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绝缘电阻测试仪的设计_图文

大连理工大学 硕士学位论文 绝缘电阻测试仪的设计 姓名:李健 申请学位级别:硕士 专业:控制理论与控制工程 指导教师:刘华毅
20061201

人连理丁大学硕士学位论文
摘要
绝缘电阻是设备安全要求测试中的一项重要指标,也足判断绝缘体足否完整以及 绝缘体表面是否被污染的主要参数之一,通过测量设备的绝缘电阻可以及时发现设备 普遍受潮、局部严重受潮和贯穿性缺陷。原有的绝缘电阻测量设备是以半机械式的兆 欧表为主,其测量精度差,显示阻值低和无法一机多用等缺点限制了其使用范围。本 文针对上述缺点,将高频高压开关稳压电源和单片机控制引入到绝缘电阻测试系统中, 实现测量的自动化和宽量程,满足工农业中对绝缘电阻测量技术的需要。
首先,本文对绝缘电阻测试仪的技术背景以及国内外的发展状况进行简要明了的 介绍,并阐述本文主要研究的内容。其次,结合绝缘电阻测量中高电压,弱电流等特 点,通过分析绝缘电阻测量误差的来源,决定以单片机为核心,使用加压测流法的测 量方案。单片机主要完成采集和处理经过转化的数字量信号,完成键盘录入、液晶显 示等功能。而加压测流部分采用单端反激拓扑结构的DC/DC变换器和倍压整流电路 相结合的方式。可根据设定值将12V供电电压分别逆变整流输出500V,1000V,2000V, 5000V四个不同档位的高压。论文中,分析了此变换器的工作原理、电气设计和结构 设计中应该注意的问题以及解决措施。在随后的电阻分压电路中,高压通过绝缘电阻 和一个与其串联的标准电阻分压,分压后的电压信号经过射随器、A/D转换器送达单 片机,经过单片机处理后得到被测绝缘阻值并由LCD现实。在本文的后半部分,结合 流程图对整个软件系统的设计思想和一些重要的信号处理程序作以阐述。整个软件系 统是由c语言编写,共有四部分,分别是:液晶显示模块,键盘处理部分,模/数转换 和数据处理部分。最后,通过实例对所设计的系统进行了整机的测试,得到了较满意 的实验效果。
本系统的最大特点是: (1)采用高频DC/DC变换器逆变直流高压的高压电源具有体积小,稳定度高 的特点,可有效提高仪表的检测精度。 (萄整个系统的测量范围宽、精度高,对应500V一5000V的测量电压,测量范 围达0fl-3.3TQ,误差小于5%。
关键词:绝缘电阻;单端反激式;DC/DC变换器;单片机

大连理工大学硕f学位论文

The Design of Insulation Resistance Tester

Abstract

Insulation resistance(IR)is all important index in a testing of the safety equipment re-

quirement and also is one of major parameters in judging whether insulations are in good

shape or stained on the surface.A general wetting,local severe wetting or penetrability flaw

of devices t an be detected by measuring IR.Original IR testers are mostly semi—mechanical

megohmmeters of which a low accuracy,low displayed digital and failure in a tractor serv-

ing several purposes limit the megohmmeters usage and hide dangers.In this system,a high

frequency high voltage switching regulated power supply and a single chip computer con—

troller are introduced to realize an automatic measuring,a wide range and a high accuracy. The new IR tester can meet the need of lR measuring in industry and agriculture.

Firstly,this disquisition carries out a brief introduction on the domestic and interna·

tionai development situation as well as the technical background of IR tester,and then

elaborates the major content of the research introduced in this disquisition.Secondly,by

analyzing error Sources,combining with the natures of high voltage(Hv)and weak current

iII IR measuring,the scheme of a single—chip computer as a core and applying HV to meas- UIC current is devised.The single-chip computer collects and handles the di【gital value con—
verted from measuring signal achieves keyboard input and liquid crystal display(teD),etc.
The partition of applying Ha/to measure current is composed of the DC/DC converter(sin- gk end fly back topography)and voltage—multiplying rectifying circuit.The converter sup·

plied with a 12V D.C.voltage can generate 500V/1000V,2000V/5000V four different HVs.

1me author analyses the operating principle of DC/DC converter as well as elaborating some

particular problems to he noticed and corresponding method in the electrical and structural

rectj母啦ekcuit design.Furthermore,the HV produced from voltage—multiplying

is divided

by the IR and another standard resistance connected with IR in series.T1le divided voltage

signal is transmitted to the single·chip computer via voltage follower and A/D converter to

he handled and displayed on LeD.In latter partition of this disquisition,design methods of
Software system and programs to handle Some important signal are elaborated.The whole of software is programmed with C language and is divided into four parts,and they are;the model of LeD;the partition of keyboard handling;analog/digital conversion;the partition
of data processing.Finally,a test through examples shows that the system can obtain satis,

factory results.

The main features ofthis system:

Ⅲ一

绝缘电阻测试仪的设计 (1)The DC/DC converter can produce a D.C.HV with a high stability,which is
good for improving the precision ofthe whole system.
(2)The system has a wide measuring range of 0Q一3.3Tfl and a low error less
than 5%corresponding with 500V一5000V. Key Words:insulation resistance;single end flyback;DC/DC converter;,single-chip
computer
IV

独创性说明
作者郑重声明:本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外, 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:杏使日期:夕硎多.憎,)f

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大连理工大学学位论文版权使用授权书
本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”,同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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,也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。
争 作者签名:厦焦
导师签名:
趔g年—&月二』日

大连理工大学硕士学{奇论文
引言
绝缘电阻111121131是指用绝缘材料隔开两部分导体之间的电阻,而绝缘电阻测试仪是 用来测量绝缘电阻大小的仪器。为了保证电气设备运行的安全,应对其不同极性(不同 相)的导体之间或导体与外壳之间的绝缘电阻提出一个最低要求。
作为电器生产厂家,其生产的电器设备在出厂前均要进行一定电压下的绝缘电阻测 试试验,以保证设备的正常工作及使用设备人员的人身安全。许多电器设备在使用期间 也要定期进行绝缘电阻测试试验,例如在每年的黄梅季节和雷雨天气时期,各个企业的 各种电气设备,特别是高压设备都会有不同程度的受潮或局部损伤,使电气设备的绝缘 电阻减小,直接威胁着电气设备的安全运行及工作人员的人身安全。为了防止事故的发 生,必须定期对电气设备进行各种预防性试验。再如家用电器的安全要求规定:基本绝 缘为2MQ;加强绝缘为7MQ,这是为了电气设备的正常运行和工作人员的人身安全。 所以了解设备的绝缘特性就显得尤为重要了。影响绝缘电阻测量值的因素有:温度、湿 度、测量电压及作用时间、绕组中残存电荷和绝缘的表面状况等。通过测量电气设备的 绝缘电阻,可以达到如下目的:
(1)了解绝缘结构的绝缘性能。由优质绝缘材料组成的合理的绝缘结构(或绝缘系 统)应具有良好的绝缘性能和较高的绝缘电阻;
(2)了解电器产品绝缘处理质量。电器产品绝缘处理不佳,其绝缘性能将明显下降; (3)了解绝缘受潮及受污染情况,当电气设备的绝缘受潮及受污染后,其绝缘电阻
通常会明显下降; (4)检验绝缘是否能够承受耐电压试验。若在电气设备的绝缘电阻低于某一限值时
进行耐电压测试,将会产生较大的试验电流,造成热击穿而损坏电气设备的绝 缘。因此,通常各式各样试验标准均规定在耐电压试验前,先测量绝缘电阻。 可见,绝缘电阻的大小常能灵敏地反映绝缘情况,能有效地发现设备普遍受潮、局 部严重受潮和贯穿性缺陷。因此,测量绝缘电阻,是了解设备绝缘情况的重要手段之一, 是绝缘预防性试验中不可缺少的一项。 目前,国内绝大多数工矿企业在进行绝缘电阻测量时都采用老式半机械式兆欧表, 主要有以下缺点: (1)测量精度低,误差大。由于是人工摇动式发电,所产生的高压精度不高,而且 显示方式是指针显示,必然会有很大的测量误差。 (2)不能一机多用。在很多场合下操作人员希望对设备进行不同耐压条件下的测试, 对于传统的兆欧表只可以产生单一电压,因此远远不能满足实际要求。 (3)所能显示的电阻值较d',(500Mt2左右)。在有些时候,设备的绝缘即使出现问题, 其绝缘电阻值也可能在数Gfl。因此使用老式兆欧表是无法发现问题的。

绝缘电阻测试仪的设计
本课题正是针对以上工农业生产中设备绝缘电阻测量所存在的问题而提出的。与本 课题类似的研究成果和实际产品主要是绝缘电阻测试仪(俗称电子兆欧表)。国内的绝 缘电阻测试仪厂商,例如台湾的路昌,国营建华仪表厂等,其产品的测量范围大多都在 几Mg)~儿GQ,测量误差在5%一10%左右;国外产品,例如日本共立(KYORITSU) 和恒河,德国BEHA和GMC,美国的ED&D等,其产品性能,功能和精度较之国内产 品都更加优良,因此现在在绝缘电阻测试以及相关产品方面领先的仍然是国外的产品。 本系统汲取国内外产品的优秀和成熟之处,根据实际需要设计了一套测量量程和测量精 度都非常高的绝缘电阻测试仪,其技术参数和性能不逊丁,国外现有产品。
本课题“绝缘电阻测试仪的设计”主要尝试了一种新的绝缘电阻测量方法,其特点 主要是:相对于传统的兆欧表,绝缘电阻测试仪进行了本质上的改进,使其达到较高的 测量精度,而且全自动的测量流程减少了工人的劳动强度。
本文共分为五大部分: 第一部分既是本节,主要介绍了绝缘电阻测试仪的特点和国内外发展现状; 第二部分是全文的第一章,介绍了系统的总体设计思想,根据期望达到的目标参数 和绝缘电阻的测量过程,设计出系统大概框架结构,选择出所需要的关键技术; 第三部分是全文的第二章,系统的硬件设计(各部分功能模块的原理和功能)将会 被详细阐述; 第四部分足全文的第三章,主要介绍系统的软件设计; 第五部分是全文的第四章,讨论系统的调试和测量方法; 最后一部分为系统的结论,总结系统所实现的功能和特点,展望绝缘电阻测试仪的 使用前景。

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1系统总体设计
1.1系统要实现的功能 1.1.1绝缘电阻的测量过程
普通电阻的测量通常有低压下测量和高压下测量两种方式。而绝缘电阻的测量根据 其耐压要求,所旌加的测量电压大都在500V以上,因此绝缘电阻测试仪内部设有能够 产生不同高压的直流高压稳压电源,其工作原理如图1.1所示:
图1.1绝缘电阻测鼍示意图
Fig.1.1 Sketch map of IR measurement
在测量RI时,所需直流高压稳压电源输出一个已知的稳定的直流高压,随着如的 不同,R“上会线性分得不同的电压,通过采样、换算R“上的电压便可以得剑被测电 阻RI的阻值。
由于绝缘电阻测试仪在工作过程中自身会产生高电压,而测量对象又是电气设备, 为了保证测量结果的真实性,避免人身或设备事故的发生,绝缘电阻测试仪的使用过程 如下。
(1)根据被测设备的耐压等级选择测量电压。 (2)测量前的检查。测量前必须将被测设备电源切断,并对地短路放电,绝不允许
设备带电进行测量,以保证人身和设备的安全。被测物表面要清洁,减少接触 电阻,确保测量结果的准确性。 0)在测量过程中,应注意不要接触绝缘电阻表面和仪表端子,避免发生触电事故。 (4)在测量较大容量电容器、发电机、电缆线路和变压器等设备的绝缘电阻后,由 于它们本身存在的电容被绝缘电阻测试仪高压充电,测量后还带有高压,可能 会造成人身触电事故,所以测量完毕后应首先对被测物进行短路放电。 (5)为防止操作人员因为误操作而引起的触电事故或为保护测试设备和被测设备的 安全,绝缘电阻测试仪所产生的高压直流电源应具有可靠的过流保护功能。

绝缘电阻测试仪的设计
1.1.2绝缘电阻测试仪要实现的功能和·眭能 本课题将单片机与高频高压开关稳压电源相结合,以提高绝缘电阻测量自动化的水
平,尽可能多得减轻工人的劳动强度,提高丁作效率。所要实现的主要功能和性能如下: (1)利用开关电源实现高压输出,可以分别输出500V、1000V、2000V、5000V, 并且具有相应的过压、欠压和过流保护; C2)实现自动档位切换功能,在测量不同大小阻值的绝缘电阻时,可以自动投切不 同的电阻档位; (3)完成显示、键盘录入等人机界面功能,实现模/数转换,高压和低压两部分之间 的连接要安全可靠,并且不影响测量。 (4)设备可使用交流220V和直流+15V两种供电方式。 (5)测试绝缘电阻范围是0Q一3.3Tf2。 (6)测量误差小于5%。
1.1.3系统功能模块的划分 根据整机的功能和作用,可将本系统划分为四部分: (1)高频高压开关稳压电源; (2)分压电路; (3)模拟信号采集与转换电路; (4)数据处理、模拟开关控制及显示电路。
1.2主要技术选择 以上介绍了本课题所要实现的系统功能,并将其分成四个功能模块,要更好地实现
这四个功能模块的功能,需要对实现这些功能的技术进行必要的了解和谨慎的选择,以 下分别对四个模块的关键技术进行介绍和选择。
112.1高压开关电源电路 针对电路输出功率小,输出电压高,体积小等特点,采用了单端反激式的变换器拓
扑结构,通过单片机在不同基准电压之间进行切换,高频变压器的次级绕组经倍压整流 电路输出不同的电压值,分别对应着直流500V、1000V、2000V、5000V共4组输出电 压,不同的档位可由用户根据需要自行选择。根据对输出电压和电流的采样,控制电路 及时改变开关器件的导通时间,从而稳定地输出期望电压,并提供了过压过流保护,使 系统工作得更加稳定可靠,同时也可保护操作人员与被测设备的安全。
1.2.2分压电路
当高压产生,被测电阻接上后,为了使模拟信号采集与转换电路能够接收剑 15mV一2.5V之间的模拟电压信号,要求系统根据不同的被测电阻自动投切不同的标准电
4一

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阻,使得分压电路输出满足要求。其中自动投切电路比较复杂,它既可以用硬件实现, 也可以通过软件编程实现,考虑到软件编程的复杂性和不可靠性,在本系统中使用了硬 件实现的方法,具体的实现方式将在后续的章节中进行阐述。 1.2.3模拟信号采集与转换电路
电阻分压电路输出的电压信号是模拟信号,而且与高压有着直接联系,当被测电阻 不慎短路或是很小时,高压将会进入模拟信号采集与转换电路以及后续电路中,直接威 胁系统的核心器件与人身安全。因此在设计此部分电路时必须保证在各种情况下设备的 安全工作。此部分核心器件足16位的A/D转换器和具有高输入阻抗的运算放大器。 1.2.4数据处理及模拟开关控制电路
此部分电路以ATMEL公司的51系列单片机为核心,主要完成数据处理、模拟开 关的控制和人机界面的键盘录入与显示。
1.3系统总体结构设计 根据整个系统的设计要求将系统分为四部分,这四部分的关系与连接方式如图1.2:

高频高缝开关 稳压电源
1基准]
I皇垦广_一

500Vn000V,
2000V/5000v高 频高压开关稳压
电源



自动投卜Jl叫分压
切电路L—J2—一电阻

分压电路









A/D f.f{信号采



转换器r1集电路

模拟信号采集与转换电路
图1.2系统原理结构图
Fig.1.2 Slructure map ofsystem principle

绝缘电阻测试仪的设计
1.4本章小结 本章根据系统的设计要求和期望实现的功能勾画出系统的整体结构,在此基础上,
首先根据系统的功能划分出各个功能模块;其次根据务个功能模块要实现的功能选择关 键技术;最后给出系统的整体结构原理图。对于模块关键技术的介绍比较粗略,详细的 介绍会在后续的章集中给出。
6一

2系统硬件设计

大连理工大学硕{。学位论文

对于一个系统的硬件设计,最重要的是简单、安全、可靠、运行稳定并且要有良好 的保护措施,本章将重点介绍各部分硬件电路的功能及工作原理。
2.1高频高压开关稳压电源
可使用的开关电源拓扑结构有很多,例如单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式拓 扑,由于本系统中高压开关电源输出的电流很小,但是电压很高,所以选择成本低,适 合小功率的单端反激式拓扑结构。
根据系统要求,所设计的高频高压开关稳压电源应具有如下指标: (1)输入电压为交流220V或直流+15V。 (2)输出电压可根据需要设定为500V、1000V、2000V和5000V。 (3)具有过流保护功能,保护电流设定为0.6mA。 (4)具有过压、欠压报警功能,当输出电压超过或低于正常电压的5%时输出报警
信号。
2.I.1单端反激式变换器的工作原理
对于反激式变换器14115I,其输入输出之间以变压器的形式对电网进行电气隔离,虽 然隔离元件是以变压器的形式画出,但这个变压器的作用也是一个扼流线圈,做储能用 的电感。其中只有单一方向的磁通,即只工作在磁滞回线的第一象限,所以又称之为单 端变压器。其工作原理如图2.1。

图2.1单端反激式变换器原理图[41
Fig.2.1 Principle map ofⅡy—backcollvetter
当Tf导通时,在初级线圈中流过电流,并贮存能量,但由于扼流变压器的输入和输 出线圈的同名端极性相反,二极管D承受反向偏压,没有能量传送到负载R上。
当Tf关断时,由于线嘲中磁场的急剧减少,使得次级线幽的电压极性反向,二极管 D导通,从而向输出电容充电,并向负载传递电流,由于Tf与D工作相位相反,即Tr
—-7—·

绝缘电阻测试仪的设计
关断时,D开通,耦合的能量经副边传送至负载。这像在T,回程时传递能量一样,故称 ON.OFF工作方式或叫回扫变换器。
由丁二能量传递经过磁的转换,电网的干扰不能直接进到负载,故线路的抗干扰能力 强。其波形如图2.2所示。

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图2.2单端反激式变换器波形图 Fig.2.2 Waveform of fly—back conveilef

i.:旦t
’2_土Lrt

(2.1)

·m。普t“

(2.2)

由于Tf管段期间,流过副边绕组的电流JS=ISm--芒t,而IP.nNr=Is。Ns,即

-“=卺-m

(2.3)

大连理工人学硕t学付论文

式中IPm、Ism.—玢别为原边、副边电流的幅值(A)。
当LP、k为常数时,电流iv和is将按线性规律上升或下降,由式i。=Ism-_V0 t可知,
h 单端反击变换器随t的不同有三种工作状态。
(1)t。FF=专Is。时,则在L关断末了,is=0,在下一个Ts,iP从。按昔t规律上升,
如图2.2所示。

(2)t。。,导I。时,在Tf重新导通之前,若is早已下降为零,则为电流不连续工
VO
作状态。输出电压由下式决定;

vo 2拄矗℃K

亿∞

变压器的匝数比只影响剑晶体管上的端压(副边有电流时),Nr/Ns越大,晶体管 上的电压越高。当is降为零之后,TI所受的端压为Vs。
torp cLd。。/vo时,在Tr截止期末了,is并未衰见到o(is>o),这样,Tr重新导通时, ip不足从0开始,而将从对应于is。的iPmi。加上vdLp t,增量上升。这种周期结束时,
磁通没有刚到周期开始时的出发点的情况,有可能使磁芯内磁通随周期的重复而逐次增 加,导致磁芯的饱和而损坏高压开关管。因此一般足用粉末为压制的磁芯,或增加磁芯 气隙来增大磁芯的H。值(相应的B。值一般会减小),当初级电流达到最大值iP。。时, 磁芯不会进入饱和状态。另外,在TI截止期间,应考虑增加“去磁”环节,使t田in不 会增加。考虑到变压器原、副边绕组间存在漏感,在Tf关断瞬间,原边漏感乘上电流变 化率即为集电极承受的电压尖峰,加之,TI重新导通时is不为零,因此,D反向恢复电 流将引起原边晶体管集电极电流尖峰。为了削去这些尖峰,必须加上钳位电路。因此, 使用于反激变换器中的晶体管必须按照关断时的最高集电极电压和导通时的最大集电 极尖峰电流来选择一般在关断时,晶体管必须承受的最高集电极电压为:

K一=-≥一 1一口帆x

(2.5)

式中‰——最大占空比;

Vf一电源的电压。

由上式可见,K一大小与—m“有关。有时v。。。·3Vs一4Ⅵ,在选择晶体管时应注 意。为了限制集电极电压在一个安全的值之内,占空比必须保持在较低值通常取

p。-0.4左右,这样可以把最高集电极电压限制在K—c2.2Vs。 再从L导通时,必须满足集电极工作电流来看,则应为I。=Io/n,式中10为扼流

变压器输出的最大电流,n为变压器原边、副边的匝数比。

绝缘电阻测试仪的设计

为』能够根据受抉器的输出功翠科I输八电J盘求出临界电感值Lo带l集电檄最大尖峰

工作电流,扼流线圈中传出到输出的能量方程式为:

矗=㈤”



式中P0.一扼流线幽传到输出的能量(vo。
灯——变换器的效率。

加在变压器上的电压可以表示为:

v。=L矿di L鲁



假定生At击-丧一老,那缄z加瓢

Vs=iLflo

(2,8)



k半n.

(2.9) 、

将(2.9)代入到(2.6)得:

P0-j1叩K‰I。

整理得:

I。一可瓦2Po

(2·1。)

式中E。——最大接通时间占空比(s);

Po——输出功率(w)。

I。-瓦2Po 将(2.10)代入到Ic=Io/n中有:

(2.11)

2.1.2高频高压开关稳压电源框图
如图2,3所示,高频高压开关稳压电源主要包括:工作电源电路、PWM形成与控 制电路、功率驱动电路、高频变压器与缓冲器、倍压整流电路、输出电压控制、过流保 护与欠乐、过压报警电路。

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图2.3高频高压开关稳压电源
Fig.2.3 nigh frequence high voltage regulated power supply
根据上图,硬件系统工作环节可以分为如下几部分:(1)工作电源,为PWM形成 与控制电路、功率驱动电路和高频变压器等电路供电。(2)PWM形成与控制电路,根 据需要提供一定占空比的方波波形。(3)功率驱动电路、高频变压器与缓冲器,驱动 MOSFET工作在开关状态,通过高频变压器将电能从原边传递到副边,并对MOSFET 提供可以抑制dv/dt电压尖峰的缓冲器。(4)倍压整流电路,高频变压器副边输出经过倍 压整流后形成高压送给后续的分压电路。(5)输出电压控制,高压输出的电压通过输出 电压控制回馈给PWM形成与控制电路形成闭环系统。(6)过流保护,当高压输出电流 过大时,为保证人身和设备安全,过流保护启动,控制PWM形成与控制电路关断高压
输出输出。∽欠压、过压报警,当高压输出电压过高或过低不能保证系统正常测量时,
欠压、过压报警电路会给单片机发出信号。 2.1.3工作电源电路
从图2-3中可知。工作电源电路是系统的功率输入部分,整个系统的能量供给都由 这部分电路完成。图2.4给出工作电源的具体电路形式。为了减少体积,同时考虑到电 流较小的因素,将+5v供电直接由+12V通过三端稳压块7805给出。由于系统可以使用 交流220V和直流+15V供电,所以在稳压块7812的前端放置开关,当使用+15V电池 供电时将开关闭合即可。

绝缘电阻测试仪的设计
图2.4工作电源电路 Fig,2.4 Working power supply circuit
2.1.4 PWM形成与控制电路 PWM形成与控制电路足高频高压开关稳压电源的控制部分,其控制核心是TL49416l
芯片。 TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路,主要应
用在各种开关电源中。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。
TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、死区调整电路、两个误差放大 器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。图2.7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脚足相位校正和增益控制;4脚为间歇期调理,其上加0n 3,3V电压时可使截止时间从2%线性变化到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,该管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。
开关电源的控制部分电路如图2.5所示。 TL494内部有一个线性的锯齿波振荡器,其工作频率可以通过fosc。1.1/RTeG确 定,其中RT=Rs"CT=C1。 c22和Rl共同构成软启动电路,其工作过程为:当整个系统初始上电的时候TL494 的14脚输出Vra'=5V,在上电瞬间电容C22相当于短路,TL494的4脚为高电平,此时 的死区时间最大,TL494基本没有输出,随着时间的推移,电容C22上逐渐充满电荷并 建立起电压,TL494的4脚上电平也逐渐被拉向低电平,最终当电容Q2将直流电平隔

大连理工大学硕上学位论文 断,TIA94的4脚电平也降至0V,此后,TIA94的脉宽控制由电压反馈控制。
M旺田Dti%l
GND
图2.5开关电源控制电路
Fig.2.5Control circuitofswitchingpower supply
电压反馈刚路控制的工作流程为:被控制量(输出端的分压信号),作为闭环回路 的过压反馈信号送给TIA94的误差放大器1的IN+同相输入端。设定输入信号足由 TL494上自带的5V基准电压源经过四组精密的多圈电位器分压,由CD4052多路选择 器选通一路后接入TIA94的误差放大器1的IN.反相输入端,通过改变多路选择器不同 的导通通路,就可以将不同的基准电压施加到TIA94误差放大器1的IN一反相输入端, 反馈信号和设定信号通过TL494的误差放大器1进行比较放大,进而控制脉冲宽度,这 个脉冲宽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,形成闭环单匣l路控制。其中心为反馈电阻,对误差放 大器I反相输入端的信号实现一定的增益。
过流保护匣I路控制的工作流程和电路形式和过压保护回路相似,最大的不同之处在 于误差放大器2是工作在比较器方式,反馈回来的电压信号与基准电压源分压后的标准 电压相比较便可以对输出脉冲进行控制,当输出电流过大时,输出电流在采样电阻上的 压降就会大于标准电压,此时,TIA94截断输出脉冲序列,电源基本无输出。 2.1.5功率驱动电路、高频变压器与缓冲器
(1)功率驱动 在本系统中,使用MOSFET比使用双极型晶体管可得到更多的好处I_7I,特别当器件

绝缘电阻测试仪的设计
用在高频时。由丁二一般MOSFET工作频率都很高,所以必须采用一些预防措施,把高 频时出现的问题,例如寄生振荡,加以消除。
如图2.6(a)所示为带动一个电阻负载,共源极方式的MOSFET典型电路。 MOSFET工作在高频时,为了防止振荡,有两点必须注意。第一,尽可能减少 MOSFET各端点的连接线长度,特别是栅极引线。如果无法使引线缩短,则可按图2.5 所示,靠近栅极处串联一个小电阻&,以便抑制寄生振荡。第二,由于MOSFET的输 入阻抗高,驱动电源的阻抗必须比较低,以避免正反馈所引起的振荡。特别是MOSFET 的直流输入阻抗是非常高的,但它们的交流输入阻抗是随频率而改变的。因此,MOSFET 驱动波形的上升和下降时间,与驱动脉冲发生器的阻抗有关。上升时间和下降时间可按 下式进行近似计算:
t:(或tf)一2.2R。c。 式中:t:——MosFET驱动波形上升时间(ns);
t;——MosFET驱动波形下降时间(ns); R。——脉冲驱动l旦I路的电N(Q); ch——-MOsH.T的输入电容(pF)·c缸I-cGs+c∞; 上式中,只有在Z。苫R;时是有效的。选择R。,可以确定t:(或t;)。 由丁I对场效麻管控制实质足对输入电容C.。的充、放电控制,所以驱动线路的负载 为容性网络。由于电容上电荷的保持作用,驱动电路无需继续提供电流。为了快速开通, 提供充足的充电电流是必要的。为此vj电源内阻要尽量小。电阻R:是为关断时提供放 电回路的,应使电容电压快速泄放,R:值应>>R。。 另一个重要的事情是:MOSFET的栅.源极间的硅氧化层的耐压是有限的,如果实 际的电压值超过远见的额定值,则会击穿,产生永久性的损坏。实际的栅.源电压最大 值在20V一30V之间。值得指出,即使实际电压为20V,仍然要细致分析一下是否会出 现由于寄生电感引起的电压快速上升的尖峰,引起击穿MOSFET的硅氧化层问题。如 果关断期间提供负偏压,可进一步提高可靠性。 图2.6(b)为本绝缘电阻测试仪中的MOSFET驱动电路,当脉宽控制芯片TL494集 成的晶体管的基极上施加高电平的时候,BGl导通,电流流向为:+12V—TL494三极 管一心和R3,由于Rs很小,只有几十欧姆,所以可以使BGl栅源极之间的电容C0s 和栅漏极之间的电容CoD快速充电,有较快的上升时间和较好的上升沿波形;当脉宽控 制芯片TL494集成的晶体管的基极上施加低电平的时候,晶体管截至,BGl栅极被拉 至低电平,Cos中的电荷通过R8和R3释放,这样可以很好的完成关断过程。
一14

人连理1=大学硕士学俯论文
图2.6 MOSFET共源极电路(开关状态)和驱动电路 Fig.2.6 Common¥ouIce(switching state)circuit and drive of MOSFET
(2)高频变压器 图2.70)给出了一个带有和不带有气隙和不带有气隙的铁氧体磁芯典型的B/H磁滞 回线。应该注意的是,虽然B/H回线的磁导性(斜率)是随着气隙的增大而变化的,但 带与不带气隙磁芯的饱和磁感应强度B|是一样的。此外,在有气隙时,可工作的磁场 强度H明显增大,而剩余磁感虑强度B,则足明显减少,这些变化对反激式变换器来说 都是非常有利的。 由于反激工作位于第一象限的磁滞回线,磁芯在交流或直流作用下的B、H效果与 气隙有无关系,如图2.73(b)。 ①在交流电流下气隙的作用
开关电源开关导通时间所外加的电压比例与B.H平面垂直轴△B。的振幅(参 见图2.3(b))。此时,对应横轴有△H。变化。
在有气隙时,B—H特性斜率减小,特性曲线向横轴靠拢。在△B。不变条件下, A Hac将大大增加。这相当有效的减小磁芯的有效磁导率和减少原边绕组电感。但 不能改变交变磁通量或改善磁芯的交流性能。 ②在直流电流下气隙的作用
在绕组中的直流成分可在B.H回环的水平H轴上产生一直流磁力Hdc(Hd。与 直流安匝成比例)。对丁=一个确定的赴边电流负载,Hdc的值是确定的。
在没有饱和的条件下,带气隙磁芯可加上更大的H值(直流电流)。由图2.20) 可知,H的更大值Hdc2已经足以使没有气隙的磁芯达到饱和。因此,有大直流电流 时,气隙对防止磁芯饱和是有效的。当反激式变换器以连续方式工作时,有相当大 的直流分量成分,这是,必须有气隙。
总之,外加的伏秒值、匝数和磁芯面积决定了B轴上△B。。值;直流的平均电 流值、匝数和磁路长短决定了H轴上Ha。值的位置。△B。对应了△H。的范嗣,气 隙大△H。就大。必须有足够的线l割数和磁芯面积来平衡外加伏秒值。必须有足够 的磁芯气隙来防止饱和状态并平衡直流成分。

绝缘电阻测试仪的设计

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图2.7气隙人小与磁性工作点变化示意图
Fig.2.7 Sketch map of air gap VS magnetic point change
(31反激变换器的缓冲器设计pJ 在反激变换器中,引起开关应力高(导致开关损坏)的原因有两个:一是开关
关断时,漏感引起开关管集电极电压突然升高;二是负载线不够合理。两个原因都 是由于负载是电感性引起的,前者影响较大,后者次之。
抑制开关应力有两个办法【81。一是减小漏电感:二是耗散过电压得能量,或者 使能量反馈回电源中。
减少漏电感主要靠工艺。耗散过电压的能量可以依靠与电感线矧并联的RC缓 冲器(如图2.8)或与开关关联的RC缓冲器,而能量反馈回电源中则依靠附加的 线圈和定向二极管。

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图2.8开关过电压的抑制方法
Fig.2.8 Sestraining over voltage oil Tr
在反激变换器中,存储在变压器原边电感LP的主要能量在反激时期中将传送到 副边。副边回路寄生电感、电容C1的寄生电感,还有输出线路漏感折算到原边电 感用Lu表示,它与LP串连接在晶体开关管Tr集电极上,如图2.4所示。(Lp+LLT) 上的能量在Tf关断时产生过电压,重新按集一射极间的漏电容分配在集一射极间。 因此过电压是构成损坏管子的开关应力,必须加缓冲网络予以限制。
Tr导通时,Vs电压加在(LrtLLr)上.,由于D2反偏阻止Q的充电,所以Vc2。0。 当L关断时,由于反激作用,Tf集电极电压Vt快速上升,但由于D2此时有正偏 压而导通,使L电流被Q、R-分流,Vc2电压逐渐上升,即Vc电压也是逐渐上升, 而且钳位在2 Vs数值上。从而把vc上升的尖峰电压的顶部削去(如图2.4中所示 脉冲)。
在周期的剩下时间里,随着Rl放电电流减小,Q的电压降会返回到原来值。 多余的反激电能被消耗在R。上。此钳位电压是自动跟踪的,在稳态工作时,因为 Q的电压会自动地调整,直到所有多余的反激电能消耗在Rl上。如果在所有其它 情况下,都要维持某一恒定钳位电压,则可通过减小R。值或漏电感LLT的值,来抑 制钳位电压的升高趋势。
不能把钳位电压设计得太低,因为反激过冲电压也有有用的一面。在反激作用 时,它提供一个附加强制电压值来驱动电能进入副边电感。使变压器副边反激电流 迅速增加。提高了变压器的传输效率,同时减小了R1上的损耗。
缓冲器一般由电阻、电容、二极管组成,常和开关晶体管或二极管(包括高频 整流二极管)并接,使开关管电压应力减小,EMI减小,使负载线轨迹不超过安全 工作区,不发生二次击穿。

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2.1.6倍压整流电路

倍压整流电路的实质是电荷泵。最初由丁.核技术发展需要更高的电压来模拟人工核

反应,于是在1932年由COCCROFT和WALTON提出了高压倍压电路,通常称为c.w

倍压整流电路。图2.9就足多种倍压电路的电路结构图,他们各自都有优缺点,在选择

时应综合考虑。这三个电路都是6倍乐整流电路,各有特点。我们通常称每2倍为一阶,

用N表示,上述电路都足3阶,即N=3。如果希望输出电压极性不同,只要将所有的二

极管反向就可以了。

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图2.9多种倍压整流电路 Fig.2.9 Multiple voltage doubling rectifying circuit

电路1的优点是每个电容上的电压不会超过变压器次级峰值电压u的两倍,即2U, 所以可以选用耐压较低的电容。缺点是电容是串联放电,纹波大。电路2的优点是纹波 小,缺点足对电容的耐压要求高,随着N的增大,电容的电压应力随之增加。图中最后 一个电容的电压达到了6U。电路3是电路1的改进,优点是纹波比电路1小很多,电 容电压应力不超过2U。缺点足电路复杂。
在如此多的倍压电路中,电路1非常符合本系统的要求,在本系统中输出电流很小 (输出电流不会大于0.6mA时,超过0.6mA系统保护),所以电容上的能量(电荷) 不至被很快抽走,所以可以选用此种结构的倍压电路。
由于倍压整流电路的出现,不需要高频变压器在副边缠绕过多的匝数,只需将电压 提升到以前的一半、四分之一甚至八分之一等(取决于倍压整流的阶数),从而大大的

大连理T大学硕十学位论文
减少了高频变压器的体积,同时也减小了变压器副边首端和末端之间的电压差,副边不 需要过高的绝缘强度即可完成变压器的缠绕,大大的降低了高压风险和缠绕成本。例如, 在本系统的高压开关电源中,由于有倍压电路的存在,变压器副边只需要输出大约 2800V,经过~阶二倍压整流电路的升压,输出电压就可以达到5000V以上,而且还有 充分的余量,而变压器副边的首端和末端之间只需要2800V以上的耐压就可以满足要 求。已知空气的绝缘程度为1000—3000V/ram,所以副边厚度只需大约在3mm以上就可 以可靠满足现在的要求。如果没有倍压整流电路,变压器副边需要输出5500V以上(考 虑余量),则副边厚度至少要在6mm以上才足够可靠,而且如果缠绕过程中不注意工 艺,很容易就会使得某些层两侧距离骨架过近,造成爬电现象,影响绝缘性能,而最为 重要的是,如果副边输出的是5500V以上,其后续的整流器件耐压要比有倍压整流电路 的器件高出很多倍,这样的器件不但昂贵而且一旦损坏将直接对后续设备造成危险。本 系统中的倍压整流电路如图2.10所示。

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图2.10倍压整流电路
Fig.2.10 Voltage doubling rectifying circuit

当MOSFET导通时,电流自上而下流过T。原边,副边感应电动势为上负下正,副

边电流通过D2给C18充电,从而电源能量部分通过变压器Tl传送给副边电容,此时C18

上的电势为右正左负,另一部分则以磁场的能量形式储存在变压器中。当MOSFET关

断时,磁场能量要想副边释放,副边感应电动势为上正下负,此时C19承受的电压约为

变压器感应电动势加上c18上的电压,经过多个周期后,待输出稳定后,Cts上的电压始

终为一倍的变压器副边感应电动势,而c-9上的电压始终为两倍的变压器副边感应电动

势,而且是右正左负,这样HV端就可以输出5000V以上的高压。此时的输出纹波、k

为:

‰-竿去-等×丽瓦0.6x丽lO-3万m1.37 ”



fC



10伪(V) × llY × 4700 ×42

、’

式中: N——倍压电路的阶数,两倍压为一阶;

I——倍压整流电路输出的最大电流;
f一开关电源的工作频率;
C.——倍压整流电路中单个电容的容值;

一19

绝缘电阻测试仪的设计 2.1.7输出电压控制与过流保护电路
此部分电路如图2.11所示。 (1)输出电压控制过程 电压反馈信号足电阻R2l与电阻R12对HV端输出电压的分压信号,此信号传送至 TL494的1脚,同时,500V~5000V的基准电压信号经CD4052传送到TL494的2脚, 经过TL494片内放大器进行信号放大从而控制输出脉冲的宽度,实现电压的恒定。 (2)过流保护过程 由HV端输出的高压经过限流电阻R14、负载和电流采样电阻R10流凹到高频变压器 的另一端,电流采样电阻R。。上的压降信号传叫到TL494的16脚,与过流保护基准所 确定的限制电压比较,当压降信号大丁|限制电压时,说明高压电源提供的电流过大,有 可能损坏设备,要及时限流,所以TIM94将输出的学通脉冲宽度减小,使输出电压降低, 从而使输出电流被控制在安全值的范罔内。
::器
图2.11电压反馈和过流保护
Fig.2.11 Voltage feedback and ovei'-c'ull'ellt protection
2.1.8欠压、过压报警电路 绝缘电阻测试仪中的高压发生装置是系统中的易损器件,由于不正确的使用或长年
使用,很容易造成装置的失灵,其主要表现便是输出的高电压与期望值不符,从而直接 影响绝缘电阻测量的精度,有可能导致工程上的严重失误。因此,过压,欠压检测电路是 系统中必不可少的部分。
一20一

大连理T大学硕L学位论文 如图2.12所示,HV接高压输出端,当HV正常输出的时候(也就是对应不同的基 准电压可以分别输出500V/IOOOV/2000V/5000V不同的电瓜),ICsA之2脚的电压不会 比基准电压低,同时IC5B之5脚的电压也不会比基准电压高,因此E端输出为低电平。 如果HV输出的高电压比正常值低,则Ic5A之2脚的电压也随之降低导致低于3脚的电 平,从而E端输出高电平,通知单片机高压输出不正常;如果HV输出的高电压比正常 值高,则IC5。之5脚的电压也随之增高导致高于6脚的电平,从而E端也输出高电平, 通知单片机高压输出有问题。其中基准电压便是ICA芯片CD4052所输出的电压,在不 同的输出高压值情况下输出不同的基准电压。由于系统整体足线形的,所以在分别输出 四组高电压情况下,IC5A和Ic5B之2脚和5脚的电平都能有效的识别出基准电压,确保 保护动作的正确性。输出的四组高电压对应的四组基准电压送给脉宽调制芯片TL494, 因此在不同的四个电压下,TL494输出的脉冲宽度是与这四组基准电压成线性关系的, 也就是说,假如输出500V时,对应的基准电压为IV, 输出1000V时对应的基准电压 为1.5V,那么输出2000V和5000V时对应的基准电压便分别是2.5V和5.5V。由于TL494 输出的脉冲宽度直接决定了有多少电源能量从原边传送到副边,而且传送能量的数值与 脉冲宽度成正比,所以得出结论,IC5A和IC5B之2脚和5脚的电平可以在四组输出高压 情况下都充分反映高压输出的准确程度。
图2.12过压/欠压检测电路
Fig.2.12 over-voltage/under—voltage detecting circuil
在这一部分电路中,稳压管DVr2和电容C13都是起保护作用的,防止Icl5的输入电 平高于其供电电压。通过上面的方法,单片机很容易就识别出高压器件的故障并且及时 通知用户进行维修。当高乐输出出现问题的时候,过压,欠压检测电路的输出E端就会 出现高电平,同时,单片机就会捕捉到此信号,采取相应的措施。

绝缘电阻测试仪的设计
2_2高频变压器设计及主要器件选取
在系统中,大部分器件都足常规器件,只有高频变压器和倍压电路中的高压二极管 及高压电容需要特殊选择。
2.2.1高频变压器设计【5119】
由于高频变压器产生高压经过倍压整流后最大输出为5600V,也就是说要求高频变 压器输出最大为2500V,取2800V,此时电流最大为0.6mA,考虑其他损耗,取输出电 流最大值为lmA。所以,输出功率最大为5600V)(1mA-5.6W,输入电压为12V,频率 为37kHz。
下面是具体的设计步骤: (1)选择磁一15
如果效率为80%,则变压器传输的功率为5.6/0.8=7w。由于许多原因,例如磁 芯材料特性,变压器形状(主要是表面积对体积的比率),表面的热辐射,允许温 升,工作环境等等,无法把传输功率与变压器大小简单地联系起来。许多制造商提 供了特定磁芯的计算图表,作为磁芯尺’J。的推荐建议。在本系统中由丁输入输出功 率很小,所以对磁芯的有效横截面积可以不予过多的考虑,主要考虑的是其窗口面 积,因为用丁J产生高压的副边,需要缠绕上百匝甚至上千匝,此时会占用大量的窗 口面积。对丁.工作频率在37kHz的磁芯,其磁性材料可以选用日本TDK公司的 PC40(H7C4)磁芯或者选用其他同性能的磁芯,如CONDA公司的LP3磁芯,PHILIPS 公司的3C90磁芯等。具体磁芯选用的是东莞市久隆旺电子磁材有限公司的功率型 低损耗磁芯(JP材)Lryl0型的磁芯。 (2)计算ton
原边绕组开关管Tf的最大导通时间对应在最低输入电压和最大负载时发生。在 本系统中假定D=todTs=0.45,工作频率在前面提到为37kHz,所以有:
Ts一1 J氅;27Ⅳs 。ts 37×10。 t。=DTs=0.45x27=12.15#s
(3)计算最低直流输入电压
因输入电压足由三端稳压块提供,因此可令Vsmm=llV,Vs一=13V。
(4)选择工作时磁通密度值 已知UYl0磁路的有效截面积为A。=74mm2,假设工作在常温25"0,温升AT
为30℃一40℃,则60℃时饱和磁感应强度是450mT。以一般的铁氧体磁芯工作在 30kHz--40kHz时,65%的饱和值AB。。=450x0.65=292.5mT.实践证明,这时仍有一个 良好的工作区间。

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(5)计算原边匝数
因为作用电压是一个方波,一个导通期间的伏秒值与原边匝数关系为:
即盖
式中:N广原边匝数
tV。f一n_导原通边时所f日加q直(us流) 电压(v) △AcB_f磁一芯交有变效1二截作面磁积密(m(IinnD2)

计算得:Np=(13x12.15)/(o.2925x74)=7.297,取8匝 (6)计算副边匝数
Vo最高为2500V,考虑到后续倍压整流电路的压降和设计上留有的余量,将 Vo定为2800V。
原边绕组每匝伏数=Vs/Nv=13/8=1.625V。 副边绕组匝数为Ns=2800/1,625=1723匝。

(7)根据选定匝数重新修正占空比

因副边取整数1723匝,新的每匝反激电压为2800/1723=1.62507V,占空比必

须以同样的比率变化来维持伏秒值相等,所以

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1.62507+1.625 1.62507+1.625



(8)确定磁芯的气隙

上面已经分析过,带气隙的磁芯在一个更大的磁场强度H值下才会产生磁饱和,

因此磁芯可以经受一个更大的直流成分。另外,当H=0时,B,更小,磁芯的感应 强度B有一个更大的可用工作范围AB。最后,有气隙时,导磁能力降低,导致每 匝的电感量减小,绕组总电感值减小,但气隙的存在减少磁芯里直流成分所产生的

磁通。实际设计工作时通过调整气隙大小来选定能量的传递方式。下面介绍一种实 用的方法。插入一个常用气隙,例如O.5mm,用一般脉冲宽度控制方法,使开关电

源工作起来,并在变压器原边串入一个电流探针,缓慢调整脉冲宽度,使之在额定 输入电压下有额定负载。通过观察电流特性的形状,注意小心避免磁饱和,直到达 到所要求的输出电压和电流。

2.2.2主要器件选取

(1)MOSFET功率管的选取 在某些场合下功率型IGBT和MOSFET是可以互相代替的,但它们各自还有其
独特的优点和缺点,尤其是在频率特性上,尽管功率型IGBT秉承了MOSFET和双

绝缘电阻测试仪的设计
极晶体管复合的思想,但足由丁.其导通和关断时仍然需要注入和抽取载流子,因此 限制了其频率的进一步上升,在类似开关电源这样的1=作频率较高的环境中, MOSFET就成为设计者的首选。MOSFET的优点主要是:MOSFET是利用多数载 流子导电,不存在少子导电和多余载流子复合表现出来的存储时间,因此,MOSFET 动作快,频率高,不存在二次击穿,在有限管子直接并接时,由于有正温度系数, 可以自动均衡电流,不会产生过热点。由此,在本测试仪中选用MOSFET作为功 率开关器件。
在开关电源中,功率开关管MOSFET的选择是很重要的,它承受着相当大的电 流应力和电压麻力,因此,功率开关管选择不慎会导致其自身损毁甚至控制电路的 损坏。在本开关电源电路中,由于整体功率很小(不剑1.5W),所以给开关管的 选型留有很大的余地,而且保守的选择对整个系统的稳定足有好处的,故选择 intersil公司的IRF540N功率MOSFET。 (2)高压二极管与高压滤波电容的选取
倍压电路中高压二极管和高压滤波电容的选取主要考虑耐压问题。在图2.10中, 由丁|高频变压器副边的输出电压最高是U=2800V,则电容C18上的耐压应为一倍的 u,即2800V,考虑30%的余量,选用耐压为3640V以上的电容即可;而c19上的 耐压为2U=5600V,同样考虑30%的余量,选用耐压为7280V以上的电容即可。
高压二极管D2和D3两端的耐压为一倍的u,考虑30%的余量,选用耐压为3640 以上的高压二极管即可。高压二极管的另外一个比较重要的参数是1=作频率,如果 系统的工作频率过高,必须使用高频高压二极管,则整个系统的成本就会提高。
2.3分压电路110l
系统的分压电路由电阻分压电路和自动切换电路组成。
2.3.1电阻分压电路
电阻分压电路的T作原理如图2.13所示。图中R32为电源内阻,Rx为被检测设备的 绝缘电阻,R39、R“、R2s为分压取样电阻,HV为直流高压电源的输出。
当&比较小时(在不同的HV电压下“比较小”的概念不同,下文的“中等大小” 和“比较大”也是类同,它们都只是相对大小),常闭触点JⅪc和Jmc都足闭合的,此 时R28上的压降(也就是分压信号)足以达到15mV一2V之间,继电器Jl和继电器h不 动作;当如中等大小时,其上的压降降至15mV以下时,JKlc断开和Jrac导通,&5和 Rza同时接入(大小为100KK2),使分压信号的大小仍然满足在15mV一2V之间;当Rx 比较大时,其上的压降降至15mY以下时,JKlc和Jmc都断开,R39、R65和R2a同时接 入(大小为10MQ),仍然使分压信号满足在15mV一2V之间,如果小于15mV,则说 明被测的绝缘电阻阻值过大,已经超出现有高压下所能测量的最大值。

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图2.13电阻分压电路 Fig.2.13 Resistance voltage dividing circuit 注11JKlC和JK2C分别是继电器儿和J2的常闭触点
上面提到关于两个继电器触点JKlc和JK2c是根据分压信号的大小动作的,其实,在 图2.14中我们将看到,真正的判断依据并不足图2.13中所标示的那个分压信号,而是 上图所示的分压信号经过射随器缓冲后所得到的电压信号。由于图2.13中的分压信号和 高压有直接的关联,因此在引入到后续测量电路之前一定要进行一些缓冲和保护措施, 这些缓冲和保护措施的实施在下一节关于信号采集电路的介绍中将进行详尽的阐述。而 取样电路阻值得选取在2.4.1中介绍。 2.3.2自动切换电路
图2.14自动切换电路
Fig.2.14 Automatic switching circuit 一25一

绝缘电阻测试仪的设计 自动切换电路的工作原理如图2.14所示,输入信号是ADSlll0+,输出信号便足用 来控制继电器触点JKlc和Jrac的继电器以及状态输出端J1和J2。儿和J2在后面的单片 机控制电路中将作介绍。如图2.15所示,自动切换电路(丛1K档一10M档)的rT作过 程足:在上电初期继电器J1和J2加在心s和R3,两端的触点都是闭合的,当高压产生后, 电阻分压电路会立刻产生分压信号,此信号经射随器传递到自动切换电路中即 ADSlll0+端。 如果R。很小,分压信号大丁:2V,图2.14下方的Icloc和IcllA可能会有动作,但对 整个自动切换电路没有影响,因为此时已经超出设备的最小测量值;如果R。中等大小, 分压信号满足在15mV一2V之间,则自动切换电路无动作,两个状态输出端J1和J2都
是高电平,且系统处于1K档位上;如果Rx很大,分压信号必然要小于15mV,ICm 之7脚为高电平,C37通过R47充电,14s后IcllB之7脚也为高电平而且自锁,BG3导 通,J1A控制JKlc断歼,99Kfl接入,JKlB导通。随后,自动切换电路再次自动判断分 压信号是否小于15mV,如果否,可能稳定在100K档位,且J1--O,J2=1;亦可能大于 2V,档位退回到较小的档位。如果是,Icl∞之7脚高电平,延时14s后Icllc之8脚高 电平且自锁,BG4导通,而且保证BG6导通,使得IcllD的12脚正输入端为低电平BG7 关断。
图2.15档位自动切换流稃图(1KQ一10MO) Fig.2.15Flowchartofautomatic switching(1K.q-.10Mfl、 同时,J2A控制Jrac断开,Jx2E断开,导致JKIc闭合,JraB断开,9.999Mfl接入,99Kfl 排除,IOM档位建立,如果此时的分压信号在15mV-2V之间,系统仍旧处于10M档位, Jl=l:J2=0:如果此时的分压信号仍旧小于15mV,说明被测绝缘电阻值超出系统的最 大测量值;如果分压信号大于2V,表明档位要降低。

大连理工大学硕I:学位论文 下面分析自动切换电路从10Mf2—1Kf2的切换过程。如图2.16所示。此过程本质 上就是在相应的档位上分别将IcllB和Icllc的自锁电路释放。具体方法是:通过晶体管 BG5和BG7在不同的时刻分别将电容C37和C3s上的电荷释放掉,从而IcllB和Icllc的 正端电平被拉低至6V以下,使它们的输出逐次变为低电平,从而也逐次的控制JK2c和 Jrac导通,实现档位降低。
图2.16档位自动切换流群[虱(10Mo—IICQ) rig.2.16Flowchartofautomatic switching(10MO_1KQl
2.3.3自动切换电路的软件实现方法和硬件实现方法之比较 本部分电路中的自动切换电路起初是通过软件实现的,后来发现软件编程的方法有
很大弊端,其程序复杂而且程序量巨大,分支判断程序很多,加之液晶部分的子程序和 字符编码库更为冗杂,导致了ROM不足的情况,除此之外,自动切换电路的软件实现 对调试技术也提出了很高的要求,它不仅仅要求遍历到所有的分支程序,而且对每一个 分支程序的最终去向都要有所规定,防止程序跑飞。如果将自动切换电路的两种实现方 法作一下比较就不难看出两者的优缺点。
首先,软件实现方法首先要求得到有效的数据,根据数据的大小判断现在所处的档 位是过高还是过低,然而要想得到有效的数据需要电阻分压信号经过射随器缓冲,然后 再经过AD转换器转换,最后通过单片机进行软件滤波(具体为平均值滤波,在后文中 将作详细的介绍)最后才得到有效的数据,此间经历大约1.5s的时间,主要是因为AD 转换器的转换时间比较长,其次是单片机的计算时间。但是硬件的实现方法所消耗的时 问仅仅是射随器上的延迟,而且这个时间是微秒级的。可见,通过硬件电路实现此部分 功能比软件实现要灵敏,可以有效地提高系统的稳定程度。
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绝缘电阻测试仪的设计
其次,软件的实现方法在档位切换时由丁J每一时刻只可能有一条指令在执行,或者 说只可以是单线程工作,以及存在较大的延迟,所以很容易出现问题,例如,一个绝缘 电阻与标准电路分压后电压恰好是15mV左右,则经过AD转换器采样和单片机软件滤 波后第一次得出的数据足16mV,很明显此时不需要切换档位,但是由于干扰或者噪声 的影响。使得下次的采样数据由个别发生变化,导致单片机软件滤波后的数据变为 14mV,则单片机会控制继电器电路进行换档操作,由于任何的类似绝缘电阻测试仪的 设备在档位和档位之间都处在间隙和重叠以保证量程的完整性,所以在上面切换档位完 毕后,很有可能也困为干扰和噪声的原因使得软件滤波后的数据变为大于2V,此时又 会发生降低档位的操作,如此循环就会发生震荡,这对用户的操作和读数足不利的。即 使在程序中引入延迟程序也无法弥补上面所说的那种情况,而且会使程序过于复杂并且 出现严重的非即时性。如果通过硬件电路的方式来实现档位的切换功能,则会很好的避 免软件方式的不足。首先,硬件电路基本无延迟,所以可以在第一时间反映分压信号和 档位应处的状态;其次,硬件电路可以并行触发,同时丁作,各自完成其本身的功能, 例如用于控制继电器线斟有效的电路中的电容放电可以和用于控制继电器线阁失效的 电路中的电容充电同时存在,由丁二这种机制的存在使得上面那种处于换档位置的分压信 号不会出现在15mV和2V两种状态之间反复跳动的情况。
再次,从成本方面考虑,通过硬件实现的自动切换电路中的器件都是非常平常的器 件,其成本不是很高;通过软件实现这部分电路时,主要是程序量大,所以要选用ROM 存储空间大的单片机,其成本和通过硬件实现的电路成本足相近的。
2.4模拟信号采集与转换电路
高压信号经过被测的绝缘电阻和标准电阻分压后产生的15mV-2V电压信号要经过 缓冲、转换最终以数字信号的形式送到单片机中进行处理显示,整个信号的缓冲和转换 任务都足由模拟信号采集与转换电路完成的,这部分的具体组成分为两部分:包括信号 采集电路和模拟/数字转换电路。
2.4.1信号采集电路11l】【12l
信号采集电路的电路如图2.17。 本电路的输入信号是分压信号,此信号正常情况下为15mV一2V之间,经过DW4 和C2、C3保护后,进入IC9射随器,最后输出给ADSlll0。其中DW4为稳压管,其稳 压值为12V防止分压信号前方器件损坏造成分压信号超过12V的芯片安全电压。IC9 选用的是Intcrcil公司的CA31401”1,其主要特点足输入阻抗高(1.5MQ),输入电流小(供 电电压为15V时,仅为10pA),很宽的共模输入电压范围等。本系统中选用CA3140的 主要原因是其输入阻抗非常高和输入电流非常小,因此其正输入端前方可以接入阻值很 高的限流电阻,在本系统中限流电阻为R41,阻值为3MQ。
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分fI靠号

大连理工人学硕1.学何论文

∞+ ∞.

图2.17信号采集电路
Fig.2.17 Signal collection circuit
在电阻分压电路第一节中。通过分析我们了解到,如果希望测量更高阻值的被测电 阻,一种方法可以通过提高高压开关电源的输出电压,使得标准电阻上的电压降足够大, 但是,工厂中的大部分设备都是有一定的耐压等级要求,因此不可以一味的提升电压, 而且仅仅提升高压输出值对设备和人身的安全也是一种严重的威胁;另一种方法可以通 过增加标准电阻的阻值来获取更高的分压信号。选用标准电阻的阻值应该考虑如下几个 方面。
首先足分压信号的电压输出范围,在此我们定为15mV-2V。分压信号最小选择 15mY足冈为缓冲电路的放大器的输入失调电压一般都足在几毫伏剑十几毫伏,CA3140 输入失调电压的典型值为5mV,最大为15mV,为保证射随器的输出对输入为线性关系 所以选择分压信号的最小值为15mV。分压信号最大选择2V足冈为在射随电路后续的 A/D转换器ADSlll0的模拟电压输入范围是.2.048V一+2.048V。
其次是系统的测量最大值与高压输出值,在本系统中这两者分别为3.卯Q和5000V (分别是两者的最大值),所以流过被测电阻的电流最小值为5KV+3.3TQ一1.5nA,从 而最大的标准电阻为15mV+1.5hA一10Mf2,另外两个标准电阻就分别是100Kfj和
1KQ。
可见标准电阻为10Mfj时,由于射随器的输入阻抗并不是无穷大,必然会有一部分 电流流入到放大器中,其实相当于10Mr2和放大器的输入阻抗并联,则测量值必定是不 准确的。现在CA3140的输入阻抗为1.5Tf2,输入的偏置电流为10pA,10Mf2仅仅为 1.5TF2的十五万分之一,这个在百分之五的误差条件下是可以忽略不计的,但是主要考 虑的对象是流入放大器的电流,其中1.5hA中有10pA没有经过标准电阻,占1.5hA的 一百五十分之一,也就足相当于有一百五十分之一的电压降丢失,从而也就造成了一百 五十分之一的误差,可见不能为了提高量程就一味的增加标准电阻的阻值,同时这也是 为何要选用高输入阻抗的放大器的原因,然而这一百五十分之一的误差是无法很好的补 偿的,因为每一个放大器在出厂的时候,其性能参数都不是完全一样的,因此这部分误 差只能和其他误差归为一起,在后续的软件程序中通过实验的方法进行补偿,这部分内 容将在软件部分作详细的介绍,其实验参数也会在附录A中给出。

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2.4.2模拟,数字转换电路 (1)ADSlll0总体介绍1141 ADSlll0是精密的连续自校准A/D转换器,带有差分输入和高达16位的分辨率,
ADSlll0可每秒采样8、16、32或128次以进行转换。片内可编程的增益放大器PGA 提供高达8倍的增益,允许对更小的信号进行测量,并且具有高分辨率。在单刷期转换 方式中,ADSlll0在一次转换之后自动掉电,在空闲期间极大地减少了电流消耗。
(2)ADSlll0输出码的计算
表2.1最小码和最大码
Tab.2.1 The maximal value and minimal value
使用ADSlll0需要熟悉输出码的计算方式。输出码是一个标量值(除电路削波以外), 它与两个模拟输入端的压差成比例。输出码限定在一定数目范围内,该范吲取决丁代表 输出码所需要的位数,而ADSlll0的代表输出码所需要的位数又取决于数据速率,如 表2.1所示
对最小码的最小输出码、可编程增益放大器(PG舢的增益设置、vin+与v0.的正负输 入电压以及VDD而言,输出码可由以下表达式计算出:
输出码:(-1)×最小码×PGAx』立÷!:£生!
VDD
本课题选用采样速率8,输出码位数为16位,由于系统工作在单电源状态,因此其 输出码位数只适用15位,即0—32768。
(3)ADSlll0的使用 ①12C接口 ADSlll0通过一个12C(内部集成电路)接口通信。12c接口是一个2线漏极开路输出 接口,支持多个器件和主机共用一条总线。12C总线上的通信通常发生在两个器件之间, 其中一个作为主机,另一个为从机。主机幕l从机都能读和写,但从机只能依主机的方向 工作。一些12C器件既可作为主机又可作为从机,但ADSlll0只能作为从机。 一条12C总线由两条线路组成:SDA线和SCL线。SDA传送数据,SCL提供时钟。 所有数据以8位为一组,通过i2c总线传送。为了在12C总线上传送1位数据,须在SCL

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为低电平时,驱动SDA线至该位的电平(SDA为低则表明该位为“0”,为高则表明该
位为…1)。一旦SDA线稳定下来,SCL线被拉高,然后变低。SCL线上的脉冲以时
钟速率将SDA位一位一位地移入接收器的移位寄存器中。 12C总线足双向的,SDA线可用来发送和接收数据。当主机从从机中读取数掘时,
从机驱动数据线;当主机向从机发送数据时,主机驱动数据线;主机总是驱动时钟线。 ADSlll0绝不会驱动SCL,冈为它不能用作主机,在ADSlll0中SCL只是一个输
入端。 多数时候总线足空闲的,不发生通信,而且两条线均为高电平。在产生通信时,总
线被激活。只有主机才能丌始一次通信。为了开始通信,主机在总线上形成一个开始条 件,通常只有在时钟线为低电平时,数据线才允许改变状态。如果在时钟线为高电平时, 数据线改变了状态,则形成一个开始条件,或相反地形成一个停止条件。开始条件是当 时钟线为商电平时,数据线从高到低的跳变;停止条件则足当时钟线为高电平时,数据 线从低到高的跳变。
在主机发送开始条件以后,它还会发送一个字节,表明它想与哪一个从机通信,该 字节称作地址字节。|2C总线上的每个器件都有一个独特的7位地址以作出响应。主机 以地址字节发送一个地址,并且还发出一位以表明是对从机读出还足写入。
对于在12C总线上发送的每个字节,无论足地址还是数据,均以一个应答位作为响 应。在主机发送完一个字节即8位数据剑从机后,它停止驱动SDA线,并等待从机对 该字节的应答。从机将SDA线拉低以对该字节进行应答,然后主机发送一个时钟脉冲 以对该应答位定时。类似地当主机完成对一个字节的读取时,则将SDA线拉低以对从 机作出应答,然后发送一个时钟脉冲对该位定时。
在一个应答周期期间,不作应答,只是保持SDA线为高电平。如果器件不在总线 上,并且如果主机试图对其寻址,它不会接收到应答信号,因为该地址处没有器件将 SDA线拉低。
在主机完成与从机的通信后,它会发出一个停止条件。在发出停止条件后,总线再 次空闲。主机也可发出另一个开始条件,在总线处于激活状态时,若发出一个开始条件, 则要求一个重复的开始条件。
②ADSlll0的12C地址 ADSlll0的12C地址是1001aaa,其中aaa是出厂时的默认设置。ADSlll0有8种 不同的类型,每种类型郁有一个不同的[2C地址。例如,ADSlllOA0的地址为1001000, 而ADSlll0A3的地址则为1001011。 ③对ADSlll0的读操作 用户可从ADSIll0中读出输出寄存器和配置寄存器的内容,为做到这一点,要对 ADSlll0寻址,并从器件中读出三个字节。前面的两个字节是输出寄存器的内容,第三

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个字节是配置寄存器的内容,并不总是需要从ADSlll0中读取三个字节,如果只需要 输出寄存器的内容则只需读两个字节。从ADSIll0中读取多丁:三个字节的值是无效的, 从第四个字节开始的所有字节将为FFH。
④对ADSlll0的写操作 用户可写新的内容至配置寄存器,但不能更改输出寄存器的内容。为了做剑这一点, 要对ADSlllO寻址以进行写操作,并对ADSlll0写入一个字节。这个字节被写入配置 寄存器中,对ADSlll0写入多个字节到ADSlll0无效,ADSlll0将忽略第一个字节以 后的任何输入字节,并且它只对第一个字节做出应答。 (4)ADSlll0与单片机连接的硬件实现 图2.18所示为ADSlll0与单片机连接电路。因为AT89C52本身不集成有12c接口 电路,因此需要用其IO接口来模拟实现12c接口电路,这里选用P2.6和P2.5两个引脚。 P2.6作为数据引脚,它的作用是由主机和从机来驱动它以传送数据;P2.5作为时钟引脚, 由主机来驱动它,以产生传送数据所需要的时钟信号,时钟信号通过对单片机编程控制 来产生。 数据线和时钟线都需要上拉电阻,冈为12C总线驱动器是漏极开路驱动器,这些电 阻的大小取决于总线的1=作速度和总线电容阻值。较高的电阻功耗较低,但会延长总线 的转换时间,限制总线速度;阻值较低的电阻,允许总线高速运转,但功耗较高。长总 线的电容高,需要较小的上拉电阻来补偿,电阻不应太小,如果电阻太小,总线驱动器 可能不能将总线拉低。上拉电阻的典型值一般为1Kfl~IOKQ,本课题采用10Kfl上拉
电阻。
图2.18 ADSlll0与单片机连接电路 F培2.18ThecircuRofMCUconnectingwitlIADSlll0 从上面的介绍可知,ADSlll0的模拟输入端足一个内部集成的可编程放大器。而分 压信号不直接送入ADSlll0,却要经过一个CA3140组成的射随器足因为ADSlll0内
部集成的放大器的差分输入阻抗和共模输入阻抗分别仅仅只有2.8MQ/PGA和 3.5MQ{PGA.L21,在2.3.1节中已经作过详细的介绍,如此低的输入阻抗将会引入很 大的误差,必然会影响到测量精度。

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2.4.3模/数转换器的保护措施
在ADSlll0的说明文档中给出vm+与vjn之问的模拟输入电压范融(GND.0.2V)一
fv“+O.2v)。所以,为保护ADSlll0,在模拟输入端之间接入DW5和Ca4。起初考虑到 电压绝缘的问题,因此希望可以引入光电耦合器,但本系统中,需要隔离的器件之间足 模拟信号之间的传送,所以必须要考虑线性光耦。在查阅一些线性光耦的资料和文档后 发现,线性光耦并不适合应用在本系统中,原因如下:
首先,线性光耦的绝缘程度达不到要求。以Agilent公司的HCNR200/201为例,其 隔离电压为1414V,远远达不到本系统的要求。
其次,被隔离两侧的辅助电路复杂。根据线性光耦的工作原理可知,之所以线性光 耦可以工作在线性状态,主要是因为在其内部增加一个用于反馈的光接受电路用于反 馈,其它部分与不同光耦没有区别。由于线性光耦主要隔离的是其两侧的电流,要想真 正实现电压上的隔离,需要在输入和输出两侧增加运算放大器等辅助电路。同样,高频 开关电源的反馈环节也要加入光电耦合器,以保证高压部分和其它低压环节真正实现电 器上的隔离,如果是这样,其复杂程度可想而知。
再次,如果引入光电耦合,则光电耦合电路两侧的辅助电源必然要至少设计两组, 以满足真正电器上的隔离。
2.5数据处理及模拟开关控制电路
这部分电路包括两部分,一是输入输出控制,二是键盘与液晶。电路如图2.19。
2.5.1输入输出控制电路
输入输出控制电路主要由图2.19中的A、B、E、J1、J2和AD转换器的时钟线和 数据线组成。
(1)其中J1和J2是自动切换电路的两个状态输出,在2.2.2节中已经介绍过,在此 唯一要说明的是,从自动切换电路传送到数据处理与模拟开关控制电路的信号是一个 12V左右的电压信号,所以在进入单片机前要进行简单的电压转换,即通过两个电阻分 压,将12V电平转换成5V电平后分别送入到单片机的1'3.5和P3.6口。
(2)在2.1.5节中介绍过,E是过压/欠压检测电路输出的状态信号,当E为高电平 的时候说明高压输出出现问题,应该及时检修,正常情况下为低电平,与J1和J2信号 类似,E信号的电平也是12V,所以也要经过电阻分压转换成5V电平信号传送到单片 机的PL7口。

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6m卜-IXDVsl一

图2.19数据处理与模拟开关控制电路【巧11“l【171
Fig.2.19 The circuit ofdata processing and switch controlling
(3)A、B信号的用来控制CD4052的选通通路,其对应关系为: (1) 当A=0,B=0时,为0y—y导通,500V电压对应的基准电压送给TIA94. (2) 当A=I,B=0时,为1y—y导通,1000V电压对应的基准电压送给TL494; (3) 当A=0,B=I时,为2y—y导通,2000V电压对应的基准电压送给TL4舛; (4) 当A=I,B=I时,为3y—y导通,5000V电压对应的基准电压送给TIA94。
(4)AD转换器的时钟线(scL)和数据线(SOA)分别与P2.5 1:3和P2.6口相连,其上的 信号传送规则满足12C总线协议,具体内容详见2.3.2节。对于AT89C52单片机,由于 其本身不带有能够实现12C总线协议的硬件结构,所以要使用软件的方式通过P2.5口和 P2.6口控制总线上电平的高低,由于这种方式没有相应的硬件电路支持,所以称之为虚 拟12C,其软件程序的介绍将在下一章给出。
2.5.2键盘与液晶
(1)键盘电路

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在单片机应用系统中,通常具有人机对话功能,能随时发出各种控制命令和数据输 入以及报告应用系统的运行状态与运行结果,因此键盘电路被广泛应用于各种人机界面 的环节中。键盘电路可分为独立连接式和矩阵式两类,每一类按其编码方法又都分为编 码及非编码两种类型。
独立式按键足指直接用I,O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一 根IlO口线。每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。独立式按键 接口电路配置灵活,软件结构简单,但每个按键必须占用一根I/0口线。在键数多时, I/0口线浪费较大,故只在按键爱女数量不多时才采用这种按键电路。
在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式。 此种方法在键数比较多时才能体现出其自身的优势。
由于本绝缘电阻测试仪的操作非常简单,大部分时候都工作在自动测量状态下,只 有在“高压选择”、“重新测量”的时候才有用户选择的需要,所以选用三个按键组成 的独立连接式键盘电路,如图2.19中左上部分所示,这部分电路由右移键(—÷),确认键 (SURE)。停止键(STOP)三个按键构成就足以满足所有要求。
(笏液晶及其接口电路”8’ 本系统中所使用的器材为东显公司的液晶产品,型号为EDMl9264-03SMS.E,点阵 规格足192x64点,8位并行数据接口,具有背光功能,内置DC.DC变换电路,具有四 个“×64的驱动芯片,其中三个用来控制选通液晶的左中右屏幕,另一个控制选通哪一 行。典型电路和与单片机的连接电路如图2.19所示。其终端输出的引脚意义如下表2.2。 由于单片机的输入输出端口占用较少,所以P0口的全部端口和P2口的部分端口作 为液晶显示的指令控制和数据传输口。由于本部分主要介绍的足系统中有关硬件方面内 容,但足液晶的大部分功能实现都足通过软件程序控制的,所以有些关于液晶的内容放 在下一章中结合软件程序进行介绍,例如指令控制字的意义,显示控制芯片选通信号的 具体分工等,并且将会结合表2.2进行详细的说明。
表2.2液晶I/O接线端口表
Tab.2.2 I/0 tⅡIninal table of LCD

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2.6本章小结 经过上面几个小节的阐述,系统硬件的设计基本介绍完毕,在总结他人的成功经验
和本系统的设计实践后,得出一些需要注意的问题。 (1)对于高频变压器的设计其实存在很多种的方案,它们都足可行的,根据它们各
自的侧重点不同以及考虑的主要因素不同,就产生了面积乘积(AP)算法和几何参数(KG) 算法,他们各自都有其自身的优点和缺点,使用的时候应该综合考虑。还由于变压器的 设计是一项实际应用的技术,所以在设计过程中,经验起了很重要的作用,设计完成后 的观察和总结也是极其重要的。
(2)关于高压开关电源工作频率的问题。从减小输出纹波和减4,N边高压电容的角 度考虑,系统的工作频率应该是越高越好,但是同时带来的问题是,对于副边的整流二 极管而言,是否能工作在如此高的频率下将随着频率的增加而成为设计者重点考虑的对 象。如果能,则其成本必然要比在频率较低的情况下高。而频率过低时,要达到同样的 设计要求,就要求将昌Ⅱ边高压电容的容值和体积都增大,成本同样非常高,因此,为折 中这两方面的矛盾,将频率定位在30KHz-40KHz。

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(3)关于功率场效应管的驱动问题。在很多的文献和资料中都提到:由于场效应管 的栅极和源极之间最大可以承受20V左右的电压,所以为保护场效应管,在其栅极处加 上了稳压管。这样做是非常可取的,由于本系统中原边最高输入电压仅为12V,驱动部 分也不会超过20V,而高压侧有绝缘性能非常好的高压变压器进行隔离,所以本系统中 并没有采用稳压管保护的策略。
本章主要介绍了绝缘电阻测试仪的硬件结构设计,通过上面四节的介绍不难发现, 本系统足一个结合多方面内容的设备,它不仅有单片机作为控制单元,良好完善的人机 界面,还有高频高压开关电源的相关内容,可以说本系统足一个典型的强弱电相结合的 例子。从信号的产生,传输,转换和处理,本文也都给了详细的介绍。

3系统软件设计

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一个现代化的、性能优良的设备需要配备相应功能的软件设计。软件设计【19J虽然足 基于硬件实现的,但是越来越多的现代化自动设备给出了很好的回答:硬件设计固然足 基本,但是良好的软件设计也足衡量一个系统、一个设备是否完善的重要因素。
系统的软件设计包括液晶显示部分、键盘录入部分、模拟/数字转换部分以及数据处 理部分。每一部分都足以子程序的方式给出,最终通过主流程(main函数)将各个部分串 接成一个整体。软件系统的整体流程图。如图3.1所示。

图3.1软件系统总流程图(main函数l
Fig.3.1 Main flow chart ofsoftware system(main function)
3.1液晶显示程序
液晶显示程序1201121l在整个软件系统中占有较大成分,由于液晶程序中的大部分子程 序都是根据液晶的时序和控制字设计而成,因此首先介绍一下液晶的这两方面内容。
(1)液晶的读写时序 如果希望单片机通过输入输出口和液晶很好的通信,必须按照液晶资料所给的读写 时序来设计程序。所谓液晶的读写时序就是单片机按照一种顺序使不同的电平出现在液 晶不同的端口上,而液晶根据这些时间上不同出现的电平信号的顺序确定需要执行的内 容。正如表2.2液晶I/O接线端口表中,“说明”中说介绍的,我们可以看到,要想实

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现某些功能,首先要让D/I端和R/W端为低电平,然后使能端E出现下降沿后,液晶

便可以将代表某种意义的指令读入到液晶内部,这就足所谓的时序。在本系统中所用到

的液晶涉及剑时序的端口为E、R/W、CS(D/O和DBO~DB7,它们的时序见图3.2,具体

关系请参考表2.2。

E-\几;.\几 写操作时序



读操作时序

苗咖踟—R]S二—X—二口二厂]allI;—;二—厂X二——二口]]CC

图3.2液晶读写操作时序
Fig.3.2 LCD timing diagram for write and read operation
(∞液晶的控制指令 液晶的控制指令是单片机用来指挥液晶工作的命令字,不同的指令,液晶完成的任 务也不相同,控制指令和其对应的意义如表3.1所示。通过表格我们可以看出不同的R/W 和D/I状态可以产生不同的动作状态。根据表3.1中所给出的控制指令可以确定几个最 基本的液晶子程序,它们分别是lcdbusyL、lcdbusyM、lcdbusyR、wtcom、WrcmdL、 WrcmdM、WrcmdR和Wrdata,这些函数的意义和功能将在附录B中液晶部分做出介绍。
表3.1液晶控制指令表
Tab.3.1 LCD control instruetions table

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3.2键盘程序 由于系统中键盘的硬件电路非常简单(见2.5.2),因此其对应的软件也非常简单。
键盘程序【22】共由三个子程序keyscan、ChooscOnclnFour和ChooseOnelnTwo组成。keyscan 函数足键盘键值扫描程序,通过调用此程序便可得剑用户按键的键值,从而了解用户意 图,实现人机界面。keyscan函数的T=作过程是:单片机将P1.0~Pl,2口置为高电平,随 后不停判断这三个口线上电平的变化情况,当有低电平出现时,说明有键按下。去抖后 再次判断此口是否仍旧是低电平,如果是说明此次案件有效,通过判断是哪个口为低电 平便可确认足哪个键按下,从而获取对应的键值。 3.3模/数转换程序
在2.4节已经介绍过模/数转换器和单片机之间的数据传输是通过12C总线实现的, 但是单片机中并没有集成可以实现12C的硬件电路,因此要通过虚拟的方式来模拟i2c
总线,其子程序详见附录B中的榭数转换部分,而图3.3则是单片机通过i2c总线接受
一系列转换后数据的流程,此流程也是CoreProgram函数的流程图。 下图中的软件滤波是指将接受后的20个数据去除最大最小值后取平均值。正如我
们所知,正常的电路中是存在噪声和干扰信号的,由于噪声和干扰多足随机出现,所以 无法通过电路自身完全将其消除,从而出现了软件滤波的方法。
在A/D转换器引入噪声和干扰后,其输出值必然会不同于其他的数据,根据这个特 点设计了将20个数据去除最大最小值后取平均值的算法,从而可以有效地减少噪声和 干扰带来的误差。这样做还有一点好处就是,由于在本系统中A/D转换器所使用的采样 速率是每秒15次,因此单片机接受20个数据大约需要耗时1.3秒,也就是说每隔1.3 秒单片机才将处理后的数据显示剑液晶屏幕上,这样就省却了延时程序,而且不会造成 屏幕的快速闪烁,同时也可以满足设备的性能要求。

大连理1=大学硕士学付论文

图3.3 i2c总线通信流稃图(cDfcPTo争am函数) Fig.3.3 Flow chart of communication via IeC bus(CoreProgram function)

3.5数据处理程序

图3.4给出了数据处理的流程,使得一组存放在voltage[]数组中的20个经过模/数 转换后的16位数据经过单片机的处理最终将被测绝缘电阻阻值显示在液晶屏幕上,而

且可以分剐按照MQ、GQ或TQ为单位进行显示。

下面给出ResDisplay和VolToRes程序的部分实例。

实例l:ResD卸hy函数

void ResDisplay(void)



ochar tempi,temp2;

lnfoDisplayO;

脏I.L'D右上方显示系统所处的档位信息

col=0:

IOW=3:

近(HV==5)II(HV==lo)II(HV==20)) //经过归纳和合并,500V、1000V、2000V

{//可以归为一个分支

埘StdRes==1)

//1KQ分支程序



if((BCD[3]!=0)II(BCD[2]>0x00),/此分支显示‘”.”+MQ

{ templ=BCD[3]>>4;

temp2=BCD[3]&0xof-

if(tempi=--0)/,如果为零,表示高一位是零,不显示

绝缘电阻测试仪的设计

对voltage[]数组中的 数据进行软竹滤波后
的数据存放在
avcrage_voltageCP

射戍于Average雨数.为后续的计算方
便和精度保持将教摧扩大1沪倍,即¨r 充分荦j用免柠q长移犁数的表示范 脚.亦可盛开使刖浮点运算

将mmge-voItage缩小

10000倍后根据小同的高

,对应于VolToRes雨教.缩4q0加0倍后口p

压档1口和电阻挡位确定

可以保挣0 lmV的精度,而A/D转换器的最

壤BC喜D瓣I]黼悟 不同的计算公式。计算 结果存入划IR变量中

小分辨串为00625mV。奠精度损失在后面 的舍位中显得微不足道

成压缩的BcD码,存l

放舟

巾,r

\/4二…一……5….…,”二

以备显示时调用 l\、

//

将拆分后的限值,即 BcD口数组中的值,按照 一定的规舢昴不舟LCD 上,而且有小数点每干

甜应于R嚣Dl splav函数,由干系统中有明种高斥一 俯,=种电目lH位.凼此穷举所订的情况台浪费人 蕾资源.经垃归纳总结.得Hj^种情况,它们分别
是5000V下的一种电阻档位和500V,1000V、
2000V下的一种电阻档位

成功显示
图3.4数据处理流程图
Fig.3.4 Flow chart ofdata processing
注1)矩形框中的是流程,椭圆框中的是备注
{ Putedot(6,1); //高一位是零,再显示两个半角空格,使光标后移 Putedot(6,1);
) else Putedot32(templ,16);,/显示第1个数字 if(aCD[3]==0),,如果为零,表示高两位是零,不显示 {
Putedot(6,1); //高二位是零,再显示两个半角空格,使光标后移 Putedot(6,1); ) else Putedot32(temp2,16);//显示第2个数字
一42—

大连理T大学硕11学付论文

templ=BCD[2]>>4; lemp2=BCD[2]&0xof; Pmedot32(templ,16);

,,显示第3个数字

Putedot32(O,8); Putedot320emp2,16);

/,显示小数点 //显示第4个数字

templ=BCD[1]>>4; temp2=BCD[1]&0xof; Putedot32(templ,16);

,,显示第5个数字

Putedot320emp2,16); Putedot(6,1);

//显示第6个数字 ,/使得M与被显示数值之间相隔一个空格

Putedot32(0,26);

//显示“M”

Putedot32(1,20);

//显示“Q”



else

,/此分支显示“·KQ



Puledot(6,1);//空白不显示 Putedot(6,1);

Putedot(6.1);//空白不显示 Putedot(6,1);

Putedot(6.1);//空白不显示

Putedot(6,1);

Putedot(6,1)卅使得字符对齐

tempE=BCD[2]&0xof;

if(temp2==0)



Putedot(6,1).

//高位是零,不显示

PlItedot(6,1);



else Putedot32(temp2,16).//显示第1个数字

templ=BCD[1]>>4;

temp2=BCD[1]&0xof;

if(BCD[2]&0xof==0&&tempi==0)



Putedot(6,1);

∥次高位是零,不显示

Putedot(6,1);



else Putedot32(templ,16);/,显示第2个数字

Putedot32(temp2,16);

//显示第3个数字

Putedot(6,1);

//使得M与被显示数值之间相隔一个空格

Putcd0132(10,16);

//显示“K”

Putedot32(1,20);/,显示“Q”

——43—

} ,

绝缘电阻测试仪的设计

上面的实例1给出了ResDisphy函数的一部分,通过它我们可以了解此函数的主要
设计思想:通过判断BCD[]数组中前几位连续零值的多少就可以得出绝缘电阻显示的单 位是KQ、MQ、Gg)还足TQ。
实例2:VolToRes函数 void VolToRes(void) {
average voltage=average_voltage/10000;
删备average_voltage原来的×108改为×104,最小分辨电压为O.1mV if(HV==5) {
if(StdRes==1) {
IR=500000000/average_voltage-100100;
//(500xlxl06)/(Vxt0000).1000x100-lxl00=Rxxl00(1LQ) //IR中存储的是Rxxl00K欧姆,冈此显示时候要将小数点左移2位,单位(ga) } else if(StdRes==2) {
IR=500000000/average_volrage-1100;
//(500xlOOxl04)/(Vxl0000).1000.100=Rx(KQ) //IR中存储的是RxxK欧姆,因此显示时候要直接显示,单位(IGa) } else if(StdRcs==3) {
IR=500000000/average_voltage-110;
//(500xlOxlOS)/(Vxl0000).1x10-10xlO=Rxxl0(M¥'2) //Ig中存储的是RxxlOM欧姆,因此显示时要将小数点左移1位,单位(MQ) }
else砌果上面的所有情况都没有发生,可以判断为程序出错
{ ProgramErrorO;
} }

又_i士理下大学硕仁学倚论文
在上面的程序中需要说明的是“×10B改为×104”部分,所谓的×108和×104是指将一 个以伏特(、,)为单位的数值扩大108倍或104倍后仍然在无符号数长整型数表示范罔内。 在程序中可以看出,average voltage变量足做除数的,如果仍然按照原来的扩大108倍 来计算而被除数500V最大可以扩大剑5x108,即扩大106倍,经过计算,lR值必然会 有较大精度损失,原因就是average_voltage过大,如果将average_vohage缩小后做除数, 则计算结果的误差就相对较小。在第四章中将有一个具体的实例来说明数据处理程序的 整个过程,在那里将会更具体的体现精度损失的程度。
3.6本章小结
本章介绍了系统的软件流程和其设计思想,通过介绍几个重要函数的流程和分析重 点函数的工作过程,大体上可以了解整个软件系统的工作过程,由于编写的程序代码量 较大,不可能将所有的程序都作一一介绍,故在3.5节中给出重要函数的部分代码以供 分析说明使用。

绝缘电阻测试仪的设计
4系统的调试和测量方法的讨论

一个系统在完成设计、组装,形成成品后应该对其进行测试,在设计过程中也经该 对某些重要部分进行调试。作者设立本章的VI的就足通过对系统的调试和测试,让读者 更深入更透彻的了解本系统。
由于高压产生的硬件电路在第二章中已经作过详细的介绍,其重要的调试内容在设 计相鹿硬件电路时已经作过说明,在此就不再赘述。

4.1数据处理程序的调试

为了更为详细的说明整个处理过程,并且验证数据处理部分程序的正确性,进行了 如下实验。

经过分压电路的输出电压保持在1235mV(电厂K表显示值,有内阻影响),经过20次

采样所得到的数据(vo]tage[]数组中的值)分别是:19927,19922,19930,19913,19929,

19920,19935,19917,19916,19925,19923,19913,19925,19936,19926,19924,

19938,19917,19928,19922,经过Average019l数软件滤波后得到average voltage为 124526041,此数值表示将测量的电压值扩大108倍,可见经过电路得到的分压电路输出 电压为1245.26041mV。测量的电压值和1235mV相差10.2mV,这足冈为在单电源系统

中总足存在一个抬升电压,在进行整机试验的时候这个误差可以将与其他所有的误差一 同被补偿,而且由于电压表内阻的影响,使得1235mV并不是理想的,所以124526041

这个数值可以被认为是符合要求的。随后average_voltage变量被传入VolToRes0函数中,

首先要处理的是将average_voltage减小10000倍为12452,具体方法是将average_voltage 变量扩大100000000倍再缩小10000倍。扩大100000000倍是为了在Average()函数中 不会有计算浮点数和精度过度丢失的现象。缩小10000倍是因为average

在经过_voltage

Average0后数值过大,作为被除数也会大大减小结果的有效值。经过VofIbReS0函数的

计算输出IR变量便存放绝缘电阻的表示值,在VolToResO计算的时候根据不同的电压

档位和电阻档位IR值的大小和计算方法也不同,在本次试验中,高压输出是

1R一10 0 0 0 0 lOOOV(HV=I∞,电阻档位是IOOK。Q(StdRes-2),所以有: 1100。79208 average__voltage
此公式的全部表示应该是:

H,1)





胀型笔器堂一 V×104倍

1000Kf2—100KE2-79208Kfl

(4.2)

其中v代表分压电路的输出值,为了对比上面的两个公式(其实他们是等价的),

此处取的是1245.2mV而不是1235mV。1000V是高压输出电压值,两个100KQ代表的

是同一个标准电阻,1000KQ是串接在高压输出和绝缘电阻之间的限流电阻。

一46—

大连理丁大学硕仁学位论文

既然电阻值已经计算出来,而且与实际的电阻相差不大(主要表现在那10.2mV), 剩下的任务就足通过ResDisplayoi垂i数将这个电阻值显示在LCD上了,最终的显示结果 是79.208MQ。
在对数据处理程序的测试中不仅仅完成上面一组试验,还有其他的阻值测量,都达 到了预期的效果。

4.2系统整体误差补偿

在系统完成后要通过测量标准电阻的阻值对系统进行矫正,使用的标准电阻的阻值 分别足(单位MQ):1,2,3,4,9,10,11,12。13,18,19,20.21,22,27, 28,29,30,31,36,37,38,39,40,上面的所有电阻部是采用精度足O.1%的线绕

电阻组成。最后的试验结果详见附录A。

在附录A中2006年8月3日的数据足整机安装后的试验结果,由于系统中存在较 大的累积误差,使得相对误差(斜体部分)达到了了10%以上的,这是不符合设计要求 的。通过分析试验数据,对比理论电压和实际显示电压后发现,相对误差较大的地方都

是分压电路输出值较小的地方,根据这一点,在Average0函数中将所有的

average

变量都减去 2mV (即 200000)

,通过这种方法使得显示值与真实值之.yohage

问的误差始终保持在5%以内的。附录A中2006年8月10日的试验数据就很好的印证

了这种方法的有效性。 可能会有如下疑问,在附录A中的数据是都是些小阻值的电阻,没有对超过GQ和
TQ阻值的试验数据,如何可以代表全量程内的误差都小于5%?答案很简单,根据式

4.1或式4.2可知,IR对V的关系是线性的,也就是说绝缘电阻阻值线性决定了分压电

路的输出值,分压电路后续的误差在附录A中已经有所表征,而且保证相对误差完全控 制在2%之内。对于分压电路内部的误差将根据图4.1进行分析。

Rs
nO mQ ‘ 2 K n

甏睡 匕:

Mn



GQ

淡 饥. Tn / 、7侈 P./ /7

图4.1电阻测鼋误差分布图瞄1
Fig.4.1 Distribution map ofresistance measuring eEFOIF

绝缘电阻测试仪的设计
在上图中标出了电阻测量误差分布情况,图中共有五项误差来源。其中,1代表与 被测器件串联的引线电阻的影响,2代表与被测器件并联的杂散电阻的影响,3代表热 电动势的影响,4代表感生电流的影响,5代表噪声影响,而本系统所能应用到的范围 处丁图形的右下部,主要误差来源是2、4两项。对丁I第2项误差主要靠CA3140的输 入阻抗来减小,这在I;{『面的2.3.1节中已经介绍过。对丁.第4项误差可能来源丁.仪器内 部,也可能来源于外部。对于仪器内部的误差可以通过选用低漏流输入的场效应管减少 其影响。对丁|来源仪器外部的感生电流,可能有下述原因:①电缆弯曲或振动使电缆 中绝缘体和导体之间发生摩擦,从而产生噪声电流,所以,应注意避免测试系统中不同 部分的振动关联,最好采用低噪声电缆。②污染物在潮湿的环境下会发生电化学反应, 引起pA级或更大的电流,常用的印刷电路板在没有清洗干净的情况下就会发生这样的 电流。所以,应保持印刷电路板的清洁,避免在潮湿的环境下测量。③有一定电压的 电线或带电体靠测试电路会引起静电感应,改变电线上的电压或移动电线都会引起感应 电流。所以,对测试电路的敏感区最好用金属罩屏蔽,且把金属罩与测试电路的公共端 相连。
4.3本章小结
本章介绍了试验数据的处理和分析与绝缘电阻测量误差的产生和消除。通过分析, 使系统的工作原理更加直观明了,并总结出误差的补偿方法,同时针对绝缘电阻测量中 的误差来源,提出解决方案。

大连理工大学硕十学位论文
结论与展望
本论文历经选题、总体规划设计、硬件电路设计与实现、软件的设计与实现、软硬 件调试与测试,最终到系统成型,基本实现了课题预期要达到的设计指标。论文主要完 成了如下工作内容:
(1)绝缘电阻测试仪的硬件设计。结合多方面的硬件知识,将开关电源、高压技术、 单片机、模/数转换以及信号处理有机结合在一起,通过分析误差来源,有针对性地选用 关键器件和关键技术,有效的提高检测精度,克服多方面造成的测量误差,实现小于5% 的测量误差;
(2)绝缘电阻测试仪的软件设计。利用软件滤波、扩大中间数据字节长度和巧妙的 液晶显示程序,有效的避开了单片机最不擅长的浮点运算,提高了单片机的利用效率和 执行速度;
(3)对软件系统分支进行大量的深度探索试验,确保程序不会因为分支错误而中断 工作。对组装后的绝缘电阻测试仪进行精度校准试验,将误差从10%缩小至5%以内。
目前,很多技术入员和工程师都会涉及到绝缘电阻的测量问题,所使用的设备也大 部分都是是传统的兆欧表,这种半机械仪表由于读数和其他原因的误差,很多时候都不 能准确反映设备的绝缘程度,在工厂和工矿企业中埋下了的安全隐患。如果可以采用本 题目所设计的电子绝缘电阻测试仪(如图4.1所示),由于其快速的反应时间,较高的 测量精度,不但可以提高工作效率,还能减小事故发生的机率。
图4.1绝缘电阻测试仪实物图
Fig.4.1 Pracficality map of IR tester

绝缘电阻测试仪的设计
随着工业发展的需要,高绝缘强度,高测量精度必然足发展的趋势,由此电子式绝 缘电阻测试仪也必然会越来越展现出其自身的优势,成为绝缘电阻测量的主要工具。
本系统完成所有的设计要求,已经能够满足现有的测试要求,并且软硬件为将来满 足特殊的工作环境和测试要求预留了充足的升级空间,该系统还可以从以下几个方面进 行改进:
(1)通过记录15s和60s时刻的绝缘电阻值,计算设备绝缘材料的吸收比和极化指 数l矧。
(2)根据绝缘电阻测试仪的特点,引入直流耐压试验、介质放电试验、电容测量以 及交直流电压测量等。
(3)可以进行同定时间(例如10分钟)的打压试验,在指定加压时间后测量设备的 绝缘电阻值,这种测试往往可以更为有效的看出设备的绝缘程度。
(4)将数据上传至上位机或直接打印【25l,保留被测设备绝缘的历史资料。

大连理工大学硕士学位论文
参考文献

[1]欧阳润泽.湿度对绝缘电阻的影响及解决方式,电气时代,2001,12:37—38. [2]阳海华,吴智铭.Pc27'l数字式自动量程绝缘电阻表的设计,自动化与仪器仪表,2003年第6

期:35—37,40.

[3]沙占友等.新编实用数字化测量技术.北京:国防工业出版社,1998.i.

E4]张占松.高频开关稳压电源.广东:广东科技出版社,1992:13—16,13. [6]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计(修订版).北京:电子工业出版社,2004:237,102—116,

237—254.

[6]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计(修订版).北京:电子工业出版社,2004:86—87, 8卜85.254-259.

[7]刘胜利.现代高频开关电源实用技术.北京:电子工业出版社,2001:64-76,1 16—126. [8]李国丽.便携式绝缘电阻测试仪用逆程Dc/Dc变换器的设计,电子测量技术,1997:6-9.

[9]杨鹏,郭世明.便携式绝缘电阻测试仪用高压直流电源设计,电源技术应用,2003.10,V01.6,

No.10:37—39。42.

[10]娄会超,戴新生,万少松.多路绝缘电阻自动检测仪设计,计算机测量与控制,2003.11:635-637. 【11]忱V.§OBAJIC.^Circuit for Hi豳Resistance Measurement,PROCEEDINGS OF THE IEEE,皿LY

1977:1094—1095.

[12]M.V.SOBAJIe.A Possibility of Simultaneous Logarithmic—linear Direct-current Meas—

urement.IEEE Trans.InstruL Meas.,Mar.1976。Vol,25:34—43.

c0岫T职酊th [13]Intersil Corporation.CA3140 CA3140,Datasheet,September 1998.

[14]Texas Instruments.16一Bit^NALOG一1寸。DIGITAL

Onboard Reference,Data-

sheet,March 2003.
[15]孙涵芳,徐爱卿.Mcs一51/96系列单片机原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社,1988. [16]孙涵芳,徐爱卿,盛焕鸣等.单片微型计算机及其应用.北京:北京航空航天大学出版社,1986.

[17]宋兴元,李威,严旭.基于MSP430F149的数字式绝缘电阻测试仪,中国仪器仪表。2003.7:26-28 [18]Dalian Eastern Display Co.,Ltd.EDMll9264-03 APPROVAL SHEET,LCD User’s Manual,10.23.

2003.
[19]赖麒文.8051单片机c语言彻底应用.北京:科学出版社,2002.

[20]赵亮,侯国锐.单片机c语言.北京:人民邮电出版社,2003:133—162. [21]赵亮,侯国锐.单片机c语言.北京:人民邮电出版社,2003:89—102. [22】李跃华,杨小健.用C51开发单片机系统的应用程序.微处理机,1998,(3):30-31.

[23]赵振业,郭法楼,段光安.高阻测量仪,电子测量与仪器学报,Sep.2000,V01.13,№.3:60-63. [24】周理.绝缘电阻的测量——吸收比试验。上海第二工业大学学报。2004,No.2:60-65.

[25]李朝青.Pc机及单片机数据通信技术.北京:北京航空航天大学出版社,2000.

一5l一

绝缘电阻测试仪的设计

附录A整机测试试验数据

黧挡位篙 显示电压显示一理柳矿磊耋显示电阻值 显示电_『j= 显小一理论犯甜虎誊显示电阻值

值mV 论AmV

%Mn

值mV

6mV



M.q

500V电压下实验

测试Et期:2006.8.3

测试日期:2006.8.10

数据表

测试环境:干燥

测试环境:比较干燥



lK

249.88



lK

166.61



lK

124.97



lK

9998



1K

50.oo

lO

1K

45.45

ll

lK

4l 66

12

1K

38.46

13

lK

3S,71

18

lK

26 3l

19

lK

25.oo

20

lK

2l

lK

23 8l 22.站

22

1K

21.74

27

lK

17 86

28

lK

】7.24

29

lK

16.67

30 100K 160772

3l 100K 1557.63

36 100K 1347 7l

37 loO&131234

38 100K 1278.77

39 100K 1246 88
40 100K 12抱55

255 60 170.80 129.10 103,30 52,40 47.70 43.80 40.50 37.75 28.17 26.90 25.73 24,60 23.65 19.82 19.00 18.4l 1621.40 1570.85 1359.10 1323.45 1289.60 1256.71 1226.40

5.72

2 29

4.19 4.13

2 51 3.M

3.32王32

2^0

4,8|

2.25

4 95

2.14

i13

2.04

i31

2.04

王71

1.86

Zn,

1.90

7.61

l,92

8 07

1.87

82霉

1.9l 1.96

最79
加97

1.76

Jn20

1.74

10 44

13.68

0 85

13.22 11.39

085
口彩

11.11

a85

10.83

n85

9.83

n79

9.85

n81

o.95518 I.9281l 2.87496 3.84396
s.孓鹳≈
9.5032 10.41452 11.34467 12.26159 16.79259 17.65571 18.45425 19,3242 20.18544 24.25152 25.31478 26.1729l
29.739 30.73 35.689 36 681 37.674 38.686 39.666

254.00 169.35

4÷12 2.74

12690 】01,50 50 50

l,93 I,52 琅50

45 88 42 OO 38 90 36 10 26.60 25 20 24.00 23.16 21.96 17.89 17.25

0.43 0.34 044 0.39 0.29 0.20 o.19 0.43 022 0.03 0.01

16.60—仉07

1620.76 1570 25 1358 20 1322.55

13.04 12.62 10.49 l晓2l

1288 65 1256,50 1225.80

9.S8 9.62 9.25

l∞0.9675

/64

1.95233

J.55

2.93911

l 52

3.9251

,毋,8.89999

0 95

9.91603

0 8l

10.84734

1.15

11.鹊559

,09

12.84941

1 09

17.79599

晓81

18.84026

0 80

19.9195

,91 1 02

20.64402 21.83005

0,7

27.08888

0 06

26.06876

0 42

29.11948

口鲁, n8, 0 78

29,75 30.743 35.713

0 78

36.707

n77
口”

37.701 38.693

0 76

39.693

鬻挡位篙 显示电压显示一理彰秽提差显示电阻值 显小电压显町、一理谗耪影£蹉显示电殂值

值mV 论△mV

%Mn

值mV

△mV

%Mn

1000V电压下实

测试日期:2006.8.3

测试臼期:2006.8.10

验数据表

测试环境:干燥

测试环境:比较干燥



lK

499 75

508.98



lK

333 22

339.89



lK

249.94

255.30



1K

199.96

204,30



lK

9999

103.30

lO

lK

90.90

94.30

ll

lK

83.33

86.62

9.23 6.67 5.36 4。34 3.3I 3.40 3.29

,.85 Z00 2r15 2,17 3 3j i74 3 95

0.96402 1.9419
2.91749 3.89376 8.67954 9.60345 10.54634

506 80 337.58 253.26 202 37 10I.10 9l 90 84.27

705 4,36 3.32 2 4l 1.11 l 00 0.94

1 41

0.97255

j.31

1.96196

J.3j

2,94844

,.21

3.94215

J』/8.89019

/.10 ,"

9.88039 10 87548

—52—

大连理T大学硕卜学位论文

蚴MQ挡位嚣 屉小电压显示一理狙对旋羞显小电阻值 显小电压显示一理论狙对堤直显小电阻值

值mV 论△mV



MQ

值mV

△mV



MQ

12

tK

76.92

80 10

3.18

t“

11,48339

77.86

0.94

J.刀

11.85247

13

1K

71.42

74.55

3.13

t38

12.42181

72.25

0.83

J.16

12.84941

18

lX

19

1K

20

lK

52.63 50.00 47.62

55.49 52.80
50,柏

2.86 2 BO 2.78

i44 i以
j.盯。

17.04954 17,93839 18.84026

53.13 50.50 48.07

ot50 0,50 0.45

垃争5 j.O/ n95

17,83139
18.8呻98
19.83233

21

lK

45.45

48.15

2.70

i妇

19.78902

45.80

o.35

n76

2玑83306

22

lK

27

lK

28

1K

29

lK

30

1K

3l

ll【

36

1K

43.48 35.71 34.48 33.33 32.26 31,25 27.03

46.加 38.35 37.∞ 35.89 34.裙 33.8l 29.50

2.72 2.64 2.52 2.56 2.62 2.56 2.47

丘26 Z38
Z如
Z67 &13
最加
奠15

20.69097
25.1嘶
26.02602 26.93196 27t73463 28 58479 32.8973

44,05 36.05 34.86 33.70 32.77
31.椰
27.30

O.57 0.34 0.38 0.37 ot51 o.35
o.”

j.,2 n94 j.J口
J.如
1.59 J-J2 J.珊

21.72627 26.69983 27.73463 28.7609 29 58003 30.64456 35.7637

37

1K

26.32

28.75

Z43

9.25

33.8422

26.56

ot24

n卵

36.73484

38

1K

25.64

28.10

2.46

奠59

34.58618

25.90

m26

J.01

37.郁1903

39

lK

40

1K

25.00 24.39

27.48 26.80

2.48 2.41

奠92
殳舾

35.49535 36.31243

25.35
24.胡

O.35 O.29

1.40
J.凹

38.52469 39.6494

蚴MQ挡位篙 显小电压显示一理l骱矿B如擎显小电阻值 显小电压显示一理论犯噩,旋羞显示电阻值

值mV 论△mV



MQ

值mv

6mV



Mo

2000V电压下实

测试日期:2006.8.3

测试日期:2006.8.10

验数据表

3 lK 499.船



lK

399.92



lK

199.98

10 lK 181瑚

ll

1K

166.65

12 1K

153.83

13

1K

142.85

18

IK

105.26

19 lK l∞.∞

20

lK

努.23

2l

1K

22

1K

90.90
黼.95

27

1K

28

1K

71.43
韶.96

29

lK

66,66

30

lK

64,51

3l

1K

62.50

36

lK

54.05

37

lK

52.63

38

1K

51.2B

39 lK 50.∞

40

1K

48.78

504.86 404.00 202.31 184.11 168.90 156.06 145.05 107.27
102肥
97.18 92.73
踞.76
73.25 70科 68.74
66.砷
64.60 56T13 54,75 53 44 52.13 50.88

测试环境:干燥

4.98

J,叩

2.96096

4.08

j.02

3.94949

2.33

J.j7

&8853

2.31

J.27

9.86266

盖25

1.35

1m84032

2.23

1.45

11.81951

220

J.5f

12.7921

2.01 2.02

j.9J
2r叩

17.65571 15.60684

1.95 1.83 1.81

204 2以
2∞

19.59632 20,57397 21.54691

1.83
1.鼹

2j7 Z72

26.3214 27.24758

2.0S
2.∞

j.jJ
i刀

28.11108 29.02903

2.10

i36

29.95875

2.08

3.84

34.64962

2.12

t03

35,56207

2.16

t21

36.4521B

2.13 2.10

t26

37.38761

t,J 弼.36哪

测试环境:比较干燥

502.62
402.QS
200胛

2.74 2,13 n89

n舒 n舅
n45

2.9783 3.97412 8.95915

182.55 167.35 154.50 143.27

0.75 0.70 0.67 O,42

n41
n铊 n私 n如

9.9579 1n95357 11.94398 12.96548

105.64
1∞50

0.38 0,50

n36 n卯

17,93839 18.91931

95.6l

ot38

馥40

19.9195

91.25 87.33
71.舯

0.35 0.38 O.37

n38 n43
n姐

20.92882 21.9085 26.85415

69.40 67.10

0.44 0.44

n63 n65

27.龉902 28.舳525

64,94

n43

吐66

29.81564

62.92

0.42

n68

30.7955

54.35

0130

a55

35.83141

52,90

o.27

n51

36.8778

51.59

0.3l

D.60

37.83395

50.35

0.35

n70

38.76043

49.10

n32

n66

39.73219

—53

绝缘电阻测试仪的设计

蝴Mfl挡位訾 显小电压显示一理织对堤苎显小电阻值 显示电压显示一理论删££壹显小电阻值

值mV 论6mV



Mfl

值mV

△mV



MO

5000V电压下实

测试日期:2006.8.3

测试日期:2006.8.10

验数据表

18

1K

263.14

19 1K 249.钾

20 1K 238.蜩

21

1K

227.26

22

lK

217.38

27

1K

178.57

28

lK 172.41

29

1K

166.66

30

1K

161 29

31

lK

156.25

36

1K

135.13

37

IK

131.58

38

lK

128.20

39

1K

125.00

40

1K

121.95

265.80 252.60 240.70 229.87 220.00
181加 】74舶
169.10 163.75 158.69 137.50 133.94 130.59 127.31 124.27

测试环境:干燥

2.66

1.以

17.8101

2.61 2.62 2.61 2.62

J.05
1,加 J.巧
1.2口

18.7931 19.7803 20.757 21.7262

2,43 2.45

1.36
1.铊

26.6233 27.603l

2.44 2.46 2.44

1.46 j.5, j.56

28.5673 29.54.26 30.5248

2.37 2.36

1.75 J,80

35.3626 36.3402

2.39 2.31

j.86 1.85

37.3131 38.2762

2.32

1,90

39.2566

测试环境:比较干燥

263.85
笛0.38
238.37

n7l 0.39 0.29

n剪 n埘 n口

17.9527 18.975 19.9809

227j6

0.30

口.Jj

20.977

217.70

0.32

0.15

21.9663

178,94 172.57 166.86 161.37

m37 0.16 n20 0.08

n21
n∞
拄j2
n∞

26.9475 27.9845
蕊975
29.9971

156.35 135.22

0.10
0.∞

n07 n07

30.9887 35.9812

131 67

0.09

n07

36.9929

128.35

0 15

125.∞

0.∞

122t呻0.05

n12
n∞
n04

37.970l 38.999 39.9826

54—

大连理T大学硕士学位论文
附录B软件系统的函数列表

uchar ReMeasurelR(void)
void Putedot(uchar Order,uchar reserve)
void Putedot32(uclmr Order,uchar width)
void Putcdot(uchar Order,uchar 1es4Hve)
voidLcmcls(void) voidWrdata(ucharX) voidWrcmdL(ucharX) voidWrcmdM(ucharX) voidWrcmdR(ucharX) void lcdbusyL(void) void lcdbusyM(void) void lcdbusyR(void) voidwtcom(void) void Locatexy(void) void Lcminit《void) void HVGeneraling(void) void ENDInterface(void) void HVError(void) void ResDisplay(void) void InfoDisplay(void) void WelcomeInterface(void) void ReMeasurelRIntefface(void) void ProgramError(void)
void keyscan(void) void ChooseOnelnFour(void) voidChooseOnelnTwo(void)
void Startl2C(void) voidStopl2C(void)

液晶显示群序 判断是否重新测量 8列×16行全角字符,Order:EzI【【】字符库中的字符序号0 l'eselve:反白指示位。res4:ive=0,反白显示。 width列x32行半角字符,对应字库为Ezkl6[],Ezk81], Ezk[]20,Ezk[]26: Order:以上四种字库中的字符序号; width:字符宽度,可以为8,16,20,26 16x16全角字符,Order:Hzkf】字符库中的字符序号; reserve:反白指示位。reserve=0,反白显示。 清屏 将8位数x写入显存中 将指令写剑屏幕左区 将指令写剑屏幕中区 将指令写剑屏幕右区 选择屏幕左区,并判断液晶是否“忙”,“忙”则等待 选择屏幕中区,并判断液晶是否“忙”,“忙”则等待 选择屏幕右区,并判断液晶是否“忙”,“忙”则等待 读取液晶状态。判断是否出于“忙”状态 确定液晶屏幕上的位置 初始化液晶屏幕 显示“高压启动中” 测最结束界面 高压输出不正常界面 将被测电阻值显示在屏幕上 在屏幕的右上角显示电压档位 欢迎和选择工作电压档位界面 询问“重新测试”界面 当程序中出现错误时,会执行此函数
键盘拧序 判断按F的是哪个键 判断“500V 1000V 2000V 5000V”选项 判断“是否”选项 12c总线稃守 启动12C总线,即发送12c总线的起始条件 停止12c总线,即发送12c总线的停止条件

一55

绝缘电阻测试仪的设计

voidSendB(ucharC) void Acknowledge(bit a)
ncharRcvB(void)
bitRevStr(void)
uchar Average(void) void LongToBcd(unsigned long ILong) void VolToRes(void) uchar CoreProgram(void)

字节数据怙送函数,功能是将字节c发送出去,发送完等 待应答,并对标志为(ask)进行操作,不戍答或“非”应答 ask=O:发送数据正确ask=l i器f,l fMaster)给从器件(Slave)应答信号,可以是应答或 “非”应答 字节数据接收函数,功能:用柬接收从器¨传来的数据, 并判断总线错误(不发麻答信号),如果总线没有错误, 而且从器件需要麻答信号,则廊在程序调_【lJ RevB函数后 立刻调用Acknowledge0函数 多字节数据接收函数,功能:用来接收从器件传来的3个 数据,并且存入BED[]数组中 数据处理秤序 对vol诅gc【l数组中的数据进行软件滤波,即去掉最大最小 值后,取剩余数据的平均值 将长整犁数拆分成压缩的BCD码 将电压数据换算成电阻阻值 完成接收20个经过模,数转换的16位数据,并存入 voltage[]数组

一56

大连理工大学硕I:学位论文
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
【11刘华毅,李健.绝缘电阻测试仪的设计.仪器仪表用户杂志(主办单位:天津仪表集团有 限公司),2006,V01.13(6):48-50.(该学术论文属于学位论文的第二章和第四章)

绝缘电阻测试仪的堤计
致谢
首先要感谢我的导师刘华毅副教授。多年来,刘老师用丰富的理论和实践知识在t 作和学习方面给予我悉心的指导,让我受益匪浅,刘老师严谨务实的工作作风更是无时 无刻不在鞭策着我奋发进取。在完成项目和毕业设计的过程中,刘老师耐心的指导和讲 解使我把握了正确的自口进方向,少走弯路,所有的这些都足我今后工作和学习的最宝贵 经验。
同时,非常感谢自动化研究所陈昌副教授和王建国副教授在百忙之中抽出宅贵时问 为我的论文进行评阅工作,丽且提出了诸多宝贵意见,使我对自己的研究内容有了更为 透彻的了解。
还要感谢实验室的几位师兄师姐和师弟师妹,在与他们一起讨论问题的过程中,也 使我获益良多。
感谢我的家人,在我遇剑困难的时候,总能得到家庭的温暖和鼓励;在我取得进步 的时候,总能得到家人默默的祝福。

绝缘电阻测试仪的设计

作者: 学位授予单位:

李健 大连理工大学

参考文献(25条) 1.欧阳润泽 湿度对绝缘电阻的影响及解决方式 2001(12)
2.阳海华.吴智铭 PC27-1数字式自动量程绝缘电阻表的设计[期刊论文]-自动化与仪器仪表 2003(6)
3.沙占友 新编实用数字化测量技术 1998 4.张占松 高频开关稳压电源 1992 5.张占松.蔡宣三 开关电源的原理与设计 2004 6.张占松.蔡宣三 开关电源的原理与设计 2004 7.刘胜利 现代高频开关电源实用技术 2001 8.李国丽 便携式绝缘电阻测试仪用逆程 DC/DC 变换器的设计 1997 9.杨鹏.郭世明 便携式绝缘电阻测试仪用高压直流电源设计 2003(10)
10.娄会超.戴新生.万少松 多路绝缘电阻自动检测仪设计[期刊论文]-计算机测量与控制 2003(8)
11.M V SOBAJIC A Circuit for High Resistance Measurement 1977 12.M V SOBAJIC A Possibility of Simultaneous Logarithmic-linear Direct-current Measurement 1976 13.Intersil Corporation CA3140 CA3140,Datasheet 1998 14.Texas Instruments 16-Bit ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER with Onboard Reference,Datasheet 2003 15.孙涵芳.徐爱卿 MCS-51/96系列单片机原理及应用 1988 16.孙涵芳.徐爱卿.盛焕鸣 单片微型计算机及其应用 1986
17.宋兴元.李威.严旭 基于MSP430F149的数字式绝缘电阻测试仪[期刊论文]-中国仪器仪表 2003(7)
18.Dalian Eastern Display Co Ltd EDM119264-03 APPROVAL SHEET,LCD User's Manual 2003 19.赖麒文 8051 单片机 C 语言彻底应用 2002 20.赵亮.侯国锐 单片机 C 语言 2003 21.赵亮.侯国锐 单片机 C 语言 2003 22.李跃华.杨小健 用 C51 开发单片机系统的应用程序 1998(03)
23.赵振业.郭法楼.段光安 高阻测量仪[期刊论文]-电子测量与仪器学报 2000(3) 24.周理 绝缘电阻的测量--吸收比试验[期刊论文]-上海第二工业大学学报 2004(2)
25.李朝青 PC 机及单片机数据通信技术 2000

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激式开关电源变压器 -电子设计工程2010,18(5)
基于反激式变压器拓扑原理,设计了单端反激式变压器,用于电缆绝缘电阻测试仪高压电源的DC-DC逆变升压模块.提出单端反激式开关电源变压器设 计时一些关键参数的选择原则和设计步骤及验证方法,总结了设计过程中的一些注意事项.使用结果表明:该设计方法在简化和明确变压器设计过程的同时 ,所设计的变压器应用于绝缘电阻测试仪升压模块中约250 V的逆变升压时表现出稳定的升压性能.

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