DC絕緣阻抗測試儀的設計與實現

摘 要： 針對電子電氣等產品在生產過程中需進行DC絕緣阻抗測試的要求，設計并實現了一種基于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高壓產生電路、信號采集調理電路和LCD顯示電路，從而達到對產品進行實時有效絕緣阻抗測試的目的。經實驗證明，該測試儀能進行1 MΩ～10 GΩ的絕緣阻抗測量，且具有輸出功率大、測量精度高等優點，可廣泛應用于各類電子、電氣等產品生產企業。

關鍵詞： 絕緣阻抗； Cortex?M3； 直流高壓； 阻抗測試儀

中圖分類號： TN624+.1?34； TM855 文獻標識碼： 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用于工業生產中測量導體材料之間或與外界的絕緣阻抗，是電子電氣產品特別是導線、連接器等器件生產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備為“搖表”，這種設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]。也有專用設備來測量DC絕緣阻抗的設備，但都存在成本較高、體積大、不方便攜帶等缺點[7]。在總結眾多相同研究的基礎上[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、體積小等優點。

1 測試原理

1.1 測試原理分析

根據GB4706和UL1059標準，測試絕緣阻抗的方法，得出如圖1所示的測試原理。

1.2 系統方案

本系統設計以Cortex?M3為內核的ARM控制器，STM32F103為控制核心，由DAC數控電壓源、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。

此系統工作原理是控制器控制DAC數控電壓源產生0～5 V的直流電壓，驅動DC?AC逆變模擬，產生0～900 V頻率為400 kHz的交流高壓，交流高壓經過整流濾波后，產生0～1 500 V的DC高壓。DC高壓輸出給測試端進行DC高壓絕緣測試，然后將采樣電阻得到的電壓信號進行放大，并進行A/D轉換，最后計算出被測絕緣阻抗值大小并在LCD中顯示。設計指標為輸出高壓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0.2%。

2 電路實現

2.1 電 源

電源為整個系統提供±12 V，5 V和3.3 V三個電壓，其中±12 V用于信號放大調理等模擬電路；5 V主要為高壓產生使用；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立性，特別是數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，保證了系統的可靠性。

2.2 主控制器

主控制器在整個系統設計中起控制作用及協調其他功能模塊間正常工作，是本設計的核心之一。為了滿足高速率、高穩定性、大內存、低功耗等要求，系統選用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1.25 DMips/MHz的處理性能，外接16 MHz的晶振，內部4倍頻達64 MHz的處理頻率能滿足A/D采樣、數據運算和顯示控制的處理速度需求。使用控制器內部自帶的SPI控制器來實現對DAC8512和ADS8509的讀寫操作；PA口通過模擬數據總線的方式，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進行放大倍數的選擇，同時4個剩余的PC口外接LED指示燈作為系統運作的各類狀態指示燈。

2.3 DAC數控電壓源

DAC數控電壓源由DAC8512，OP07和三極管TIP122組成， DAC8512產生精度為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動電路，實現功率驅動，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。

數控電壓源送來的可控電壓信號由電感L1進入。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，初級產生峰峰值為5 V的自激振蕩信號，次級繞組（高壓輸出端）產生峰峰值為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的全波整流時，空載時得到的最大直流電壓為848 V，負載時更低至777 V都無法滿足輸出1 500 V的要求。所以在設計中使用半波整流和倍壓整流相結合的方式。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，滿足系統設計需求。

2.5 采樣放大調理電路

本設計的采樣電阻為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，達到信號的有效放大。設計中使用AD8253進行信號調理，這是一款數控儀用差分放大器。放大倍數由兩個引腳來進行選擇，可進行1，10，100和1 000四種放大倍數，滿足本設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，設計中使用0～10 V的輸入量程。那么結合前面的可控放大電路能實現最大分辨率達100 Ω，最小分辨率為10 kΩ。滿足系統分辨率為0.1 MΩ的需求。在電路設計時，為了提高系統的穩定性，將ADS8509的數字地和電源地分開，同時采用光電隔離器件ADUM5404，實現數據線的隔離。并在電源引腳用RC濾波網絡連接以提高電源的穩定性，實現高精度轉換。

3 系統軟件設計

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

系統上電后主控芯片程序啟動，首先完成內部寄存器的復位、中斷清零等。然后是外部設備的初始化，特別是DAC數控電源電路，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數控電源產生電壓信號，最終產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，經采樣電阻到地。采樣電阻上的電壓信號經過信號放大調理后由ADS8509進行電壓采集，最后經過數據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高壓表實時測量高壓電路輸出的電壓值。具體結果如表1所示。

檢測時利用高阻箱調整不同的電阻值來進行模擬絕緣阻抗測量，從測量結果可看出，系統的高壓產生誤差最大為0.10%。絕緣阻抗測量最大誤差為0.17%，而且是集中出現在高阻抗段，這是因為在高阻抗測量時，采樣電阻的采樣電壓非常小，在進行高倍放大時，會因為放大電路的非線性和電路噪聲干擾等因素造成測量誤差，但都達到了系統設計的0.2%精度要求。

5 結 語

本文介紹了一種DC高壓絕緣阻抗測試儀的軟硬件設計方法，并詳細論述了其部分關鍵電路的具體實現原理。通過高壓表和高阻箱的計量校驗，該測試儀實現了0～1 500 V的高壓產生和1 MΩ～10 GΩ絕緣阻抗的測量，誤差小于0.17%。實驗測試和實際應用表明，該儀器工作穩定可靠、測量準確度高、速度快，滿足設計要求。

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