多功能數字測試儀的設計與實現*

張建國（漳州職業技術學院電子工程系，福建漳州363000）

多功能數字測試儀的設計與實現*

張建國*
（漳州職業技術學院電子工程系，福建漳州363000）

為把數字萬用表、絕緣電阻表、漏電開關測試儀等三種功能的測量儀器，合并為一種新型手持式測量儀表。采用專用集成電路ES51921和高性能微控制器MSP430F2111及外部擴展電路、液晶顯示器（LCD）等組成，將多功能測試儀設計成具有多功能、智能化的特點和顯示直觀、讀數精準、功能完善、耗電省、體積小、易于攜帶等優點。該多功能測試儀經測試符合相關技術標準。

數字測量；多功能測試儀；數字萬用表；絕緣電阻表；漏電開關測試儀

現有的數字萬用表、絕緣電阻表、漏電開關測試儀通常各為單獨的測量儀器。其中，萬用表是測量基本電參數的儀表，而絕緣電阻測量主要用于測量電力設備的絕緣電阻，計算其吸收比或極化指數，判斷設備絕緣是否合格，然后決定是否電力設備絕緣性能試驗和耐壓試驗，為后續試驗提供安全保障。漏電開關測試儀能對供電線路上的保護開關是否正常工作進行判斷，提高安全保障。此三個儀表都是電工和電氣維修人員及科研人員必備儀器。如果能開發出一種具有電參數測量、絕緣電阻測量和漏電開關性能測試功能為一體的便攜式多功能測試儀表，那它既可以更好地滿足用戶的需求，對電力設備和家庭用電設備的安全也提供更有力的測試保障，同時也更符合當前倡導的節能和環保的消費趨勢，因而具有極大的市場發展空間［1］。此類產品在國內尚是個空白。因此，開展多功能綜合性測試儀表的技術研究，將具有重要的經濟和技術意義。其用途廣闊，可為電工和電氣維修人員提供一種功能齊全、攜帶方便的測量工具。同時可以填補國內此類產品研究和生產的技術空白。同時就國際市場而言，也尚無水平相當產品，產品開發的成功，具有較強的國際市場競爭力和出口前景。

1　總體設計方案

本測試儀核心部分采用一只智能化數字萬用表專用集成電路ES51921和一只高性能微控制器MSP430F2111相結合，完成對項目的不同性質物理量（電壓、電流、電阻和時間）的測量，然后經過兩個單片機之間的雙向通信，將所測得的結果由一個液晶顯示器（LCD）顯示出來。ES51921是一只數字萬用表專用高性能、低功耗位帶微處理器的模/數變換器（ADC+MCU），它可以實現數字萬用表的全部測量和顯示功能，并可對電壓信號進行測量，同時具有數據雙向傳輸功能，作為實現數字智能化測量的控制核心［2］。MSP430F2111是美國德州生產的一款高性能的微控制器［3］，作為計時器即使微秒級也能輕易做到，它可以實現RCD分斷時間的測量和泄露電流的控制以及對絕緣測試DC-DC轉換的控制。其工作原理圖1如下：

圖1　工作原理圖

2　絕緣電阻數字化測量的研究及線路設計

絕緣體將通電導體與大地和彼此相互分離，其足夠高的電阻可確保導體和大地間的電流保持在相當低的數值。理想中絕緣電阻應無窮大且無電流能通過。實際上，通常在通電導體和大地間仍有電流通過，稱之為泄漏電流，該電流一般由電容電流、導體電流、表面泄漏電流3個部分組成。

由于使用直流高壓既可消除不良絕緣，又能夠揭露低電壓時無法暴露的潛在性故障。這就是進行絕緣測試時使用的電壓高于通常回路中使用電壓的原因。傳統的兆歐表也叫“搖表”，是由手搖發電機產生的高壓施加在被測物體上，通過測量流經被測物體的電流來測量其絕緣電阻，其操作麻煩、精度低。要實現絕緣電阻測量的數字化，首先必須實現測量的電子化，所以手搖發電機產生的測試高壓必須由電池供電電壓轉換為直流高壓替代。本項目的絕緣測量方案如圖2所示，利用先進高效PWM的DC-DC轉換技術將電池電壓轉換為測試電壓，這個測試電壓施加于被測物上產生的電流經電流電壓轉換器轉換為相應的電壓值，然后送入模數轉換器變為數字編碼經微處理器計算處理，由顯示器顯示出相應的電阻值。

圖2　絕緣測量方案圖

2.1.1直流電壓變換器（DC-DC變換器）

DC-DC變換器將電池電壓轉換為直流高壓做為測試電壓，它是電子式絕緣測量的關鍵部分。由于考慮轉換效率、體積、輸出電壓控制及變換，本項目采用脈寬調制（PWM）型開關電源集成控制器SG3524將電池的直流電壓變換為脈寬調制信號，經升壓變壓器轉化為高壓脈沖，由倍壓整流平滑成直流高壓測試電壓，其輸出電壓大小是通過輸出電壓控制電路調節脈沖寬度來實現的。SG3524脈寬調制型控制器是國際上最為流行的開關電源集成控制器，它包括開關穩壓器所需的全部控制電路，其中有誤差放大器、振蕩器、脈寬調制器、脈沖發生器、開關管、過流過熱保護［4］。圖3是應用SG3524將9 V直流電升壓至500 V的實用電路。

圖3中SG3524是升壓電路的核心，其第10管腳（Shutdown）是啟動控制端，它受來自MSP430F2111微控制器信號的控制。當微控制器輸出啟動信號后，SG3524直接向開關管Q1提供脈寬調制信號，由Q1推動升壓變壓器，經升壓后輸出高壓脈沖由倍壓整流成直流高壓輸出。管腳6、管腳7腳外接振蕩電阻R5、電容C2，確定其開關頻率。電阻R1、R2提供取樣電壓經電壓誤差放大器管腳1引入與管腳2的參考電壓進行比較，放大器輸出電壓送至脈寬調制器控制輸出脈沖的占空比，從而穩定輸出電壓。第4、第5腳為電流限制放大器，第11、12腳和第13、14腳為集電極、發射極均開路NPN晶體管組成的輸出極。由SG3524可知：

開關頻率：

f≈1.30/（R5C2）=1.30/（2×0.02）=32.5 kHz其中：R5單位為Ω，C2單位為F，f單位為Hz。輸出電壓：

Vo=2.5 V×（1+R1/R2）=2.5 V×（1+2000/10）= 502.5 V≈500 V

圖3　DC9 V-DC1 000 V升壓轉換電路

2.1.2微電流放大

要測量高達2 000MΩ的絕緣電阻，由于采用DC500 V的測試電壓，其最小測試電流只有250 nA，因此選用低失調電壓低漂移高精度的運算放大器是必需的，而作為直流運用斬波運算放大器成為首選［5］。

從圖4可以看出，運算放大器A及反饋電阻Rf1組成一個電流電壓轉換器（I-V轉換），它將流經被測絕緣電阻Rx的電流轉換為電壓信號輸出。

圖4　電流電壓轉換器電路

當測試電壓Vi作用于待測電阻Rx上時，根據運算放大器特性，其正輸入端為地電位，那么負輸入端（測試端-）同樣為地電位（虛地），由歐姆定律可得：

所以運算放大器的輸出電壓：

將式（1）代入式（2）得：

設電壓反饋系數k=-Rf，則：

2.1.3絕緣電阻的計算和顯示

數字萬用表專用集成電路ES51921，其顯示數值COUNT=1000×VIN/VREF。由式（4），我們利用開關將Vi、Vo切換到ES51960的輸入端和參考端，既把絕緣電阻測試電壓Vi作為ES51921的VIN，將與Rx相關的電壓Vo當成VREF，只要調節電壓反饋系數k，其顯示數值就直接為Rx，就可以得到絕緣電阻的阻值。這正是利用ES51960智能化數字萬用表專用集成電路對電壓測量功能來實現絕緣電阻測量的數字化［6］。

2.2剩余電流動作保護裝置分斷時間測量的研究及線路設計

配電系統中裝設RCD是防止直接接觸電擊事故和間接測接觸電擊事故的有效措施之一，也是防止電氣線路或電氣設備接地故障引起電氣火災和電器設備損壞事故的技術措施。但安裝RCD后，仍應以預防為主，并對所安裝的RCD進行定期檢測，以確保其工作的正常。測試RCD分斷時間目的是為了確保其跳脫時間足夠快，以免在操作時發生觸電以造成人身傷亡事故。此測試與RCD上的“TEST”鍵功能不同，RCD上的“TEST”鍵僅使斷路器跳脫以檢測其是否工作，但不測量跳脫時間。

2.2.1接線的檢測

圖5是RCD接線指示原理圖，兩個LED燈檢測被測線路接線是否正確。為了微控制器MSP430F2111不受被測線路上電影響，本線路使用光藕將測試線路與被測線路進行隔離。從圖5可以看出只有相線P位置正確時，PN、PE才會同時亮。

圖5　RCD接線指示電路圖

2.2.2分斷時間的測量

RCD裝置是一種保護裝置，當相線電流與中性線電流之間的差值（即剩余電流）達到跳閘值，RCD將會跳脫。本測量線路是通過設置相線與地線之間流過一定的電流，使相線電流與中性線電流之間產生差值，測量施加剩余電流預設值（跳閘值）后至RCD跳脫的時間值。

圖6是整個RCD分斷時間測量的基本流程圖，整個流程由微控制器MSP430F2111控制。其中PN=1為相線與中性線有電指示，PE=1為相線與地線有電指示。因此只有相線接法正確時PN、PE指示燈才有可能同時亮，此時微控制器才有可能發出觸發信號，使相線與地線之間流過設置電流，同時計算時間，直到RCD跳脫，被測線路被切斷，使PN=0 （PN指示燈熄滅），所測量到既為此RCD分斷時間。

圖6　RCD分斷時間測量的基本流程圖

從流程圖可知，若中性線和地線反接，測試仍可進行，但由于此時泄露電流不是流向地線，而是到中性線，相線電流與中性線電流之間無差值，RCD將不會會跳脫，PN不會為0，當微控制器計時超過2 000ms時，測試強制停止。

2.2.3剩余電流預設電路和控制

圖7　剩余電流預設電路和控制

圖7是剩余電流預設電路和控制線路圖，來自微控制器在計時開始發出的觸發信號使可控硅導通，相線電流經過負載電阻R流向地線，使相線電流與中性線電流之間產生差值來模擬泄露電流，其泄露電流大小由負載電阻R接定［7］。

2.2.4分斷時間的顯示

由圖6可以看出，測量RCD分斷時間的計時和控制均由微控制器MSP430F2111完成［8］，我們將其測試結果轉換成ES51921相同格式，由可編程LCD顯示筆畫輸入腳SDATA輸入，經ES51921由LCD將測量結果顯示出來，實現兩個控制器的結合，也完成測量功能的有機結合。

3　結束語

目前該多功能測試儀已研制成功，并由漳州東方智能儀表有限公司生產，產品實物照片如圖8所示。該項目被列入福建省項目成果轉化資金項目（閩發改投資［2013］312號）。產品經漳州市計量所檢驗合格，具體參數指標和精度如表1所示。產品指標符合《GB/T13978數字多用表通用技術條件》、《JJG1005-2005電子式絕緣電阻表檢定規程》要求，并填補國內此類產品研究和生產的技術空白，具有技術首創性，具有重大的技術意義，也具有較大的國內外市場潛力。

圖8　多功能測試儀實物照片

表1　多功能測試儀參數測試結果

［1］ 沙占友，沙江.數字萬用表功能擴展與應用［M］.北京：人民郵電出版社，2005：25-27.

［2］ 沙占友.數字化測量技術與應用［M］.北京：機械工業出版社，2004：35-36.

［3］ 謝光紅.MSP430單片機基礎與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008：56-59.

［4］ 胡漢才.高檔AVR單片機原理及應用［M］.北京：清華大學出版社，2012：120-123.

［5］ 陸坤.電子設計技術［M］.北京：電子科技大學出版社，2004： 85-87.

［6］ 楊建成.基于單片機的數字電壓表設計與仿真［J］.現代電子技術，2012（3）：21-23.

［7］ 李穎，梁庭.基于AVR單片機的多路直流電平檢測電路設計［J］.電子器件，2014，37（2）：254-257.

［8］ 翟永前，蔣芳芳.基于MSP430單片機的智能數字電壓表設計［J］.化工自動化及儀表，2011（3）：13-16.

張建國（1963-），男，漢族，漳州人，漳州職業技術學院電子工程系副主任、副教授。專業領域是電子技術、自動化技術及計算機應用的教學和科研，zh_jg@126.com。

Design and Im p lementation ofM ulti-Function Digital Tester*

ZHANG Jianguo*
（Zhangzhou Professional Technology Institute Electron Engineering Department，Zhangzhou Fujian 363000，China）

In order tomake a new type of portablemeasuring instrument，three kinds of functions，such as digital，insulation resistancemeter，leakage switch tester，are combined into a new type of portablemeasuring instrument. ES51921 and high performancemicrocontroller MSP430F2111 and high performancemicro controller and external expansion circuit，LCD display（LCD）and other components，themulti-function test instrument designed to have more features，intelligent features and display intuitive，accurate reading，features，power consumption，small volume，easy to carry and so on.Themulti function testing instrument is in accordancewith the relevant technical standards.

digitalmeasurement；multifunction tester；digitalmultimeter；insulation resistancemeter；GFCItester

TM 933.2

A

1005-9490（2016）04-1020-05

項目來源：福建省項目成果轉化項目（閩發改投資［2013］312號）

2015-08-17修改日期：2015-09-12

EEACC:645010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.050