張佳民，丁 喆，鮑克勤，馬生茂，王 力

(上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090)

隨著社會的高速發(fā)展，電子電器設(shè)備正越來越多地進入人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域.當電氣設(shè)備掉電后，由于泄漏電阻較大，高壓整流電容上的殘留電壓不能在很短時間內(nèi)降到安全范圍，當檢修人員維修設(shè)備時，就有觸電的危險.因此，電氣設(shè)備高壓整流電容掉電殘留電壓的大小關(guān)系到檢測人員與用戶的安全.為了保證用戶和檢修人員的安全，必須對電氣設(shè)備掉電1 s或10 s后的殘留電壓進行檢測.由于目前可進行殘留電壓檢測的儀器還很少見，大多采用示波器停止功能鍵進行估測［1，2］，人為因素影響大，定時不準確，測量誤差大.因此，開發(fā)殘留電壓測試儀具有一定的實用價值.

1 殘留電壓的檢測原理

電氣設(shè)備掉電殘留電壓檢測儀主要用來檢測電氣設(shè)備高壓整流電容在掉電后的殘留電壓，根據(jù)電氣設(shè)備的安全規(guī)范，需要檢測掉電后1 s或10 s后電容上的殘留電壓值.本文采用掉電識別電路進行測量，將掉電信息送入控制器，控制器系統(tǒng)啟動定時.同時，掉電設(shè)備高壓整流電容上的電壓通過高阻分壓網(wǎng)絡(luò)和保護電路輸入測量系統(tǒng)，經(jīng)過絕對值電路進行電壓極性的變換，將輸入信號變?yōu)檎龢O性，并調(diào)整到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍.根據(jù)人機接口信息，在定時時間結(jié)束時，控制器對采樣保持電路發(fā)出保持命令，啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器，完成殘留電壓的測試，并通過顯示器顯示.其原理如圖1所示.

圖1 剩余電壓檢測儀的原理

2 測試系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

測試系統(tǒng)的硬件電路主要包括被測裝置的掉電識別電路、采樣輸入及輸入保護電路、絕對值電路、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機接口電路，以及鍵盤與顯示的人機接口電路，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 采樣輸入及保護回路

2.1 采樣輸入及保護回路的設(shè)計

輸入回路的接入必將引起電容電荷的泄漏，導致電容電壓下降，影響測量結(jié)果，本文采用高壓分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電壓采樣，其原理如圖2所示.根據(jù)電工理論知識，因取樣電路的接入，電容C的放電過程可描述為:

式中:Ee——掉電時的起始電壓;

Uc——放電后電容上的電壓;

τ——時間常數(shù).

假設(shè)整流電容C上電壓為1 000 V，1 s后分壓網(wǎng)絡(luò)對電容電壓的影響不超過0.1%，根據(jù)式(1)可得:

在高壓分壓輸入回路，當通過雙向穩(wěn)壓管保護輸入放大器的電壓下降到100 V時，穩(wěn)壓管不被擊穿，分壓網(wǎng)絡(luò)對電容電壓進行線性分壓.若取分壓值為5 V，整流電容取保守值為100 μF.根據(jù)式(2)可得到分壓電阻 R1為 499.75 kΩ，R2為9.492 5 MΩ.

2.2 掉電識別電路

從待測設(shè)備電源的主開關(guān)后取樣電源信號Ui，Ui經(jīng)降壓變壓器和全橋整流器之后得到全波整流波形Ua，周期為10 ms，Ua的峰值大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓，在每個半波時間里，當半波波形的瞬時值大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，穩(wěn)壓管擊穿一次，使三極管T飽和導通，產(chǎn)生下跳沿，向CPU申請中斷.在正常情況下，CPU至少每隔10 ms收到一次中斷信號，收到中斷信號后，將CPU的定時器清零，并重新啟動定時器.若CPU沒有在設(shè)定的時間內(nèi)收到中斷信號，定時器就會發(fā)生中斷，此時判定系統(tǒng)掉電.考慮到工頻周期有微小變動，本設(shè)計中將定時器時間設(shè)置為12 ms.超過12 ms CPU沒有收到中斷信號就判定為掉電，啟動定時測量程序.掉電識別電路如圖3所示.

圖3 掉電識別電路

2.3 絕對值電路的設(shè)計

待測電氣設(shè)備的電容電壓通過高壓分壓網(wǎng)絡(luò)輸入到測試儀器，根據(jù)測試儀器表筆位置的不同，往往出現(xiàn)正負電壓，因此必須對輸入電壓進行極性變換.傳統(tǒng)的整流電路受二極管導通壓降的影響，其信號損失較大，因此本文采用了精密整流電路(也稱為絕對值電路)，其電路如圖4所示.

精密整流電路由運算放大器與二極管組合構(gòu)成，由于運算放大器具有較高開環(huán)的增益，克服了二極管導通壓降的影響，且信號死區(qū)很小，因此可提高信號整流的準確度.

圖4 絕對值電路

當 uin＞0 時，D1截止，D2導通，則:

此時，放大器A2的輸出電壓為:

當 uin＜0 時，D1導通，D2截止，uo1=0，則:

取電阻 R1=R2=R3=R5=R，R4=0.5R，根據(jù)式(4)和式(5)可得:

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

測量系統(tǒng)按照安檢標準，要檢測規(guī)定時刻的殘留電壓值，為保證測量的準確性，在模數(shù)轉(zhuǎn)換前采用采樣保持電路LF398來保持某一瞬間值，使模數(shù)轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過程中保持電壓不變，見圖5.

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路

LF398的8引腳與SM5964單片機的P1.4引腳相連，用來控制LF398的工作狀態(tài)，當單片機的P1.4輸出邏輯為1時，LF398的輸出電壓隨3腳輸入電壓的不同而變化;當單片機的P1.4腳輸出邏輯為0時，LF398內(nèi)部的開關(guān)斷開，輸出電壓比變;2引腳接電位器R7可實現(xiàn)直流調(diào)零［3］.

本測量系統(tǒng)有4位顯示，量程范圍為100 V，模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要10位以上，本文采用串行Δ-∑模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器LTC2400.該轉(zhuǎn)換器內(nèi)部具有精度較高的集成震蕩器時鐘，外部不需任何頻率調(diào)整元件，內(nèi)部的4階數(shù)字陷波濾波器，將陷波器的控制端通過R5接地，以減小50 Hz信號對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的影響［4］.實驗結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)可達到精確的測量效果.

2.5 人機接口電路

本文選用ZLG7289鍵盤與顯示專用芯片實現(xiàn)測量裝置的人機接口功能.人機接口設(shè)有3個按鍵:S1，S2，S3，其中 S1為測量待測設(shè)備掉電1 s后的剩余電壓，S2為測量待測設(shè)備掉電10 s后的剩余電壓，S3為測量啟動鍵.測量值采用4位顯示.ZLG7289與SM5964單片機的連接見圖6.

圖6 鍵盤與顯示接口電路

由圖6可知，ZLG7289片選端/CS與SM5964的P3.0引腳相連，低電平有效時，可向芯片發(fā)送指令并讀取鍵盤數(shù)據(jù);ZLG7289的CLK端為同步時鐘輸入，與SM5964的P3.1引腳相連，向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù)據(jù)時，此引腳電平上升表示數(shù)據(jù)有效 ;ZLG7289的DIO端為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，與SM5964的P3.4引腳相連，當芯片接收指令時，此引腳為輸入端;當讀取鍵盤數(shù)據(jù)時，此引腳在“讀”指令最后一個時鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆?按鍵有效輸出端Key，因為與SM5964的P3.5引腳相連，平時為高電平，當檢測到有效按鍵時，此引腳變?yōu)榈碗娖?

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本設(shè)計有2個測量模式，即掉電1 s和10 s兩種模式.當把檢測系統(tǒng)連接到待測設(shè)備上后，在CPU內(nèi)部設(shè)置標志，且按下測量模式的按鍵.當被測設(shè)備掉電后，通過查找內(nèi)部標志，執(zhí)行測量程序，通過數(shù)據(jù)處理后，將測量結(jié)果送顯示器顯示.系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示.

圖7 系統(tǒng)的軟件流程示意

4 實驗測試數(shù)據(jù)

本文所設(shè)計的殘留電壓測試儀及其電壓量程范圍為100 V，當輸入電壓高于100 V時，高壓分壓網(wǎng)絡(luò)工作在非線性狀態(tài)，輸入到前置放大器的電壓不大于5.1 V;當輸入電壓小于100 V時，分壓網(wǎng)絡(luò)工作在線性分壓狀態(tài)，分壓比為20∶1.采用直流電源和萬用表對測量系統(tǒng)進行實驗，測試結(jié)果如表1所示.

表1 測試數(shù)據(jù) V

從表1可以看出，由于整流電路的電阻匹配精度不夠，因此造成輸入正電壓時測量數(shù)據(jù)偏大、輸入負電壓時測量數(shù)據(jù)偏小這一結(jié)果.

5 結(jié)語

采用微控制器對測量過程進行控制，消除了人為時間估算不準的影響，提高了掉電殘留電壓測量的自動化水平.從測試數(shù)據(jù)可以看出，在儀器的量程范圍內(nèi)測量的準確度優(yōu)于0.5%，滿足常規(guī)殘留電壓測量的要求，有一定推廣和實用價值.

［1］程麗玲，蔡永華，金毅萍.家用電器產(chǎn)品插頭間剩余電壓測量方法研究［J］.安全與電磁兼容，2008(4):57-59.

［2］蔣秋桃，李瑩，周豐良.示波器測量醫(yī)用電器剩余電壓的方法探討［J］.中國醫(yī)療器械信息，2010，16(5):39-40.

［3］馮濤，秦永左，趙巍.實用多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.長春理工大學學報，2003，26(2):83-84.

［4］朱武，張佳民.24位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2400及其應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28(20):69-73.