黎山峰 ，楊 雷 ，孫建軍

（1.東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，東莞 523808；2.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣州 510641）

安規(guī)測試儀主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中測量導(dǎo)體材料與外界的絕緣電阻和漏電流指標(biāo)，是導(dǎo)線、連接器等器件生產(chǎn)過程中必不可少的測量儀器[1-2]。目前市場上所見的安規(guī)測試儀采用GB4706標(biāo)準(zhǔn)，使用較多的是臺(tái)式的單項(xiàng)指標(biāo)測試儀器，且只有落后的GPIB接口，只能簡單地內(nèi)部互聯(lián)，如果需要與自動(dòng)化設(shè)備聯(lián)接測試或進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程查看生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)時(shí)，需要配置專用的轉(zhuǎn)接卡甚至使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換再通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)布[3-4]。

現(xiàn)在具有聯(lián)網(wǎng)功能的安規(guī)測試儀的需求日益突出[5]，文中提出了一種具有TCP/IP通訊協(xié)議的交直流安規(guī)測試儀設(shè)計(jì)方法，通過程控電路產(chǎn)生DC和AC高壓對(duì)線材的絕緣阻抗及漏電流進(jìn)行測量[6-8]，以檢測產(chǎn)品在實(shí)際工作狀態(tài)下的電氣安全性能，并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試和遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 測量原理

安規(guī)測試儀的核心功能是利用DC高壓測量絕緣阻抗和利用AC高壓測量漏電流。由歐姆定律可知電阻與電壓、電流的關(guān)系為

如圖1所示，已知高壓VH的電壓值，R1和R2為已知阻值的精密電阻，根據(jù)歐姆定律，可得：

圖1 高壓信號(hào)采樣原理圖Fig.1 Sampling principle diagram of high voltage signal

因此想要測量絕緣阻抗Rz的值，只要通過ADC測得Vadc的電壓值即可。漏電流的測量方法也類似，只是DC高壓改為AC高壓，數(shù)據(jù)運(yùn)算處理上有所不同。圖1中，絕緣阻抗RZ與采樣電阻R2為串聯(lián)關(guān)系，因此Vadc除以R2得到的電流值即為流過RZ的漏電流。

1.2 系統(tǒng)方案

本文研究的安規(guī)測試儀具有測量絕緣阻抗、漏電流和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能。根據(jù)系統(tǒng)功能定義，需要設(shè)計(jì)一個(gè)0～1500 V的DC高壓發(fā)生電路以測量1 MΩ～1000 MΩ的絕緣阻抗參數(shù)，要求分辨率為1 MΩ，精度為3%，還需設(shè)計(jì)一個(gè)0～1000 V（頻率為50 Hz）的AC高壓發(fā)生電路以測量 0.01 mA～2 mA的漏電流參數(shù)，要求分辨率為0.01 mA，精度3%。系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成：程控信號(hào)源模塊、高壓產(chǎn)生模塊、信號(hào)采集調(diào)理模塊、聯(lián)網(wǎng)模塊和控制模塊，其中STM32F407IG為系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理核心，安規(guī)測試儀的整體方案組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of the system

2 硬件設(shè)計(jì)

STM32F407IG是基于工作頻率高達(dá)168 MHz的高性能ARM Cortex-M4 32位RISC內(nèi)核的嵌入式處理器[9]，其內(nèi)部集成了高速嵌入式Flash存儲(chǔ)器和SRAM，內(nèi)置了3個(gè)12位ADC、2個(gè)12位DAC和2個(gè)通用32位定時(shí)器等。安規(guī)測試儀以STM32F407IG為控制核心，通過內(nèi)部DAC模塊和外圍高精度DAC芯片獲得程控信號(hào)源，然后由后級(jí)信號(hào)放大電路、DC/AC逆變模塊XAD001SR-3實(shí)現(xiàn)高壓發(fā)生電路，多路模擬信號(hào)采集則采用ADC芯片MAX1270。STM32F407IG內(nèi)部集成了高性能以太網(wǎng)MAC模塊，外部僅需一個(gè)PHY芯片DP83848C即可實(shí)現(xiàn)符合 IEEE 802.3-2002標(biāo)準(zhǔn)的10 M/100 M以太網(wǎng)接入。DP83848C是美國國家半導(dǎo)體公司推出的低功耗高性能以太網(wǎng)PHY芯片，其提供RMII接口與處理器連接，對(duì)外則采用標(biāo)準(zhǔn)RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，支持平行交叉網(wǎng)線自適應(yīng)。圖3是系統(tǒng)硬件組成框圖。

圖3 硬件框圖Fig.3 Block diagram of hardware

2.1 高壓發(fā)生電路設(shè)計(jì)

圖4為系統(tǒng)的高壓發(fā)生電路部分原理圖。安規(guī)測試儀要求電路產(chǎn)生0～1500 V的DC高壓以測量1 MΩ～1000 MΩ的絕緣阻抗參數(shù)，而漏電流測量則需要一個(gè)0～1000 V（頻率為50 Hz）的AC高壓。程控DC高壓發(fā)生電路主要由信號(hào)源和升壓電路組成，以12位乘法DAC芯片AD5452編程輸出可調(diào)電壓信號(hào)，AD5452的基準(zhǔn)電壓由REF195提供一個(gè)較為精準(zhǔn)的5 V電壓，只要向AD5452輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)0～5 V的可控直流電壓輸出。前端產(chǎn)生的0～5 V直流電壓通過OP07運(yùn)放和三極管組成的功率放大電路后，為TDK逆變器模塊XAD001SR-3供電。XAD001SR-3是一個(gè)開關(guān)頻率為400 kHz的DC/AC逆變器模塊，工作電壓范圍為DC0.7～5 V，該逆變器輸出的交流電壓峰值約為工作電壓的180倍，文中正是通過這個(gè)關(guān)系實(shí)現(xiàn)輸出高壓的調(diào)控，后端電路通過半波整流或者倍壓整流兩種方式，使最終的輸出電壓為0～1500 V的可控DC高壓。

圖4 高壓發(fā)生電路原理圖Fig.4 Circuit principle diagram of high voltage generating

實(shí)現(xiàn)程控AC高壓的方法是采用STM32F407IG內(nèi)部的12位DAC產(chǎn)生一個(gè)固定幅度的50 Hz正弦波信號(hào)，將該正弦波信號(hào)作為12位乘法DAC芯片AD5452的參考電壓，再利用AD5452對(duì)正弦波信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)控。獲得幅度可控的正弦波信號(hào)后需進(jìn)行信號(hào)緩沖處理，然后控制三極管推挽電路驅(qū)動(dòng)工頻變壓器進(jìn)行電壓放大以獲得0～1000 V頻率為50 Hz的AC高壓。

2.2 信號(hào)采集調(diào)理電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的測量原理，采用分壓電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)高壓進(jìn)行測量，電路中的分壓電阻采用2個(gè) 0.1%精度的 5.1 MΩ 精密電阻串聯(lián)得到 10.2 MΩ分壓電阻，采樣電阻則采用0.1%精度的30 kΩ精密電阻。采樣電阻上得到的采樣電壓需要經(jīng)過濾波和放大調(diào)理后方可送到ADC芯片進(jìn)行采集。文中選用MAX1270作為模擬信號(hào)采集芯片，MAX1270是MAXIM公司推出的一款多量程、12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該芯片具有8個(gè)高速信號(hào)采集通道，最大非線性誤差僅為0.5 LSB，且有4種軟件可選輸入信號(hào)范圍[10]。STM32F407IG通過SPI接口與MAX1270進(jìn)行通信，采集到數(shù)據(jù)后，STM32F407IG先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件數(shù)字濾波處理獲得測量結(jié)果，然后將測量結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)定值對(duì)比，最后通過比較結(jié)果對(duì)系統(tǒng)前端的程控信號(hào)源進(jìn)行跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的閉環(huán)控制，使得系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性都有較大的提高。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

安規(guī)測試儀所有外圍器件都由STM32F407IG主控芯片通過軟件完成控制，系統(tǒng)上電時(shí)主控芯片程序啟動(dòng)，首先完成內(nèi)外部所有設(shè)備的初始化，特別是對(duì)電路繼電器的狀態(tài)進(jìn)行初始化設(shè)置，然后使用ARP協(xié)議對(duì)局域網(wǎng)內(nèi)的主機(jī)進(jìn)行檢測，當(dāng)有返回該ARP請(qǐng)求時(shí)就確認(rèn)服務(wù)器主機(jī)與設(shè)備同在局域網(wǎng)內(nèi)，此時(shí)即可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。在啟動(dòng)測試時(shí)，STM32F407IG通過程序控制內(nèi)部DAC和AD5452產(chǎn)生源信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大調(diào)理后由12位分辨率ADC芯片MAX1270完成多通道模擬電壓采集，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到測量結(jié)果。圖5為系統(tǒng)運(yùn)行流程圖。

4 系統(tǒng)測試與分析

為了便于測試，實(shí)驗(yàn)采用ZX68C型高阻箱設(shè)定一個(gè)電阻值模擬絕緣阻抗和漏電流測試，同時(shí)通過美國KIDDE FENWA型號(hào)149-10A高壓表實(shí)時(shí)測量高壓電路輸出的電壓值。

4.1 絕緣阻抗測量分析

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of program

實(shí)驗(yàn)利用高阻箱得到實(shí)際阻值為6.32 MΩ的電阻進(jìn)行模擬絕緣阻抗測量，通過改變測量DC電壓值記錄測得的絕緣阻抗數(shù)據(jù)如表1所示，從測量結(jié)果來看，系統(tǒng)的測量誤差在高壓和低壓范圍段都相對(duì)高一點(diǎn)，誤差最小出現(xiàn)在中段位置，這是由于系統(tǒng)放大電路的非線性、電路噪聲干擾和電路阻抗等因素引起的，但電路整體的測量指標(biāo)仍然優(yōu)于3%精度要求。

表1 絕緣阻抗實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental measurement data of insulation resistance

4.2 漏電流測量分析

實(shí)驗(yàn)利用高阻箱得到實(shí)際阻值為310 kΩ的電阻進(jìn)行模擬漏電流測量，通過改變測量AC電壓值記錄測得的漏電流數(shù)據(jù)如表2所示，從測量結(jié)果來看，測量誤差較小，結(jié)果明顯優(yōu)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在進(jìn)行高壓測量時(shí)精度相對(duì)更高。

表2 漏電流實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental measurement data of Leakage current

5 結(jié)語

該文系統(tǒng)地介紹了一種安規(guī)測試儀軟硬件設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)論述了其部分關(guān)鍵模塊的具體實(shí)現(xiàn)原理。通過高壓表和高阻箱的計(jì)量校驗(yàn)，該安規(guī)測試儀實(shí)現(xiàn)了精度為3%的1 MΩ～1000 MΩ絕緣阻抗和0.01 mA～2 mA漏電流 2個(gè)主要安規(guī)參數(shù)的測量，同時(shí)具備了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能，可把測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地上傳到服務(wù)器中，便于生產(chǎn)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測和遠(yuǎn)程查看。實(shí)驗(yàn)測試和實(shí)際應(yīng)用表明，該儀器工作穩(wěn)定可靠，測量準(zhǔn)確度高，滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)然系統(tǒng)的人機(jī)界面不夠友善，在可操作性方面還有待改善。

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