一種智能型兆歐表的設計

　　引言
　　
　　絕緣電阻是電氣安全檢測項目中的一項重要內容，而測得試品絕緣電阻60s的值R60與15s的值R15的比值K=R60/R15被稱為吸收比（對于大電容設備為lOmin之值與lmin之值的比值，稱為極化指數），是檢驗絕緣是否嚴重受潮或存在局部缺陷的重要依據。兆歐表是測量絕緣電阻的儀表，應用廣泛。而傳統的手搖指針式兆歐表，必須用手搖發電機保證有120r／s的轉速才能維持正常的輸出電壓，測量范圍小、誤差大、吸收比須在測量后另行計算，使用不便。
　　
　　隨著電子技術的不斷進步，尤其是單片機（single-chlpmicrocontroller）的出現并不斷發展，引起了儀器儀表結構的根本性變革。以單片機為主體取代傳統儀器儀表的常規機械及電子線路，可以容易地將計算技術與測量控制技術結合在一起，形成智能化測量儀表。這種新型的智能化儀表在測量過程自動化、測量結果的數據處理、以及功能的多樣化方面都取得了巨大進展，并得到了廣泛應用。
　　
　　基于ICL7135的智能型兆歐表采用MCS-51系列單片機875l和Harris公司生產的位BCD碼精度A／D轉換芯片ICL7135，具有測量精度高、量程寬、測量方便、體積小、功耗低、功能全等特點。
　　
　　1、ICL7135特性分析
　　
　　TCT7l35是Harris公司采用*的LinMOSTM技術生產的高準確度、通用型、位BCD碼精度雙積分式A／D轉換器。它有許多優良的特性，在本設計中能夠得到突出反映的有：
　　
　　1）具有自動校零功能，自動較零的準確性僅受系統噪聲的影響，且偏差小于10μV；
　　
　　2）有超量程（OR）和欠量程（UR）信號，容易實現量程的自動轉換；
　　
　　3）設有6個控制信號端、同時進行字位輸出和BCD碼輸出，可與LCD譯碼／驅動器及單片機接口，進行數據處理，構成智能化儀器；
　　
　　4）滿量程為20000在±20000汁數范圍內的準確度為±1個字。
　　
　　2、硬件電路設計與實現
　　
　　本設計主要由直流高壓產生電路、取樣電路、數據采集與控制器、譯碼／驅動LCD顯示4大部分組成。其原理框圖如圖l所示。
　　
　　下面將分別介紹4部分組成及工作原理。　　
　　2.l 直流高壓產生電路
　　
　　直流高壓產生電路如圖2所示。
　　將6V直流電源經集成器件555和電阻R1及R2與電容C1接成的基本無穩態振蕩模式，構成高頻多諧振蕩器，振蕩頻率f=1.44／[（R1+R2）C1]，約為15kHz左右，產生的交變電壓經脈沖變壓器升壓，次極的感應電壓經倍頻整流、濾波后，可得到約l000v的直流電壓作為測量用電壓。
　　
　　2.2 取樣電路
　　
　　取樣電路的作用足取得與測量值相關的電信號，用以計算、控制和顯示。劉測量的具體要求決定了取樣電路具體形式。本設計中取樣電路與ICL7135連接，如圖3所示。　　
　　圖3中，Rx為被測絕緣電阻、R3為量程調節電阻、R1、R2為取樣分壓電阻。
　　
　　U為直流高壓產生電路提供的測量電壓，經R1及R2分壓后（U2）加在7135的IN-，經Rx、R3分壓后（U3）加在ICL7135的Cref-。
　　
　　根據雙積分A／D轉換器的工作原理，轉換結果由式（1）得到。
　　式（1）中常數10000由lCL7135的正向積分固定時間T1=10000TCP決定，TCP為時鐘脈沖周期。10000即為正向積分階段的時鐘脈沖數。VIN為VIN+VIN-之間的電勢差，在本設計中VI+接ANALOGCOM，因此VIN=VIN+-VIN-=-U2。VREF在標準工作模式情況下為Cref+與Crdf-之間所接電容在自動調零階段充電所獲得的標準電壓值。在本設計中Cref+與Cref-之間不再接電容，將Cref+接ANALOGCOM，同時將Cref-與ANALOGCOM間電壓鉗制為U3，Cref+與Cref-之間電壓為一U3。因此式（1）可表示為
　　由于ICL7135的標準基準電壓值VREF=lV，而加在Rx與R3上的測量用電壓為1000V，所以Rx》R3，使得U3≤2V。由于ICL7135VIN-上允許加的zui大電壓值為O.8V，而加在R1與R2上的測量用電壓為1000V，所以R1與R2取值應滿足R1》R2、U2≤O.8V。
　　
　　式（2）可進一步表示為　　
　　可見，當R1、R2、R3取定時，Rx值與測量電壓U無關，故能消除U變化劉結果的影響。
　　
　　2.3 數據采集與控制及顯示部分
　　
　　實現數據采集與控制和LCD顯示的硬件電路原理圖如圖4所示。圖中ICL7135、8155、8751構成單片機zui小系統，ICM721l為LCD顯示驅動芯片，異或門CD4070配合ICM7211驅動顯示模塊ESD81lA。ESD81lA為大連東顯公司生產的位LCD顯不器，足以滿足顯示需要。　　
　　具體工作原理為：取樣電路的電信號經ICL7135轉變為數寧信號，但A／D轉換的結果是動態的。74LSl57為4位2選l數據多路開關，其作用足根據高位選通信號D5的輸出不同，將萬位數據、過量程、欠量程標志或是ICL7135的4個低位BCD碼送入8155。
　　
　　ICL7135在發出選通脈沖時，將數據送入接口電路8155。而8751單片機則通過中斷查詢的方式讀取數據，并進行存儲。通過單片機定時分別獲取15s和60s的絕緣電阻值（或lmin和10min），通過計算獲得吸收比（極化指數）。將所得結果進行保存和適當的碼制轉換，響應鍵盤以顯示絕緣電阻值或吸收比（極化指數）。
　　
　　3、軟件部分設計與實現
　　
　　單片機的主程序流程圖如圖5所示。　　
　　4、結語
　　
　　智能型兆歐表的主要技術特點有：
　　
　　1）是一種智能型儀表，采用555器件，直流電源經振蕩、整流、濾波后提供測量電壓，自動計算吸收比，較手搖式兆歐表具有質的進步；
　　
　　2）具有自動校零和自動量程轉換功能，采用8155作為接口電路，既方便地為ICL7135提供了時鐘，又為進一步完善表的功能提供了接口；
　　
　　3）取樣電路與ICL7135的連接設計，能消除測試電壓U的變化對真實讀數的影響。