多功能數(shù)字測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張建國（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，福建漳州363000）

多功能數(shù)字測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張建國*
（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，福建漳州363000）

為把數(shù)字萬用表、絕緣電阻表、漏電開關(guān)測(cè)試儀等三種功能的測(cè)量?jī)x器，合并為一種新型手持式測(cè)量?jī)x表。采用專用集成電路ES51921和高性能微控制器MSP430F2111及外部擴(kuò)展電路、液晶顯示器（LCD）等組成，將多功能測(cè)試儀設(shè)計(jì)成具有多功能、智能化的特點(diǎn)和顯示直觀、讀數(shù)精準(zhǔn)、功能完善、耗電省、體積小、易于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。該多功能測(cè)試儀經(jīng)測(cè)試符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)字測(cè)量；多功能測(cè)試儀；數(shù)字萬用表；絕緣電阻表；漏電開關(guān)測(cè)試儀

現(xiàn)有的數(shù)字萬用表、絕緣電阻表、漏電開關(guān)測(cè)試儀通常各為單獨(dú)的測(cè)量?jī)x器。其中，萬用表是測(cè)量基本電參數(shù)的儀表，而絕緣電阻測(cè)量主要用于測(cè)量電力設(shè)備的絕緣電阻，計(jì)算其吸收比或極化指數(shù)，判斷設(shè)備絕緣是否合格，然后決定是否電力設(shè)備絕緣性能試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)，為后續(xù)試驗(yàn)提供安全保障。漏電開關(guān)測(cè)試儀能對(duì)供電線路上的保護(hù)開關(guān)是否正常工作進(jìn)行判斷，提高安全保障。此三個(gè)儀表都是電工和電氣維修人員及科研人員必備儀器。如果能開發(fā)出一種具有電參數(shù)測(cè)量、絕緣電阻測(cè)量和漏電開關(guān)性能測(cè)試功能為一體的便攜式多功能測(cè)試儀表，那它既可以更好地滿足用戶的需求，對(duì)電力設(shè)備和家庭用電設(shè)備的安全也提供更有力的測(cè)試保障，同時(shí)也更符合當(dāng)前倡導(dǎo)的節(jié)能和環(huán)保的消費(fèi)趨勢(shì)，因而具有極大的市場(chǎng)發(fā)展空間［1］。此類產(chǎn)品在國內(nèi)尚是個(gè)空白。因此，開展多功能綜合性測(cè)試儀表的技術(shù)研究，將具有重要的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)意義。其用途廣闊，可為電工和電氣維修人員提供一種功能齊全、攜帶方便的測(cè)量工具。同時(shí)可以填補(bǔ)國內(nèi)此類產(chǎn)品研究和生產(chǎn)的技術(shù)空白。同時(shí)就國際市場(chǎng)而言，也尚無水平相當(dāng)產(chǎn)品，產(chǎn)品開發(fā)的成功，具有較強(qiáng)的國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和出口前景。

1　總體設(shè)計(jì)方案

本測(cè)試儀核心部分采用一只智能化數(shù)字萬用表專用集成電路ES51921和一只高性能微控制器MSP430F2111相結(jié)合，完成對(duì)項(xiàng)目的不同性質(zhì)物理量（電壓、電流、電阻和時(shí)間）的測(cè)量，然后經(jīng)過兩個(gè)單片機(jī)之間的雙向通信，將所測(cè)得的結(jié)果由一個(gè)液晶顯示器（LCD）顯示出來。ES51921是一只數(shù)字萬用表專用高性能、低功耗位帶微處理器的模/數(shù)變換器（ADC+MCU），它可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字萬用表的全部測(cè)量和顯示功能，并可對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)具有數(shù)據(jù)雙向傳輸功能，作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字智能化測(cè)量的控制核心［2］。MSP430F2111是美國德州生產(chǎn)的一款高性能的微控制器［3］，作為計(jì)時(shí)器即使微秒級(jí)也能輕易做到，它可以實(shí)現(xiàn)RCD分?jǐn)鄷r(shí)間的測(cè)量和泄露電流的控制以及對(duì)絕緣測(cè)試DC-DC轉(zhuǎn)換的控制。其工作原理圖1如下：

圖1　工作原理圖

2　絕緣電阻數(shù)字化測(cè)量的研究及線路設(shè)計(jì)

絕緣體將通電導(dǎo)體與大地和彼此相互分離，其足夠高的電阻可確保導(dǎo)體和大地間的電流保持在相當(dāng)?shù)偷臄?shù)值。理想中絕緣電阻應(yīng)無窮大且無電流能通過。實(shí)際上，通常在通電導(dǎo)體和大地間仍有電流通過，稱之為泄漏電流，該電流一般由電容電流、導(dǎo)體電流、表面泄漏電流3個(gè)部分組成。

由于使用直流高壓既可消除不良絕緣，又能夠揭露低電壓時(shí)無法暴露的潛在性故障。這就是進(jìn)行絕緣測(cè)試時(shí)使用的電壓高于通?；芈分惺褂秒妷旱脑颉鹘y(tǒng)的兆歐表也叫“搖表”，是由手搖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的高壓施加在被測(cè)物體上，通過測(cè)量流經(jīng)被測(cè)物體的電流來測(cè)量其絕緣電阻，其操作麻煩、精度低。要實(shí)現(xiàn)絕緣電阻測(cè)量的數(shù)字化，首先必須實(shí)現(xiàn)測(cè)量的電子化，所以手搖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的測(cè)試高壓必須由電池供電電壓轉(zhuǎn)換為直流高壓替代。本項(xiàng)目的絕緣測(cè)量方案如圖2所示，利用先進(jìn)高效PWM的DC-DC轉(zhuǎn)換技術(shù)將電池電壓轉(zhuǎn)換為測(cè)試電壓，這個(gè)測(cè)試電壓施加于被測(cè)物上產(chǎn)生的電流經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值，然后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字編碼經(jīng)微處理器計(jì)算處理，由顯示器顯示出相應(yīng)的電阻值。

圖2　絕緣測(cè)量方案圖

2.1.1直流電壓變換器（DC-DC變換器）

DC-DC變換器將電池電壓轉(zhuǎn)換為直流高壓做為測(cè)試電壓，它是電子式絕緣測(cè)量的關(guān)鍵部分。由于考慮轉(zhuǎn)換效率、體積、輸出電壓控制及變換，本項(xiàng)目采用脈寬調(diào)制（PWM）型開關(guān)電源集成控制器SG3524將電池的直流電壓變換為脈寬調(diào)制信號(hào)，經(jīng)升壓變壓器轉(zhuǎn)化為高壓脈沖，由倍壓整流平滑成直流高壓測(cè)試電壓，其輸出電壓大小是通過輸出電壓控制電路調(diào)節(jié)脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)的。SG3524脈寬調(diào)制型控制器是國際上最為流行的開關(guān)電源集成控制器，它包括開關(guān)穩(wěn)壓器所需的全部控制電路，其中有誤差放大器、振蕩器、脈寬調(diào)制器、脈沖發(fā)生器、開關(guān)管、過流過熱保護(hù)［4］。圖3是應(yīng)用SG3524將9 V直流電升壓至500 V的實(shí)用電路。

圖3中SG3524是升壓電路的核心，其第10管腳（Shutdown）是啟動(dòng)控制端，它受來自MSP430F2111微控制器信號(hào)的控制。當(dāng)微控制器輸出啟動(dòng)信號(hào)后，SG3524直接向開關(guān)管Q1提供脈寬調(diào)制信號(hào)，由Q1推動(dòng)升壓變壓器，經(jīng)升壓后輸出高壓脈沖由倍壓整流成直流高壓輸出。管腳6、管腳7腳外接振蕩電阻R5、電容C2，確定其開關(guān)頻率。電阻R1、R2提供取樣電壓經(jīng)電壓誤差放大器管腳1引入與管腳2的參考電壓進(jìn)行比較，放大器輸出電壓送至脈寬調(diào)制器控制輸出脈沖的占空比，從而穩(wěn)定輸出電壓。第4、第5腳為電流限制放大器，第11、12腳和第13、14腳為集電極、發(fā)射極均開路NPN晶體管組成的輸出極。由SG3524可知：

開關(guān)頻率：

f≈1.30/（R5C2）=1.30/（2×0.02）=32.5 kHz其中：R5單位為Ω，C2單位為F，f單位為Hz。輸出電壓：

Vo=2.5 V×（1+R1/R2）=2.5 V×（1+2000/10）= 502.5 V≈500 V

圖3　DC9 V-DC1 000 V升壓轉(zhuǎn)換電路

2.1.2微電流放大

要測(cè)量高達(dá)2 000MΩ的絕緣電阻，由于采用DC500 V的測(cè)試電壓，其最小測(cè)試電流只有250 nA，因此選用低失調(diào)電壓低漂移高精度的運(yùn)算放大器是必需的，而作為直流運(yùn)用斬波運(yùn)算放大器成為首選［5］。

從圖4可以看出，運(yùn)算放大器A及反饋電阻Rf1組成一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換器（I-V轉(zhuǎn)換），它將流經(jīng)被測(cè)絕緣電阻Rx的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。

圖4　電流電壓轉(zhuǎn)換器電路

當(dāng)測(cè)試電壓Vi作用于待測(cè)電阻Rx上時(shí)，根據(jù)運(yùn)算放大器特性，其正輸入端為地電位，那么負(fù)輸入端（測(cè)試端-）同樣為地電位（虛地），由歐姆定律可得：

所以運(yùn)算放大器的輸出電壓：

將式（1）代入式（2）得：

設(shè)電壓反饋系數(shù)k=-Rf，則：

2.1.3絕緣電阻的計(jì)算和顯示

數(shù)字萬用表專用集成電路ES51921，其顯示數(shù)值COUNT=1000×VIN/VREF。由式（4），我們利用開關(guān)將Vi、Vo切換到ES51960的輸入端和參考端，既把絕緣電阻測(cè)試電壓Vi作為ES51921的VIN，將與Rx相關(guān)的電壓Vo當(dāng)成VREF，只要調(diào)節(jié)電壓反饋系數(shù)k，其顯示數(shù)值就直接為Rx，就可以得到絕緣電阻的阻值。這正是利用ES51960智能化數(shù)字萬用表專用集成電路對(duì)電壓測(cè)量功能來實(shí)現(xiàn)絕緣電阻測(cè)量的數(shù)字化［6］。

2.2剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置分?jǐn)鄷r(shí)間測(cè)量的研究及線路設(shè)計(jì)

配電系統(tǒng)中裝設(shè)RCD是防止直接接觸電擊事故和間接測(cè)接觸電擊事故的有效措施之一，也是防止電氣線路或電氣設(shè)備接地故障引起電氣火災(zāi)和電器設(shè)備損壞事故的技術(shù)措施。但安裝RCD后，仍應(yīng)以預(yù)防為主，并對(duì)所安裝的RCD進(jìn)行定期檢測(cè)，以確保其工作的正常。測(cè)試RCD分?jǐn)鄷r(shí)間目的是為了確保其跳脫時(shí)間足夠快，以免在操作時(shí)發(fā)生觸電以造成人身傷亡事故。此測(cè)試與RCD上的“TEST”鍵功能不同，RCD上的“TEST”鍵僅使斷路器跳脫以檢測(cè)其是否工作，但不測(cè)量跳脫時(shí)間。

2.2.1接線的檢測(cè)

圖5是RCD接線指示原理圖，兩個(gè)LED燈檢測(cè)被測(cè)線路接線是否正確。為了微控制器MSP430F2111不受被測(cè)線路上電影響，本線路使用光藕將測(cè)試線路與被測(cè)線路進(jìn)行隔離。從圖5可以看出只有相線P位置正確時(shí)，PN、PE才會(huì)同時(shí)亮。

圖5　RCD接線指示電路圖

2.2.2分?jǐn)鄷r(shí)間的測(cè)量

RCD裝置是一種保護(hù)裝置，當(dāng)相線電流與中性線電流之間的差值（即剩余電流）達(dá)到跳閘值，RCD將會(huì)跳脫。本測(cè)量線路是通過設(shè)置相線與地線之間流過一定的電流，使相線電流與中性線電流之間產(chǎn)生差值，測(cè)量施加剩余電流預(yù)設(shè)值（跳閘值）后至RCD跳脫的時(shí)間值。

圖6是整個(gè)RCD分?jǐn)鄷r(shí)間測(cè)量的基本流程圖，整個(gè)流程由微控制器MSP430F2111控制。其中PN=1為相線與中性線有電指示，PE=1為相線與地線有電指示。因此只有相線接法正確時(shí)PN、PE指示燈才有可能同時(shí)亮，此時(shí)微控制器才有可能發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，使相線與地線之間流過設(shè)置電流，同時(shí)計(jì)算時(shí)間，直到RCD跳脫，被測(cè)線路被切斷，使PN=0 （PN指示燈熄滅），所測(cè)量到既為此RCD分?jǐn)鄷r(shí)間。

圖6　RCD分?jǐn)鄷r(shí)間測(cè)量的基本流程圖

從流程圖可知，若中性線和地線反接，測(cè)試仍可進(jìn)行，但由于此時(shí)泄露電流不是流向地線，而是到中性線，相線電流與中性線電流之間無差值，RCD將不會(huì)會(huì)跳脫，PN不會(huì)為0，當(dāng)微控制器計(jì)時(shí)超過2 000ms時(shí)，測(cè)試強(qiáng)制停止。

2.2.3剩余電流預(yù)設(shè)電路和控制

圖7　剩余電流預(yù)設(shè)電路和控制

圖7是剩余電流預(yù)設(shè)電路和控制線路圖，來自微控制器在計(jì)時(shí)開始發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)使可控硅導(dǎo)通，相線電流經(jīng)過負(fù)載電阻R流向地線，使相線電流與中性線電流之間產(chǎn)生差值來模擬泄露電流，其泄露電流大小由負(fù)載電阻R接定［7］。

2.2.4分?jǐn)鄷r(shí)間的顯示

由圖6可以看出，測(cè)量RCD分?jǐn)鄷r(shí)間的計(jì)時(shí)和控制均由微控制器MSP430F2111完成［8］，我們將其測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)換成ES51921相同格式，由可編程LCD顯示筆畫輸入腳SDATA輸入，經(jīng)ES51921由LCD將測(cè)量結(jié)果顯示出來，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制器的結(jié)合，也完成測(cè)量功能的有機(jī)結(jié)合。

3　結(jié)束語

目前該多功能測(cè)試儀已研制成功，并由漳州東方智能儀表有限公司生產(chǎn)，產(chǎn)品實(shí)物照片如圖8所示。該項(xiàng)目被列入福建省項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目（閩發(fā)改投資［2013］312號(hào)）。產(chǎn)品經(jīng)漳州市計(jì)量所檢驗(yàn)合格，具體參數(shù)指標(biāo)和精度如表1所示。產(chǎn)品指標(biāo)符合《GB/T13978數(shù)字多用表通用技術(shù)條件》、《JJG1005-2005電子式絕緣電阻表檢定規(guī)程》要求，并填補(bǔ)國內(nèi)此類產(chǎn)品研究和生產(chǎn)的技術(shù)空白，具有技術(shù)首創(chuàng)性，具有重大的技術(shù)意義，也具有較大的國內(nèi)外市場(chǎng)潛力。

圖8　多功能測(cè)試儀實(shí)物照片

表1　多功能測(cè)試儀參數(shù)測(cè)試結(jié)果

［1］ 沙占友，沙江.數(shù)字萬用表功能擴(kuò)展與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2005：25-27.

［2］ 沙占友.數(shù)字化測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：35-36.

［3］ 謝光紅.MSP430單片機(jī)基礎(chǔ)與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：56-59.

［4］ 胡漢才.高檔AVR單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012：120-123.

［5］ 陸坤.電子設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：電子科技大學(xué)出版社，2004： 85-87.

［6］ 楊建成.基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)與仿真［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（3）：21-23.

［7］ 李穎，梁庭.基于AVR單片機(jī)的多路直流電平檢測(cè)電路設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2014，37（2）：254-257.

［8］ 翟永前，蔣芳芳.基于MSP430單片機(jī)的智能數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2011（3）：13-16.

張建國（1963-），男，漢族，漳州人，漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系副主任、副教授。專業(yè)領(lǐng)域是電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的教學(xué)和科研，zh_jg@126.com。

Design and Im p lementation ofM ulti-Function Digital Tester*

ZHANG Jianguo*
（Zhangzhou Professional Technology Institute Electron Engineering Department，Zhangzhou Fujian 363000，China）

In order tomake a new type of portablemeasuring instrument，three kinds of functions，such as digital，insulation resistancemeter，leakage switch tester，are combined into a new type of portablemeasuring instrument. ES51921 and high performancemicrocontroller MSP430F2111 and high performancemicro controller and external expansion circuit，LCD display（LCD）and other components，themulti-function test instrument designed to have more features，intelligent features and display intuitive，accurate reading，features，power consumption，small volume，easy to carry and so on.Themulti function testing instrument is in accordancewith the relevant technical standards.

digitalmeasurement；multifunction tester；digitalmultimeter；insulation resistancemeter；GFCItester

TM 933.2

A

1005-9490（2016）04-1020-05

項(xiàng)目來源：福建省項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（閩發(fā)改投資［2013］312號(hào)）

2015-08-17修改日期：2015-09-12

EEACC:645010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.050