摘 要： 針對電子電氣等產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中需進(jìn)行DC絕緣阻抗測試的要求，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于Cortex?M3的DC絕緣阻抗測試儀。該測試儀以Cortex?M3作為核心控制器，配置DC高壓產(chǎn)生電路、信號采集調(diào)理電路和LCD顯示電路，從而達(dá)到對產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時有效絕緣阻抗測試的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該測試儀能進(jìn)行1 MΩ～10 GΩ的絕緣阻抗測量，且具有輸出功率大、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類電子、電氣等產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)。

關(guān)鍵詞： 絕緣阻抗； Cortex?M3； 直流高壓； 阻抗測試儀

中圖分類號： TN624+.1?34； TM855 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0139?03

Abstract： Since the DC insulation impedance should be tested in the production process of electronic and electrical products， a DC insulation impedance tester based on Cortex?M3 was designed and realized. The tester takes Cortex?M3 as its core controller， and is composed of DC high voltage （HV） generating circuit， signal acquisition and regulation circuit， and LCD display circuit， so as to test the insulation impedance of the products in real time and effectively. The experiment results show that the tester can measure the insulation impedance of 1 MΩ～10 GΩ， has the advantages of high power output and high?precision detection， and can be widely used in the enterprises producing various electronic and electrical products.

Keywords： insulation impedance； Cortex?M3； DC HV； impedance tester

0 引 言

DC絕緣阻抗測試儀主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中測量導(dǎo)體材料之間或與外界的絕緣阻抗，是電子電氣產(chǎn)品特別是導(dǎo)線、連接器等器件生產(chǎn)過程中必不可少的測量儀器[1?3]。目前常用的絕緣阻抗測試設(shè)備為“搖表”，這種設(shè)備的輸出電壓隨手搖速率的變化而變化，表針式也不夠精確，已無法適應(yīng)測量要求較高的場合，更不具備自動測量的功能[4?6]。也有專用設(shè)備來測量DC絕緣阻抗的設(shè)備，但都存在成本較高、體積大、不方便攜帶等缺點(diǎn)[7]。在總結(jié)眾多相同研究的基礎(chǔ)上[8?9]，本文提出的基于Cortex?M3的DC絕緣阻抗測試儀，具有測量精度高、測量速度快和成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

1 測試原理

1.1 測試原理分析

根據(jù)GB4706和UL1059標(biāo)準(zhǔn)，測試絕緣阻抗的方法，得出如圖1所示的測試原理。

1.2 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)設(shè)計以Cortex?M3為內(nèi)核的ARM控制器，STM32F103為控制核心，由DAC數(shù)控電壓源、DC?AC逆變電路、整流電路、采樣信號處理電路、ADC采集電路和鍵盤顯示電路等組成，如圖2所示。

此系統(tǒng)工作原理是控制器控制DAC數(shù)控電壓源產(chǎn)生0～5 V的直流電壓，驅(qū)動DC?AC逆變模擬，產(chǎn)生0～900 V頻率為400 kHz的交流高壓，交流高壓經(jīng)過整流濾波后，產(chǎn)生0～1 500 V的DC高壓。DC高壓輸出給測試端進(jìn)行DC高壓絕緣測試，然后將采樣電阻得到的電壓信號進(jìn)行放大，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后計算出被測絕緣阻抗值大小并在LCD中顯示。設(shè)計指標(biāo)為輸出高壓0～1 500 V，絕緣阻抗測量范圍1 MΩ～10 GΩ，分辨率為0.1 MΩ，精度達(dá)0.2%。

2 電路實(shí)現(xiàn)

2.1 電 源

電源為整個系統(tǒng)提供±12 V，5 V和3.3 V三個電壓，其中±12 V用于信號放大調(diào)理等模擬電路；5 V主要為高壓產(chǎn)生使用；3.3 V主要用于STM32F103控制核心。采用隔離式DC?DC的電源，保證了各電源之間的相對獨(dú)立性，特別是數(shù)字部分和模塊部分之間，只是最后的共地處采用了0 Ω電阻共地，保證了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 主控制器

主控制器在整個系統(tǒng)設(shè)計中起控制作用及協(xié)調(diào)其他功能模塊間正常工作，是本設(shè)計的核心之一。為了滿足高速率、高穩(wěn)定性、大內(nèi)存、低功耗等要求，系統(tǒng)選用32位的ARM微控制器STM32F103，該控制器具有64 KB的FLASH、20 KB的RAM和高達(dá)1.25 DMips/MHz的處理性能，外接16 MHz的晶振，內(nèi)部4倍頻達(dá)64 MHz的處理頻率能滿足A/D采樣、數(shù)據(jù)運(yùn)算和顯示控制的處理速度需求。使用控制器內(nèi)部自帶的SPI控制器來實(shí)現(xiàn)對DAC8512和ADS8509的讀寫操作；PA口通過模擬數(shù)據(jù)總線的方式，作為外部總線用于LCD顯示的讀寫。PC0～PC7接口用作鍵盤掃描， PC8和PC9用來控制AD8253進(jìn)行放大倍數(shù)的選擇，同時4個剩余的PC口外接LED指示燈作為系統(tǒng)運(yùn)作的各類狀態(tài)指示燈。

2.3 DAC數(shù)控電壓源

DAC數(shù)控電壓源由DAC8512，OP07和三極管TIP122組成， DAC8512產(chǎn)生精度為2 mV，分辨率為1 mV的直流電壓，OP07和TIP122組成放大和射極跟隨驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動，最終能輸出5 V/3 A的直流電壓供DC?AC逆變電路使用。

2.4 DC?AC逆變電路和整流電路

DC?AC逆變電路采用的是自激推挽式逆變升壓電路（也叫Royer振蕩電路）。該電路能根據(jù)輸入電壓大小，輸出頻率固定、電壓峰峰值與輸入電壓大小成比例的交流信號。如圖3所示，逆變和整流電路由輸入電感L1、基極電阻R7、諧振電容C12、2個三極管2SD1864和三繞組變壓器T1組成。

數(shù)控電壓源送來的可控電壓信號由電感L1進(jìn)入。L1為變壓器T1的中心抽頭提供一個高交流輸入阻抗，能防止本電路對數(shù)控電壓源的干擾；R7大小為200 Ω，給Q7，Q8供基極直流偏置，最大可提供21.5 mA的基極電流，即Q7，Q8集電極和變壓器，初級最大電流為2.15 A。初級繞組與次級繞組的變比是1∶400，即輸入電壓最大為5 V時，初級產(chǎn)生峰峰值為5 V的自激振蕩信號，次級繞組（高壓輸出端）產(chǎn)生峰峰值為2 000 V的交流高壓。

最大峰峰值為2 000 V的交流高壓如果使用常規(guī)的全波整流時，空載時得到的最大直流電壓為848 V，負(fù)載時更低至777 V都無法滿足輸出1 500 V的要求。所以在設(shè)計中使用半波整流和倍壓整流相結(jié)合的方式。在低于300 V時使用半波整流；大于300 V時使用倍壓整流，最大輸出電壓為1 700 V，滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。

2.5 采樣放大調(diào)理電路

本設(shè)計的采樣電阻為9 kΩ，其精度為萬分之一，溫漂為5 ppm。最小的采集電壓在低電壓測量高絕緣時為0.9 mV，最大采集電壓在高電壓測低絕緣時為9 V，所以需要多級可控放大電路，而且當(dāng)采樣信號小至1 mV時，電路噪聲主要是共模噪聲，需要使用高共模抑制比的儀用放大器才能很好地抑制噪聲，達(dá)到信號的有效放大。設(shè)計中使用AD8253進(jìn)行信號調(diào)理，這是一款數(shù)控儀用差分放大器。放大倍數(shù)由兩個引腳來進(jìn)行選擇，可進(jìn)行1，10，100和1 000四種放大倍數(shù)，滿足本設(shè)計大量程多級控放大的需求。

2.6 ADC采樣電路

ADC采樣電路采用16位的高精度ADC?ADS8509組成，該芯片具有多量程輸入功能，設(shè)計中使用0～10 V的輸入量程。那么結(jié)合前面的可控放大電路能實(shí)現(xiàn)最大分辨率達(dá)100 Ω，最小分辨率為10 kΩ。滿足系統(tǒng)分辨率為0.1 MΩ的需求。在電路設(shè)計時，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將ADS8509的數(shù)字地和電源地分開，同時采用光電隔離器件ADUM5404，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線的隔離。并在電源引腳用RC濾波網(wǎng)絡(luò)連接以提高電源的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個測試儀都由STM32F103主控芯片通過軟件完成控制，系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)上電后主控芯片程序啟動，首先完成內(nèi)部寄存器的復(fù)位、中斷清零等。然后是外部設(shè)備的初始化，特別是DAC數(shù)控電源電路，控制其輸出為0 V，并控制繼電器斷開外部測量接口。然后是控制LCD顯示初始化界面，并進(jìn)行鍵盤掃描，等待用戶操作。在啟動測試時，STM32F103通過程序控制DAC數(shù)控電源產(chǎn)生電壓信號，最終產(chǎn)生所需的高壓并輸出到外部測量接口。高壓信號通過被測物后，經(jīng)采樣電阻到地。采樣電阻上的電壓信號經(jīng)過信號放大調(diào)理后由ADS8509進(jìn)行電壓采集，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計算得到被測物的絕緣阻抗大小，并在LCD中顯示。

4 系統(tǒng)測試與分析

為了檢測本儀器的絕緣阻抗測試性能，采用ZX68C型高阻箱設(shè)定幾個電阻值模擬絕緣阻抗測試，同時通過美國KIDDE FENWA型號149?10A高壓表實(shí)時測量高壓電路輸出的電壓值。具體結(jié)果如表1所示。

檢測時利用高阻箱調(diào)整不同的電阻值來進(jìn)行模擬絕緣阻抗測量，從測量結(jié)果可看出，系統(tǒng)的高壓產(chǎn)生誤差最大為0.10%。絕緣阻抗測量最大誤差為0.17%，而且是集中出現(xiàn)在高阻抗段，這是因?yàn)樵诟咦杩箿y量時，采樣電阻的采樣電壓非常小，在進(jìn)行高倍放大時，會因?yàn)榉糯箅娐返姆蔷€性和電路噪聲干擾等因素造成測量誤差，但都達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計的0.2%精度要求。

5 結(jié) 語

本文介紹了一種DC高壓絕緣阻抗測試儀的軟硬件設(shè)計方法，并詳細(xì)論述了其部分關(guān)鍵電路的具體實(shí)現(xiàn)原理。通過高壓表和高阻箱的計量校驗(yàn)，該測試儀實(shí)現(xiàn)了0～1 500 V的高壓產(chǎn)生和1 MΩ～10 GΩ絕緣阻抗的測量，誤差小于0.17%。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、速度快，滿足設(shè)計要求。

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