RLC負(fù)載結(jié)構(gòu)及參數(shù)檢測裝置的設(shè)計

林玠珉, 魏明

(蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 電子信息與通信工程系，江蘇 蘇州 215325)

0 引言

電子技術(shù)的高速發(fā)展推動著工業(yè)自動化、智能制造、產(chǎn)品自動檢測等領(lǐng)域快速發(fā)展，常見的如自動化產(chǎn)線中消費類產(chǎn)品快速測試[1]、電容式鍋爐液位測量[2]、對電池內(nèi)阻的自動檢測[3]、電動機(jī)匝間短路測試儀[4]、變壓器繞組變形測試[5]以及電子技術(shù)實驗教學(xué)(RLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性分析)。以上各類應(yīng)用案例主要利用了材料的電阻特性或電容特性或電感特性或組合特性，而目前市面上測量電阻元器件參數(shù)R、C和L的儀表種類較多，方法和優(yōu)缺點也各有不同。一般的測量方法都存在計算復(fù)雜、不易實現(xiàn)自動檢測及測量、智能化程度低等缺點，并且對RLC結(jié)構(gòu)識別和故障點距離檢測的研究尚有不足[6-7]。為此，設(shè)計一套線路負(fù)載及故障智能檢測裝置。一方面，能夠測量電阻、電容和電感每個元件值及任意2-3個元件串聯(lián)或者并聯(lián)組成負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并穩(wěn)定顯示；另一方面，不僅能檢測負(fù)載開路和短路故障狀態(tài)，還能對故障點位置進(jìn)行定位。

1 系統(tǒng)組成

完整的硬件電路可以劃分為電源模塊、微處理器最小系統(tǒng)、LCD液晶模塊、ADS8331模塊、電阻測量模塊、電容測量模塊、電感測量模塊、微弱信號采集模塊、DDS信號電路模塊等相對獨立的模塊；各個模塊最終都接入微處理器最小系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制及程序處理，完成最終的系統(tǒng)任務(wù)。負(fù)載結(jié)構(gòu)測量模塊采用DDS直接數(shù)字頻率合成器模塊，通過主機(jī)控制輸出頻率進(jìn)行負(fù)載結(jié)構(gòu)測量。負(fù)載測量模塊和開短路點感應(yīng)模塊分別采用三點式振蕩電感測量模塊、基于555定時器的電容測量模塊和STM32系列處理器內(nèi)部的定時捕獲模塊，實現(xiàn)了電容、電感和電阻值的自動測量、RLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)識別以及網(wǎng)絡(luò)故障點位置的測尋，并通過LCD屏實時顯示。系統(tǒng)能夠在5 s內(nèi)完成測試分析，測量準(zhǔn)確度高、靈敏度高、智能化程度高，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 負(fù)載單一特性結(jié)構(gòu)檢測方案

首先是負(fù)載類型的識別邏輯設(shè)置。根據(jù)負(fù)載電路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的差異特性，利用頻響測量法、恒流短路法、諧振電路法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)識別。為了自動識別負(fù)載結(jié)構(gòu)，輸入信號選定高頻正弦電壓信號和直流電壓信號(后續(xù)簡稱“高頻信號”和“零頻信號”)。識別的原理如下。

純電阻采用脈沖電流掃描進(jìn)行識別；電容利用電容的阻直流通交流特性判別，電容容量的測定可采用積分方式，采用555定時電路反算；電感利用阻交流通直流特性，即通過頻響識別，再切換到三點式震蕩電路進(jìn)行測量電感量；負(fù)載開路識別根據(jù)零頻響應(yīng)和高頻響應(yīng)進(jìn)行判別；負(fù)載短路識別根據(jù)被測負(fù)載特性，設(shè)定最小閾值，再由程序控制輸入1安培恒定脈沖電流，短路負(fù)載產(chǎn)生的微弱壓降經(jīng)差分放大器放大后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中進(jìn)行采樣，實現(xiàn)負(fù)載短路的識別。并且特別注意各個功能模塊之間使用MOS管或繼電器進(jìn)行的信號隔離，保證前級信號不受后級電路或是其他模塊的干擾。

2.2 負(fù)載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)檢測方案

RLC組合的結(jié)構(gòu)不同，其幅頻特性也不同。因此，利用MCU控制AD9850輸出掃頻信號，再通過對于幅頻響應(yīng)的極大值點和極小值點幅值、數(shù)量和位置的分析，可以得知其對應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)；測試條件為電容量200 nF-2 uF、電感量100 uH-1 mH、電阻值200 Ω-2 kΩ，掃頻信號頻率范圍0-50 kHz。

第一種結(jié)構(gòu)類型是L和C串聯(lián)(下文簡稱“結(jié)構(gòu)1”)、L和CR并聯(lián)的整體串聯(lián)(下文簡稱“結(jié)構(gòu)2”)和C和LR并聯(lián)的整體串聯(lián)(下文簡稱“結(jié)構(gòu)3”)。3種幅頻響應(yīng)的形狀及結(jié)構(gòu)十分相似，但首先可以判斷的是結(jié)構(gòu)2，因為直流信號直接通過電感；其次，在極高頻處，結(jié)構(gòu)1中電感抑制信號通過；而結(jié)構(gòu)3中RC也可通過特定頻率范圍信號。由此，只要在程序中，讀取0頻處和高頻處的幅值并加以比較，設(shè)置合適的閾值，就可以很容易地區(qū)分這3種類型，如圖2所示。

結(jié)構(gòu)1

其次判別的是L與C并聯(lián)(下文簡稱“結(jié)構(gòu)4”)、R和LC并聯(lián)的整體串聯(lián)(下文簡稱“結(jié)構(gòu)5”)，結(jié)構(gòu)4頻率響應(yīng)的導(dǎo)納函數(shù)(單位：西門子)為式(1)。

(1)

結(jié)構(gòu)5頻率響應(yīng)的導(dǎo)納函數(shù)(單位：西門子)為式(2)。

(2)

觀察分析式(1)和式(2)不難發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)4中，當(dāng)電路處于諧振狀態(tài)時，阻抗為0，因此可直接把被測結(jié)構(gòu)作導(dǎo)線處理；而在結(jié)構(gòu)5中，在諧振點處電路依然有電阻R，必然產(chǎn)生一定壓降，由此可以通過對比在諧振點位置，判斷區(qū)別這兩種結(jié)構(gòu)。

2.3 系統(tǒng)硬件電路圖及各模塊工作原理

核心電路主要由“開路、短路檢測單元(含故障點測試電路)”“電阻測量單元”“電容測量單元”“電感測量單元”“網(wǎng)絡(luò)分析模塊”“掃頻電路”組成，各模塊相對獨立設(shè)計。同時，為了抑制模塊之間信號串?dāng)_，兼顧效率，設(shè)計了負(fù)載端口切換電路；短路點分析模塊需要特殊處理：在繪制PCB圖時，采用絕對差分結(jié)構(gòu)，單獨采樣點獨立布線，使得誤差降到最低。硬件電路原理圖，如圖3所示。

圖3中系統(tǒng)電源電路使用高效率的低壓差芯片LM1085系列實現(xiàn)3.3V電源轉(zhuǎn)換；選用TPS60402電荷泵芯片實現(xiàn)負(fù)電壓轉(zhuǎn)換，通過正5 V電源(圖中標(biāo)準(zhǔn)為“V+5”)供電，芯片的輸入端和輸出端均并聯(lián)低頻和高頻濾波電容，使得輸出負(fù)5 V電壓(圖中標(biāo)注為“V-5”)的噪聲非常低。

圖3 系統(tǒng)硬件電路原理圖

負(fù)載短路點測量原理：Test-A和Test-B為短路導(dǎo)線接入端。在信號接入端使用OPA2735單電源 CMOS 運算放大器為核心設(shè)計兩路電壓跟隨器，完成前后級隔離，防止后級測量電路影響信號本身的精準(zhǔn)度。使用儀表放大器INA826進(jìn)行10倍電壓放大，并將電壓Test-I送入高精度ADC芯片進(jìn)行采樣。

脈沖恒流源電路工作原理：電路由繼電器K1閉合后接地，使用三端穩(wěn)壓器LM1(LM317)和R9組成恒流源電路，Mos管Q4、Q5組成模擬開關(guān)，由程序控制電路輸出。由電流源加載之后的信號在經(jīng)過低偏置電路運放S2隔離后，送入差分運放U1，放大6倍后，送入AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行讀取。

高速模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路設(shè)計：選用ADS8331芯片完成ADC測量電路設(shè)計。在程序判斷出是測量純電阻負(fù)載時，通道1和通道2打開，測量讀取到的電壓值，以此判斷電阻的阻值；在程序判斷負(fù)載短路時，處理器控制通道0打開，此時，短路電壓信號經(jīng)過一介低通濾波后，送入AD芯片進(jìn)行讀取和測量；ADC的參考電壓由2.5 V參考電壓源芯片REF3025提供。

3 系統(tǒng)測試流程及算法

電路網(wǎng)絡(luò)判別：通過隔離電路將A、B 兩點電壓送入AD轉(zhuǎn)換器，根據(jù)電壓、電流、交流平均值、DDS掃頻后送入ADC計算，得到網(wǎng)絡(luò)的幅頻響應(yīng)，由此即可完成各種電路的甄別和計算。短路點測試算法：MCU切換到恒流檢測電路和差分電路測量隔離運放電壓，由此計算出觸點短路的線路電壓差，最后通過軟件分析計算得到距離。

3.1 基礎(chǔ)元件類別及開短路判斷流程圖

RLC開路、短路判斷流程圖如圖4所示。

圖4 RLC開路、短路判斷流程圖

開路、短路判斷過程：首先系統(tǒng)輸入直流信號，觀測是否存在閾值以上的輸出，如果沒有，則說明該情況并非電阻。接下來判斷該元件是否為電感，如果是，則觀測元件是否允許高頻信號通過，允許，那么說明是線路短路；不允許，則說明該元件是電感。如果不是，則觀測元件是否允許高頻信號通過，不允許，那么說明是線路開路；允許，則說明該元件是電容。

3.2 負(fù)載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)識別算法流程

這里需要指出，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)判斷和系統(tǒng)參數(shù)判斷之間需要按鍵切換。系統(tǒng)初始化完成后，等待按鍵中斷觸發(fā)。若有按鍵觸發(fā)，系統(tǒng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)判斷模式，通過控制掃頻模塊掃頻并控制AD模塊接收AD數(shù)據(jù)來判斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。若沒有按鍵觸發(fā)，系統(tǒng)依次進(jìn)入開路檢測、短路檢測、電阻/電感/電容測量。當(dāng)檢測為開路時，系統(tǒng)報警；當(dāng)檢測為短路時，系統(tǒng)報警并在LCD顯示短路距離。當(dāng)無開路和短路故障時，系統(tǒng)進(jìn)入電阻/電感/電容測量，采樣AD數(shù)據(jù)，處理后在LCD顯示，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

最后，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，選擇相應(yīng)繼電器開關(guān)，確保指標(biāo)測量模塊“唯一性”，保證各模塊測試電路的“純凈性”。

4 系統(tǒng)測試與分析

電路整體結(jié)構(gòu)搭建完成后，首先進(jìn)行短路測量。短路導(dǎo)線使用普通的5類純銅網(wǎng)線進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 短路點測試數(shù)據(jù)表 單位:cm

接下來接入測試電阻(200 nF-2 uF)、電感(100 uH-1 mH)和電阻值(200 Ω-2 kΩ)進(jìn)行測量。數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 RLC測試數(shù)據(jù)表

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)檢測：根據(jù)圖2幅頻特性進(jìn)行采樣分析，理論上能夠識別所有結(jié)構(gòu)，但樣機(jī)內(nèi)存不足，在部分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)檢測中不能達(dá)到諧振頻點，故不能全部識別所有結(jié)構(gòu)。

測試結(jié)果分析如下。

(1)負(fù)載開路和短路故障檢測及告警功能，相應(yīng)時間≤2 s；

(2)電阻、電容、電感元件測量功能，電阻、電感測量相對誤差≤2%，電容測量相對誤差≤3%，測量穩(wěn)定時間≤2 s；

(3)部分負(fù)載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)檢測功能，可檢測任意2-3個元件14種組合中的10種結(jié)構(gòu)，識別率在70%左右；

(4)短路故障點距離測量功能，誤差絕對值≤0.8 cm，測量穩(wěn)定時間≤5 s。

5 總結(jié)

通過實際測量數(shù)據(jù)可看出，系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，易于升級某一項指標(biāo)測試，各模塊之間有效避免相互干擾，檢測相對誤差5%；硬件電路設(shè)計上還有待改進(jìn)，如：(1)通過拓展內(nèi)存，增大頻率采樣點個數(shù)，實現(xiàn)所有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的識別；(2)選用優(yōu)質(zhì)測試探針，降低短路測試傳輸線的內(nèi)阻，提高短路點定位精度，同時優(yōu)化軟件算法進(jìn)一步縮短檢測時間。總之，該測量裝置方案可行，對于電子電路的研究、開發(fā)、自動測試有較大的參考價值。