刻 即可控制 T 的导 通脉宽 当 T 截止时 存储在变压器中的磁能使 D0导通 通过 N2释放 一部分能量供给负 载 另一部分给电容 C0充电 输出绕组 N2的电流 i2为 i2 i1N1 N2 U0 L2 t t1 兰州理工大学毕业设计论文 此时 Nf上感应的电压 Uf为 Uf U0Nf N2 该电压一方面以反偏的形式加在 T 的基极和发射极 使 T 有效截止 另一方面使 Czcd通过 D1放电 有利于下一周期工作 当 i2 0 时 此过程结束 T 又开始下一周期 工作 由于自激型单端反激电路总是工作在临界工作模式 其他两种工作模式的关系式 对于他都适用 而且在调宽的同时频率亦发生变化 从式 U0 Ui N2 N1 D 1 D 可得到匝比 n N1 N2 Ui U0 D 1 D 从以上式子可得 D nU0 Ui NU0 f 1 T Ui2D2 2P0L1 UinUo Ui nUo 2 1 2POL1 当电源电压器已经制作完成 变比 n 电感 L1就是定值 在电路运行时输出电压 U0一般也是额定值 从上式中可以看出 工作频率仅于输入电压和额定功率有关 很 明显 输入电压越高 负载越轻 工作频率越高 输入电压越低 负载越重 频率越 低 这可以从变压器初级电感储能的原理来解释 当负载很轻时 只需要很小的能量 来维持输出电压 输入电压很高时 只要很短的时间就可以储存所需的能量 相反的 输入电压低 负载重时 需要较长的导通时间来存储所需要的能量 通过上面的分析 可以知道 RCC 电路不同于一般的 PWM 或 PWF 模式 它是二者兼备的 因此 这种电路 不宜用在负载变化很大的场合 因为负载很轻或者空载时其频率会很高 给电路设计 带来一定的复杂性 将 RCC 电路的输出脉冲送入脉冲变压器升压后 再经倍压整流后 即可得到所需 测试用高压 兰州理工大学毕业设计论文 3 2 2 由 555 电路产生高压 其中 555 产生高压电路的原理图如下图所示 由 555 构成的多谐振荡器是一种脉冲信号发生器 它具有两个暂稳态 工作时无 需外加触发信号 就能在这两个暂稳态之间连续 自动的切换 产生一定频率和一定 脉宽的矩形脉冲信号 因所产生的矩形波中含有非常的谐波分量 故名多谐振荡器 工程中有多种构成多谐振荡器的方法 因电路没有稳定状态 故可从电路接通电源时开始分析 设接通电源前 电容电 压 UC 0V 电源接通后 由于 UC 不能突变 TR 端的电压小于 VDD 3 S 1 R 0 Q 0 所以 输出电压 U0 为高电平 开关管 V 截止 电源 VDD 通过电阻 R1 和 R2 向电容 C 充电 使 UC 按指数规律上升 即 TH 和 TR 端电压按相同的规律上升 直到 UC 达到 2VDD 3 时 为止 当 UC 上升到等于 略大于 2VDD 3 时 由于 TH 端电压略大于 2VDD 3 TR 端电 压大于 VDD 3 根据 555 定时器的功能表可知 S 0 R 1 Q 1 U0 变为低电平 开关管 V 导通 电容 C 经电阻 R2 和开关管放电 UC 按指数规律下降 即 TH 和 TR 的电压按相 同规律下降 直到 UC 降到 VDD 3 为止 这是一个暂稳态 当 UC 等于 略小于 VDD 3 时 由于 TR 端的电压略小于 VDD 3 S 1 R 0 U0 又翻转为高电平 开关管 V 截止 电 容 C 又被充电 UC 再次按指数规律上升 这是另一个暂稳态 如此周而复始 循环不 兰州理工大学毕业设计论文 已 形成两个暂稳态之间有规律的相互切换 在输出端变得到持续不断的周期性矩形 波振荡信号 其工作原理是将 6V 直流电源经集成元件 555 和电阻 R1 R2 及电容 C1 结成基本无 稳态振荡模式 构成高频多谐振荡器 振荡频率 F 1 44 R1 R2 C1 约为 15KHZ 左右 产生的交变电压经脉冲变压器升压 次极的感应电压经倍频整流 滤波后 可得到约 1000V 的直流电压作为测量用电压 3 2 3 利用集成芯片 TL494 产生高压 脉宽调制芯片 TL494 是美国德克萨斯州仪器公司生产的一种性能优良的电压驱动 型脉宽调制控制集成电路 可作为单端式 推挽式 全桥式 半桥式开关电源控制器 被广泛应用于开关电源中 是开关电源的核心控制器件 主要应用在各种开关电源中 脉宽调制芯片 TL494 主要用于如图 3 2 3 所示高压产生电路中的 PWM 脉宽调制电 路 比较上面三种高压产生电路设计方案 由 RCC 电路的设计调试比较麻烦 555 电路 的输出功率及自调节能力较差 而由 TL494 构成的高压产生电路相对前两种电路来说 技术很成熟 电路简单 调试放便 所以本设计采用第三种方案 即由 TL494 构成高 兰州理工大学毕业设计论文 压发生电路 3 3 测量模块方案选择 3 3 1 一般测量方法 根据欧姆定律 R U I 电阻与电压成正比 与电流成反比 这种测量法曲线原理图 如下所示 一般绝缘电阻的测试 是在被测电阻下边串联一只取样电阻 以取样电阻上的电 压来表示绝缘电阻的大小 如下图所示 一般测试方法对取样电阻的要求较高 而且当被测电阻较小时施加在被测电阻两 端的电压明显不足 500V 作者在设计取样电路时 采用由运算放大器组成的 I V 变换 电路直接取样电流 并把电流转换为电压来表示电阻的大小 原理图如下 兰州理工大学毕业设计论文 由运算放大器的定义可以得出 1 Va 0 这样就保证了被测电阻两端电压为 500V 2 运算 A 的输出电压 V IR0 也就是说被测电阻流过的电流为 I V R0 则有 RX 500 V R0 不考虑电流方向 3 3 2 电桥测量法 还有一种方法是电桥测量法 其原理图如下 图中 US 为测试电压源 R0 为限流电阻 R1 R2 为线路电压取样电阻 R3 为测量 电流取样电阻 L 端为兆欧表的线路端 E 称为接地端 G 成为屏蔽端 被测 电阻 RX 连在 L 和 E 之间 G 和被测物的屏蔽层相连 一般情况下不用 线路取样电压 UA送 VREF 端 测量电流取样电压 UE 1N 端 COM 称为模拟 信号公共端 使用时 COM 与 VREF 及 1N 相联 电路中 R1 R2 RX R3 由于单片 A D 转换器输入阻抗很高 其影响可忽略不计 故 兰州理工大学毕业设计论文 UA R2 R1 R2 UL UE RE R3 RX UL 由于 U1N UREF UA UE R2 R1R3 RX 适当选择 R1 R2 R3 的值 则可使显示值 NX 和被测电阻 RX 在数值上相符 对比以上两种方法 电桥测量的方法比欧姆定律测量方法测量结果准确 测量精 度高 所以本设计使用电桥测量的方法 3 4 系统设计方案确定 通过上面 3 1 3 3 节论述 本系统的最终设计方案确定为如图 3 4 所示 核心控制器 CPU 通过继电器切换矩阵电路 将高压模块 TL494 产生高压 按照 需要施加于被试品上 被试品 Rx 与取样电阻 Ro 串接于 L 与 G 之间 用电桥法测量电 路采集后 取样的电压 电流信号经多级滤波 放大后再经高精度 A D 芯片进行转换 后 送入 CPU 进行数据运算和处理 计算出试品的绝缘电阻 吸收比 极化指数 把 结果通过 LED 显示器显示出来 同时兼有时间显示蜂鸣提醒 高压选择 高压启动 数据记忆 高压结束 工作模式 数字校准等功能 兰州理工大学毕业设计论文 第第 4 章章 系统硬件设计系统硬件设计 在第三章中通过设计方案比较 最终确定了系统的设计方案如图 3 4 所示 本章 按照所确定的方案进行系统的硬件电路设计 4 1 测量电路设计 数字式兆欧表的采样网络主要有两种形式 单支路 图 4 1 a 和双支路 图 4 1 b 类似电桥结构 在单支路模式下 得到 兰州理工大学毕业设计论文 由上式可知 Rx 的推算和测得的 U0 以及测试电源 Un 都有关 因此 测试电源的 波动 U 如纹波分量和电源的不稳定因素都会影响到 Rx 测量结果的准确度 即 Rx 正比于 U 单支路测量结构的主要优点在于结构简单 但为了保证测量精度 对电源 的稳定性和纹波系数的要求较高 在双支路模式下 由此可得 设 U1 U0 K 而 R0 一般较小 可以忽略不计 则有 由上式可见 通过 U1 和 U0 之比 消除了 Un 对 Rx 的影响 因此这种方法也叫 做 比率法 这种结构虽然较单支路法要复杂 所用标准电阻也增加为 3 个 但 是基本上消除了电源电压波动的影响 降低了电源的制作难度与成本 更易得到较精 确的结果 由上式可知 U0 的值和 Rx R0 有关 为了使得测量时输入 A D 芯片的电压值在 A D 线性度最好的范围内 可以在测得初步的 Rx 值后根据其的大小在 CPU 控制选择 阻值合适的 R0 接入采样网络再次进行测量 实现量程的自动切换 兰州理工大学毕业设计论文 4 2 A D 采样电路设计 A D 转换器通常分为 双积分型A D 转换器 逐次逼近型 A D 转换器和并 开 A D 转换器 双积分型 A D 转换器一般具有精度高 抗干扰性好 价格便宜等 优点 但转换速度慢 广泛应用在数字仪表中 逐次逼近型A D 转换器在精度 速度和价格上都适中 并行A D 转换器是一种用编码技术实现的高速A D 转换 器 对于 A D 转换器 其主要的指标有 分辨率 通常用数字量的位数表示 如8 位 12 位 16 位分辨率等 若分 辨率为 8 位 表示它可以对全量程的1 28 1 256 的增量作出反应 分辨率越高 转换时间对输入量的微小变化的反应越灵敏 量程 即所能转换的电压范围 如 5V 10V 等 精度 有绝对精度和相对精度两各表示方法 常用数字量的位数作为度量绝对 精度的单位 如精度为 1 2 LSB 而用百分比来表示量程时的相对误差 如 0 05 分辨率即使很高 但很可能由于温度漂移 线性不良等原因 而并不具有 很高的精度 转换时间 对于计数 比较型或双积分型的转换器而言 不同的输入幅度可 能会引起转换时间的差异 不同的型式 不同分辨率的器件 其转换时间的长短相 差很大 在选择器件时 要根据应用的需要和成本来具体地对这一项加以考虑 有 时还要同时考虑数据传输过程中 转换器件的一些结构和特点 例如有的器件虽然 转换时间较长 但是其自己具有锁存功能 CPU 在此时可以处理其它的事情 而 不必等待一次转换的结束 输出逻辑电平 基本要求是能够与TTL 电平相配合 如果在采用总线方式时 还要考虑是否要用三态逻辑输出 是否需要进行锁存等 兰州理工大学毕业设计论文 工作温度范围 由于温度对运算放大器和加权电阻网络会产生影响 所以只有 在一定的温度范围内才能保证额定精度指标 一般较好的工作温度范围是 40 C 85 C 采用 CMOS 工艺制做的 A D 转换器属于逐次逼近型 具有8 个模拟量向数 字量进行转换的通道路 其工作电源用单电源供电为5V 输出方式采用总线结 构 精度为 1 LSB 的 功耗低仅为 15mW 进行一次转换时间为 100 s 工作 温度 40 C 85 C 1 8 路 8 位 A D 转换器 即分辨率 8 位 2 具有转换起停控制端 3 转换时间为 100 s 4 单个 5V 电源供电 5 模拟输入电压范围 0 5V 不需零点和满刻度校准 6 工作温度范围为 40 85 摄氏度 7 低功耗 约 15mW 本数字兆欧表采用图 4 1 b 所示的双支路测量网络 在这种结构下 需要准确测 量两个模拟电压值 U1 和 U0 从上文的分析中我们知道实际上只需要得到两个电压的 比值即可 同时 考虑到在绝缘电阻的测量中 流过试品的电流变化在有效时间区域 内 即加电压 15 秒以后 是比较缓慢的 对 A D 采样的速率没有太高的要求 因此 可以采用双积分 A D 双积分 A D 的每个测量周期分为三个阶段 自动调零 T0 正向积分 T1 和反向积分 T2 具体见图 4 2 1 所示 兰州理工大学毕业设计论文 正向积分的 T1 时间段是固定的 对输入电压 Uin 以 Uin RintCint 的斜率进 行积分 积分得到的电压 Vint 和待测量的输入电压 Uin 成正比 即 在 T2 时间段内 根据参考标准电压 Uref 的大小 以 Uref RintCint 为斜率 进行反向积分 直到 Vint 回到零电平 即 由以上两式可以推出 由以上两式可以推出 即 即 在双积分 A D 芯片内有时隙脉冲计数器对 T1 T2 的长度进行计数 并得出 Uin 和 Uref 的比值 可见 双积分 A D 的时隙精度对转换的精度有很大的影响 而转换 的速度主要取决于 T0 T1 T2 的长度 在保证 A D 测量精度的基础上 考虑到与单片机接口方便 选用 ICL7109 作为 本系统的 A D 器件 ICL7109 使用 5V 电源 具有 12 位的字长 最高转换频率为 30 次 秒 在正向积分的 T1 长度为 2048 个内部时钟周期 它的转换输出的数据 N 与 Uin 和 Uref 的关系可以用下式表达 兰州理工大学毕业设计论文 本设计对扩展位的要求不高 所以将 A D 转换部分没有单独设计 选用了 PIC16F877 芯片 此芯片内部已包括了 A D 转换部分 4 3 高压产生电路设计 4 3 1 高压产生电路原理 对于自带测试电源的数字兆欧表来说 测试电源是非常重要的组成部分之一 对 仪器的性能参数有很大的影响 测试电源一般采用两种形式实现 AC DC DC DC AC DC 的方式主要是用在具有 220V 交流电源的情况下 先由变压器进行一次交流升 压 再通过直流整流 倍压电路输出 变压器同时也起到了一个隔离的作用 如图 4 3 1 1 所示 当交流电源 Ui 为正半周期时 D2 承受反向电压 D1 导通 电流通过 D1 对 C1 充电 C1 上电压达到 UC1 当 Ui 为负半周期时 D1 承受反向电压 D2 导通 电流 通过 D2 对 C2 充电 充电电压是 UC1 和 Un2 的串联 于是 UC2 将近似等于 2 倍 UC1 这样的网络结构可以级连 以实现更高倍数的倍压电路 AC DC 加倍压电路形式结构简单 容易得到稳定的高压直流输出 但是在很多场 合 停电检测时并不能找到可供使用的交流电源 与之相比 DC DC 开关电源的方式在 使用上有更多的方便性 DC DC 的直流电源可以用电池组 蓄电池得到 可以采用的 兰州理工大学毕业设计论文 一种电路形式如图 4 3 1 2 所示 该电路倍压的原理和图 4 12 电路原理是一样的 为了产生变压器可以传输的交 变电压 运用一只开关管 Q 控制原边电路的开断 副边得到的电压与 PWM 信号的占 空比 D 成正比 PWM 信号可以由专用的开关电源控制 PWM 芯片产生 为了得到所需大小的稳定输 出电压 可以从输出 Uo 采样一个反馈电压传给 PWM 芯片的误差放大器 当反馈电压 与预设电压有差别时 根据是正误差还是负误差 PWM 芯片将相应减小和增大 PWM 信 号的占空比 以使得输出达到预设要求 C3 和 R1 组成一个简单的低通滤波器 主要 滤除和 PWM 同频的交流成分 减小输出的纹波系数 PWM 信号的频率大小的确定一般需要考虑到输出电压纹波大小的要求 变压器体 积和磁芯材料三个方面 PWM 的频率越小 为达到要求的纹波系数 滤波电容的电容 量就要越大 体积和价格也相应提高 同时 随着高电平维持时间的增加 变压器的 原副边电感大小和磁芯体积也要增加 才有足够的能力存储磁能 可见采用较高的频 率有利于减小电路的体积和减少材料的消耗 但是 频率的提高受到磁芯材料频率响 应特性的限制 普通的铁氧体磁芯可以工作在几十 KHz 频率下 而且具有足够的饱和 磁感应强度 Bs 价格便宜 是合适的磁芯材料 经试验 选择 PWM 的频率为 10KHz 比较合适 兰州理工大学毕业设计论文 电压等级的选择通过接入不同阻值的反馈电阻实现 该数字兆欧表可以输出 500V 和 1000V 两种等级的电压 以满足一般低压设备的绝缘检测要求 4 3 2 PWM 信号产生电路设计 1 TL494 的介绍 本设计选用的方法是脉冲震荡电路采用开关集成电路TL494 以电压驱动型脉宽调 制控制集成电路TL494为核心元件并加上简单滤波电路及RC放电回路所构成的回路控制 器 它能把脉冲宽度变化的信号转换成与脉冲宽度成正比变化的直流信号 进而实现 闭环单回路控制 其内部原理图如下所示 TL494实现单回路控制器图 TL494 的输出三极管可接成共发射极及射极跟随 2 种方式 因而可以选择双端推 挽输出或单端输出方式 在推挽输出方式时 他的两路驱动脉冲相差 180 而在单端 方式时 其两路驱动脉冲为同步同相 TL494 的 3 脚为脉宽调制补偿端 4 脚为死区电 平控制端 5 脚和 6 脚为内部锯齿波振荡器的外界振荡电阻和振荡电容连接端 当在 TL494 的 12 脚和 7 脚接上直流辅助电源 并在他的 6 脚和 5 脚分别接上振荡电阻 R 和 兰州理工大学毕业设计论文 振荡电容 C 后 就可在他的 5 脚上得到一个振荡频率为 f 1 1 RC 的锯齿波振荡电 压 V 直流输入供电范围在 7 40 V 之间 1 TL494 的特点 1 内置有 5 V 5 的基准电源 2 末级输出级的最大电流可达 250 mA 3 有死区时间可调控制端 4 可对他的锯齿波振荡器的工作状态执行外同步控制 5 末级输出可采用双端对称输出或单端输出的工作方式 2 TL494 的性能测试 1 工作电压对各参数的影响 如表 1 所示 此时调频电容为 9 nF 调频电阻 为 9 k 调宽电压为 2 5 V 从表 1 可以看出 工作电压 V 的改变对输出脉冲的周期 T 及脉宽 T1 无影响 而 脉冲的幅值 F 随着工作电压 V 的增加也逐步增大 工作电流 I 随电压的变化不是 很大 其 供电范围在 7 40 V 之间 而其工作频率可达 300 kHz 可见 TL494 的 可调性大 2 当 TL494 调频电容和电阻一定时 改变脉冲宽度 就会得到输出脉冲宽度不同的一 系列脉冲 这样就会得到调宽电压与占空比的关系 如图 1 所示 从图 1 可以看 出 当脉宽为周期的 1 2 时 效果最佳 兰州理工大学毕业设计论文 3 TL494 的应用 TL494 脉宽调制器件是目前微机电源中被广泛采用来构成其他激式直流开关电源的 专用器件 在显示电源和其他开关电源的应用中也常被采用 在大功率直流开关电源 中 为提高直流电源调整精度及易于完成各种自动保护控制功能 是直流开关电源中 常用的脉宽调制器件 而且价格便宜 下面介绍一个 TL494 的应用电路 该部分电路如下图所示 PWM 脉宽调制电路和半桥式变换电路 输出端经全波整 流输出电路合成构成开关稳压电源电路 兰州理工大学毕业设计论文 TL494 接成双端输出形式 由 TL494 0 脚输出的脉冲经 Q1 Q4 组成的图腾柱 式驱动电路进行缓冲 进一步提高驱动容性负载的能力 在由 B1 B2 隔离传送 形成 2 组驱动信号 分别驱动 2 个半桥变换器 调节 RW 2 可改变振荡频率 基准电压由 RW 1 调整加至 TL494 的 脚 这样通过调节频率和占空比可以得到不同的输出结果 如图 3 和图 4 所示 其中供电部分电压经可调变压器取为 50 V 图 3 所示是在周期 T 一定 而占空比可调时的结果 图 4 所示是占空比不变而周期 T 可调时的结果 当周期一定 改变占空比时 输出电压也随着改变 基本上当占空比较大时 输 出电压达到最大 而当占空比一定 周期改变时 输出电压随着周期的增大在逐渐减 小 也就是在频率较大时输出电压较大 4 优点 通过以上对电压驱动型脉宽调制器件 TL494 的介绍可知 该器件既可调频又可调 脉宽 且其可调性强 工作区间大 可用他搭建不同的驱动电路 由他构成的半桥变 兰州理工大学毕业设计论文 换开关电源 体积小 重量轻 可应用于其他各个领域 5 TL494管脚配置及其功能 TL494的内部电路由基准电压产生电路 振荡电路 间歇期调整电路 两个误差放 大器 脉宽调制比较器以及输出电路等组成 图1是它的管脚图 其中1 2脚是误差放 大器I的同相和反相输入端 3脚是相位校正和增益控制 4脚为间歇期调理 其上加 0 3 3V电压时可使截止时间从2 线怀变化到100 5 6脚分别用于外接振荡电阻和振 荡电容 7脚为接地端 8 9脚和11 10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电 极和发射极 12脚为电源供电端 13脚为输出控制端 该脚接地时为并联单端输出方 式 接14脚时为推挽输出方式 14脚为5V基准电压输出端 最大输出电流 10mA 15 16脚是误差放大器II的反相和同相输入端 6 回路控制器工作原理 回路控制器的方框图如图2所示 被控制量 如压力 流量 温度等 通过传感器 交换为0 5V的电信号 作为闭环回路的反馈信号 通过有源简单二阶低通滤波电路进 行平滑 去除杂波干扰后送给TL494的误差放大器I的IN 同相输入端 设定输入信号是 由TL494的5V基准电压源经一精密多圈电位器分压 由电位器动端通过有源简单二阶低 兰州理工大学毕业设计论文 通滤波电路接入TL494的误差放大器I的IN 反相输入端 反馈信号和设定信号通过 TL494的误差放大器I进行比较放大 进而控制脉冲宽度 这个脉冲空度变化的输出又 经过整流滤波电路及由集成运算放大器构成的隔离放大电路进行平滑和放大处理 输 出一个与脉冲宽度成正比的 变化范围为0 10V的直流电压 这个电压就是所需要的 输出控制电压 用它去控制执行电路 及时调整被控制量 使被控制量始终与设定值 保持一致 形成闭环单回路控制 1 输入电路 两个运算放大器IC1A IC1B都接成有源简单二阶低通滤电路 分别作为反馈信号 输入和设定信号输入的处理电路 在电路设计上 两个输入电路采取完全对称的形式 将有源简单二阶低通滤波电路的截止频率fp设计为4Hz 根据有源简单二阶低通滤波电 路中fp 0 37f0 f0为该滤波器的特征频率 选取C1与C2为1 F 然后算得R1与R2为 16k 这样可以滤除由于传感器距离较远输入引线过长而带来的高频杂波干扰和平滑 兰州理工大学毕业设计论文 传感器信号本身的波动 使加入到TL494的管脚1即误差放大器I同相输入端IN 的信号 尽可能地平滑和相对稳定 在有源简单二阶低通滤波电路与误差放大器I同相输入端 IN 之间接有10k 的限流隔离电阻 把TL494的14脚输出的5V基准电压源 用一3 3k 精密多圈电位器W1分压作为设定输入信号 通过与处理传感器反馈信号相同的电路 送入TL494的管脚2 即误差放大器I的反相输入端IN 端 实验中发现 R19 R20这两 个限流隔离电阻必不可少 否则 TL494误差放大器I的两个输入端的电位将相互影响 另外 实验数据还表明 TL494误差放大器的两个输入端在低电压时跟踪的线性不大好 故这里将两个输入运算放大器的放大倍数取为2 以改善反馈信号与设定信号的跟踪线 性 脉宽调制电路 在本控制器中只用到了TL494的误差放大器I 故将误差放大器II的IN 16脚 接地 IN 15脚 接高电平 为保护TL494的输出三极管 经R13和R10分压 在4脚加接近 0 3V的间歇调整电压 R9 R12和C5组成了相位校正和增益控制网络 经过实验 在本 控制器中振荡电阻和振荡电容分别取200k 和0 1 F 输出采用并取方式 取自发射 级 整机电源取12V单电源 2 输出电路 为了把脉宽变化的方波信号转换为大小变化的直流信号 通过开关二极管D1 电 容C8进行整流滤波 R15作为整波滤波的输出负载 还在脉冲截止期间为C8提供放电回 路 使C8上的电压与TL494输出的脉宽成正比 为使输出电压进一步平滑 提高带负载 能力以及使输出电压在0 10V之间变化 又加入了一级压控电压源二阶低通滤波电路 兰州理工大学毕业设计论文 在图中所示元件参数下 最大的直流输出电压是10V IC3A输出端接的10V稳压二极管 是保证在意外的情况下 使输出电压不大于10V 3 工作过程 当反馈信号大于设定值时 通过TL494的脉宽调制作用 其9脚与10脚并联输出信 号的脉宽减小 这个输出信号再经整流滤波电路及隔离与放大输出电路 使最后输出 的直流控制信号的电压相应下降 直流控制信号通过控制电路经执行机构 如电动机 电热管等 使被控制量下降 再进而通过传感器使反馈信号降低 形成单回路闭环控 制 当反馈信号小于设定值时 上述控制过程相反 另外 还可以根据被控制系统的 具体情况 来调整输入二阶低通滤波器的电容大小 使控制过程及时 准确 稳定 再有 为使控制过程直观 还应加上设定量及被控制量的显示 指示 电路 可从两 个输入端取出信号 然后分别通过隔离放大电路 如用运算放大器组成的电压跟随器 送到表头指示 表头可采用多功能数字式电子表头成品或直接用满量程5V的机械表示 4 实测数据分析 表1 表3的数据是在输出端接10k 负载电阻的开环条件下用DT9102A型数字万用 表测得的 其中反馈信号及设定信号分别用精密多圈电位器对标准5V基准源分压来模 拟 并且测量点取自IC1A及IC1B的输出端即IC1的1脚和7脚 输出取自IC3A的1脚 所 有单位均为伏 表表1 开环的条件下实测数据组1 设定 V 1 0211 0231 0221 0211 0201 0191 0181 0161 0151 012 反馈 V 1 2521 2401 2271 0271 1861 1621 1371 1131 0901 064 兰州理工大学毕业设计论文 输出 V 0 011 081 993 011 005 006 097 008 009 00 表表2 开环的条件下实测数据组开环的条件下实测数据组2 2 设定 设定 V V 2 2 03032 2 03032 2 03032 2 03032 2 03032 2 03032 2 02022 2 02022 2 02022 2 0202 反馈反馈 V V 2 2 18182 2 16162 2 15152 2 13132 2 11112 2 08082 2 06062 2 04042 2 0101 1 991 99 输出输出 V V 0 010 01 0 0 99992 2 0303 3 003 001 011 015 095 096 106 107