[电缆]直流绝缘电阻测试仪的设计与实现

　　为了满足电子和电气产品生产过程中的直流隔离阻抗测试要求，已经设计并实现了基于Cortex®M3的直流隔离阻抗测试仪。作。
　　测试仪使用Cortex M3作为主控制器，并配置有直流高压产生电路，信号采集调节电路和液晶显示电路，以执行电阻测试。时有效隔离产品。验表明，该测试仪可以测量1MΩ10GΩ的绝缘电阻，并且具有高输出功率和高测量精度的优点。广泛应用于各种电子电器产品生产企业。

　　
　　流绝缘电阻测试仪主要用于工业生产中测量导电材料与外界之间的绝缘电阻，是电子，电气产品生产过程中不可缺少的测量仪器。别是电线，连接器和其他设备[1？ 3]。前，常用的绝缘电阻测试设备是“震动计”。设备的输出电压会随着曲轴转速的变化而变化。表类型不够精确，不能再用于高测量场合，并且不具有自动测量功能。[4-6]。有用于测量直流绝缘电阻的专用设备，但是它们具有成本高，尺寸大和不便的所有缺点[7]。于许多类似研究的总结[8-9]，本文提出的基于Cortex®M3的DC隔离阻抗测试仪具有精度高，测量速度快的优点快速，低成本和小尺寸。据GB4706和UL1059的绝缘电阻测试方法，得出图1所示的测试原理，该系统以ARM控制器为核心，以Cortex®M3为核心，以STM32F103为中心进行设计。由一个数字电压源DAC，一个DC / AC逆变器电路，一个整流器电路，一个采样信号处理电路，一个采集电路ADC以及键盘显示电路。图2所示。系统的工作原理是，控制器命令DAC的数控电压源产生0〜5V的DC电压，从而驱动DC-AC转换器仿真。0至900 V的频率下产生400 kHz的高AC电压。AC高电压进行整流和滤波后，会产生0〜1500 V DC的高电压。
　　直流高压绝缘测试中测试直流高压输出，然后将采样电阻器获得的电压信号放大并转换为模拟/数字，然后计算出测得的绝缘电阻值并液晶显示屏上显示。计指标为高压输出0〜1500V，绝缘电阻的测量范围为1MΩ10GΩ，分辨率为0.1MΩ，精度为0.2％。电源为整个系统提供±12 V，5 V和3.3 V的三个电压，其中包括用于模拟电路（例如放大和信号调节）的±12 V，主要用于生成的5 V电压。STM32F103控制内核的高电压和3.3 V.使用隔离的直流电源可确保电源之间，尤其是数字部分和模块部分之间的相对独立性，但最终的公共质量使用0Ω的电阻和公共接地来确保系统的可靠性。
　　控制器在系统的总体设计中起控制作用，并协调其他功能模块的正常工作，这是此设计的基石之一。了满足高速，高稳定性，RAM和低功耗的要求，系统使用了32位STM32F103 ARM微控制器，其具有64 KB的FLASH存储器，20 KB的RAM和高达1.25 DMips / MHz。
　　部16 MHz晶振和内部处理频率高达64 MHz的性能可以满足A / D采样，数据操作和显示控制的处理速度要求。用控制器中的集成SPI控制器对DAC8512和ADS8509卡执行读写操作； PA端口用作外部总线，用于通过模拟数据总线读取和写入LCD屏幕。PC0〜PC7接口用于键盘扫描，而PC8和PC9控制AD8253的放大倍数，而其余四个PC端口则连接到外部LED指示器，作为操作的状态指示器。统的。字控制电压源DAC由DAC8512，OP07和TIP122三极管组成。DAC8512产生精度为2 mV，分辨率为1 mV的DC电压.OP07和TIP122构成放大器控制电路和发射极跟随器以实现驱动，然后产生5 V.使用DC / 3 A电压由DC-AC逆变器电路。DC-AC逆变器电路利用自激推挽逆变器升压电路（也称为Royer振荡电路）。电路可以发射具有固定频率和与输入电压成比例的峰-峰电压的交流信号，该峰-峰电压与输入电压成函数关系。图3所示，逆变器和整流器电路包括输入电感器L1，基极电阻器R7，谐振电容器C12，两个三极管2SD1864和具有三个线圈T1的变压器。压源NC发送的可控电压信号由电感器L1输入。L1为变压器T1的中心抽头提供高AC输入阻抗，可以防止电路干扰数字控制电压源； R7为200Ω，为Q7和Q8提供基本的直流偏置，并且可以提供最大21.5 mA的基本电流，即Q7，集电极和变压器Q8，最大一次电流为2， A.初级绕组和次级绕组之间的比率为1：400，电缆即，当最大输入电压为5 V时，初级绕组会产生振荡信号。励型，其峰峰值为5 V，次级绕组（高压输出）产生的峰峰值为2000 V AC高电压。流高压，最大峰峰值为2000V。果使用典型的全波整流，则无负载时获得的最大DC电压为848 V，负载低至777 V，这不能不能满足1500 V的输出要求。此，该设计使用了半波整流和倍压器的组合。电压小于300 V时，使用半波整流；当电压大于300 V时，使用倍压整流，最大输出电压为1700V。统设计要求。设计的采样电阻为9kΩ，精度为十分之一，温度漂移为5 ppm。高压下测量低绝缘度时的最小采集电压为0.9 mV，在低压下测量高绝缘度时的最大采集电压为9V。要一个多级可控放大电路。信号主要是共模噪声时，为了抑制噪声并获得有效的信号放大，必须使用具有高共模抑制比的仪表放大器。

　　AD8253在设计中用于信号调理，这是一款用于数字控制仪器的差分放大器。大倍数由两个引脚选择，可以是1，10，100和1，000的四个放大倍数，可以满足此设计中大量多级受控放大的需求。ADC采样电路由具有多量程输入功能的高精度16位ADC ADS8509组成，设计中使用0至10 V输入范围。后，电缆结合先前的可控放大器电路，最大分辨率可达到100Ω，最小分辨率为10kΩ。足系统分辨率为0.1MΩ的需求。电路设计中，为了提高系统的稳定性，ADS8509的数字质量与市电的质量分开，而光隔离器件ADUM5404用于隔离数据线。RC滤波网络连接到电源引脚，以提高电源稳定性并实现高精度转换。个测试仪使用软件通过STM32F103主控制芯片进行控制。
　　统软件的流程图如图4所示。系统加电后，主控制芯片程序开始并开始于完成内部寄存器的复位并清除中断。后，是外部设备的初始化，包括CNA的数字控制电源，该设备将其输出控制为0V，并控制继电器断开外部测量接口。后，它控制初始化界面的LCD显示屏，然后在等待用户操作的同时扫描键盘。
　　始测试时，STM32F103命令DAC的数字电源通过程序生成电压信号，然后生成所需的高压并将其传输到外部测量接口。旦高压信号通过了被测物体，它就会通过采样电阻器接地。号经过放大和调节后，采样电阻上的电压信号由ADS8509收集，然后通过数据处理计算出被测物体的绝缘电阻，并将其显示在LCD上。了测试该仪器的绝缘电阻测试性能，模拟了几个电阻值，以使用高电阻外壳ZX68C模拟绝缘电阻测试，并通过电路提供电压值高电压由美国高压计KIDDE FENWA型号149-10A实时测量。体结果如表1所示。测试中，高电阻外壳用于调节绝缘电阻测量的不同电阻值，从测量结果可以看出，系统最大电压为0.10％。缘电阻的最大测量误差为0.17％，并且集中在高阻抗部分。际上，在高阻抗测量期间，采样电阻器的采样电压非常低。声干扰和其他因素导致测量误差，但它们均达到了系统设计的0.2％精度要求。文提出了一种用于直流高压绝缘阻抗测试仪的软件和硬件设计的方法，并详细描述了其某些关键电路的具体实现原理。过对高压表和高电阻外壳的测量和验证，该测试仪实现了0 1500 V的高压生成以及1MΩ〜10GΩ的绝缘电阻的测量，具有误差小于0.17％。验测试和实际应用表明，该仪器运行稳定可靠，测量精度高，速度快，符合设计要求。
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