剩余电压在线检测仪器的设计与开发

张佳民，丁 喆，鲍克勤，马生茂，王 力

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

随着社会的高速发展，电子电器设备正越来越多地进入人们日常生活的各个领域.当电气设备掉电后，由于泄漏电阻较大，高压整流电容上的残留电压不能在很短时间内降到安全范围，当检修人员维修设备时，就有触电的危险.因此，电气设备高压整流电容掉电残留电压的大小关系到检测人员与用户的安全.为了保证用户和检修人员的安全，必须对电气设备掉电1 s或10 s后的残留电压进行检测.由于目前可进行残留电压检测的仪器还很少见，大多采用示波器停止功能键进行估测［1，2］，人为因素影响大，定时不准确，测量误差大.因此，开发残留电压测试仪具有一定的实用价值.

1 残留电压的检测原理

电气设备掉电残留电压检测仪主要用来检测电气设备高压整流电容在掉电后的残留电压，根据电气设备的安全规范，需要检测掉电后1 s或10 s后电容上的残留电压值.本文采用掉电识别电路进行测量，将掉电信息送入控制器，控制器系统启动定时.同时，掉电设备高压整流电容上的电压通过高阻分压网络和保护电路输入测量系统，经过绝对值电路进行电压极性的变换，将输入信号变为正极性，并调整到模数转换器的动态范围.根据人机接口信息，在定时时间结束时，控制器对采样保持电路发出保持命令，启动模数转换器，完成残留电压的测试，并通过显示器显示.其原理如图1所示.

图1 剩余电压检测仪的原理

2 测试系统硬件电路的设计

测试系统的硬件电路主要包括被测装置的掉电识别电路、采样输入及输入保护电路、绝对值电路、采样保持电路、模数转换器与单片机接口电路，以及键盘与显示的人机接口电路，其结构如图2所示.

图2 采样输入及保护回路

2.1 采样输入及保护回路的设计

输入回路的接入必将引起电容电荷的泄漏，导致电容电压下降，影响测量结果，本文采用高压分压网络实现电压采样，其原理如图2所示.根据电工理论知识，因取样电路的接入，电容C的放电过程可描述为:

式中:Ee——掉电时的起始电压;

Uc——放电后电容上的电压;

τ——时间常数.

假设整流电容C上电压为1 000 V，1 s后分压网络对电容电压的影响不超过0.1%，根据式(1)可得:

在高压分压输入回路，当通过双向稳压管保护输入放大器的电压下降到100 V时，稳压管不被击穿，分压网络对电容电压进行线性分压.若取分压值为5 V，整流电容取保守值为100 μF.根据式(2)可得到分压电阻 R1为 499.75 kΩ，R2为9.492 5 MΩ.

2.2 掉电识别电路

从待测设备电源的主开关后取样电源信号Ui，Ui经降压变压器和全桥整流器之后得到全波整流波形Ua，周期为10 ms，Ua的峰值大于稳压管的击穿电压，在每个半波时间里，当半波波形的瞬时值大于稳压管的击穿电压时，稳压管击穿一次，使三极管T饱和导通，产生下跳沿，向CPU申请中断.在正常情况下，CPU至少每隔10 ms收到一次中断信号，收到中断信号后，将CPU的定时器清零，并重新启动定时器.若CPU没有在设定的时间内收到中断信号，定时器就会发生中断，此时判定系统掉电.考虑到工频周期有微小变动，本设计中将定时器时间设置为12 ms.超过12 ms CPU没有收到中断信号就判定为掉电，启动定时测量程序.掉电识别电路如图3所示.

图3 掉电识别电路

2.3 绝对值电路的设计

待测电气设备的电容电压通过高压分压网络输入到测试仪器，根据测试仪器表笔位置的不同，往往出现正负电压，因此必须对输入电压进行极性变换.传统的整流电路受二极管导通压降的影响，其信号损失较大，因此本文采用了精密整流电路(也称为绝对值电路)，其电路如图4所示.

精密整流电路由运算放大器与二极管组合构成，由于运算放大器具有较高开环的增益，克服了二极管导通压降的影响，且信号死区很小，因此可提高信号整流的准确度.

图4 绝对值电路

当 uin＞0 时，D1截止，D2导通，则:

此时，放大器A2的输出电压为:

当 uin＜0 时，D1导通，D2截止，uo1=0，则:

取电阻 R1=R2=R3=R5=R，R4=0.5R，根据式(4)和式(5)可得:

2.4 模数转换电路的设计

测量系统按照安检标准，要检测规定时刻的残留电压值，为保证测量的准确性，在模数转换前采用采样保持电路LF398来保持某一瞬间值，使模数转换器在转换过程中保持电压不变，见图5.

图5 模数转换接口电路

LF398的8引脚与SM5964单片机的P1.4引脚相连，用来控制LF398的工作状态，当单片机的P1.4输出逻辑为1时，LF398的输出电压随3脚输入电压的不同而变化;当单片机的P1.4脚输出逻辑为0时，LF398内部的开关断开，输出电压比变;2引脚接电位器R7可实现直流调零［3］.

本测量系统有4位显示，量程范围为100 V，模数转换器需要10位以上，本文采用串行Δ-∑模拟/数字转换器LTC2400.该转换器内部具有精度较高的集成震荡器时钟，外部不需任何频率调整元件，内部的4阶数字陷波滤波器，将陷波器的控制端通过R5接地，以减小50 Hz信号对模数转换器的影响［4］.实验结果表明，该测量系统可达到精确的测量效果.

2.5 人机接口电路

本文选用ZLG7289键盘与显示专用芯片实现测量装置的人机接口功能.人机接口设有3个按键:S1，S2，S3，其中 S1为测量待测设备掉电1 s后的剩余电压，S2为测量待测设备掉电10 s后的剩余电压，S3为测量启动键.测量值采用4位显示.ZLG7289与SM5964单片机的连接见图6.

图6 键盘与显示接口电路

由图6可知，ZLG7289片选端/CS与SM5964的P3.0引脚相连，低电平有效时，可向芯片发送指令并读取键盘数据;ZLG7289的CLK端为同步时钟输入，与SM5964的P3.1引脚相连，向芯片发送数据及读取键盘数据时，此引脚电平上升表示数据有效 ;ZLG7289的DIO端为串行数据输入/输出，与SM5964的P3.4引脚相连，当芯片接收指令时，此引脚为输入端;当读取键盘数据时，此引脚在“读”指令最后一个时钟的下降沿变为输出端;按键有效输出端Key，因为与SM5964的P3.5引脚相连，平时为高电平，当检测到有效按键时，此引脚变为低电平.

3 系统的软件设计

本设计有2个测量模式，即掉电1 s和10 s两种模式.当把检测系统连接到待测设备上后，在CPU内部设置标志，且按下测量模式的按键.当被测设备掉电后，通过查找内部标志，执行测量程序，通过数据处理后，将测量结果送显示器显示.系统的软件流程如图7所示.

图7 系统的软件流程示意

4 实验测试数据

本文所设计的残留电压测试仪及其电压量程范围为100 V，当输入电压高于100 V时，高压分压网络工作在非线性状态，输入到前置放大器的电压不大于5.1 V;当输入电压小于100 V时，分压网络工作在线性分压状态，分压比为20∶1.采用直流电源和万用表对测量系统进行实验，测试结果如表1所示.

表1 测试数据 V

从表1可以看出，由于整流电路的电阻匹配精度不够，因此造成输入正电压时测量数据偏大、输入负电压时测量数据偏小这一结果.

5 结语

采用微控制器对测量过程进行控制，消除了人为时间估算不准的影响，提高了掉电残留电压测量的自动化水平.从测试数据可以看出，在仪器的量程范围内测量的准确度优于0.5%，满足常规残留电压测量的要求，有一定推广和实用价值.

［1］程丽玲，蔡永华，金毅萍.家用电器产品插头间剩余电压测量方法研究［J］.安全与电磁兼容，2008(4):57-59.

［2］蒋秋桃，李莹，周丰良.示波器测量医用电器剩余电压的方法探讨［J］.中国医疗器械信息，2010，16(5):39-40.

［3］冯涛，秦永左，赵巍.实用多路数据采集系统［J］.长春理工大学学报，2003，26(2):83-84.

［4］朱武，张佳民.24位模/数转换器LTC2400及其应用［J］.现代电子技术，2005，28(20):69-73.