RLC負載結構及參數檢測裝置的設計

林玠珉, 魏明

(蘇州大學應用技術學院 電子信息與通信工程系，江蘇 蘇州 215325)

0 引言

電子技術的高速發展推動著工業自動化、智能制造、產品自動檢測等領域快速發展，常見的如自動化產線中消費類產品快速測試[1]、電容式鍋爐液位測量[2]、對電池內阻的自動檢測[3]、電動機匝間短路測試儀[4]、變壓器繞組變形測試[5]以及電子技術實驗教學(RLC網絡結構特性分析)。以上各類應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R、C和L的儀表種類較多，方法和優缺點也各有不同。一般的測量方法都存在計算復雜、不易實現自動檢測及測量、智能化程度低等缺點，并且對RLC結構識別和故障點距離檢測的研究尚有不足[6-7]。為此，設計一套線路負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個元件串聯或者并聯組成負載的網絡結構，并穩定顯示；另一方面，不僅能檢測負載開路和短路故障狀態，還能對故障點位置進行定位。

1 系統組成

完整的硬件電路可以劃分為電源模塊、微處理器最小系統、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進行邏輯控制及程序處理，完成最終的系統任務。負載結構測量模塊采用DDS直接數字頻率合成器模塊，通過主機控制輸出頻率進行負載結構測量。負載測量模塊和開短路點感應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系列處理器內部的定時捕獲模塊，實現了電容、電感和電阻值的自動測量、RLC網絡結構識別以及網絡故障點位置的測尋，并通過LCD屏實時顯示。系統能夠在5 s內完成測試分析，測量準確度高、靈敏度高、智能化程度高，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 硬件電路設計

2.1 負載單一特性結構檢測方案

首先是負載類型的識別邏輯設置。根據負載電路網絡結構的差異特性，利用頻響測量法、恒流短路法、諧振電路法進行網絡結構識別。為了自動識別負載結構，輸入信號選定高頻正弦電壓信號和直流電壓信號(后續簡稱“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行測量電感量；負載開路識別根據零頻響應和高頻響應進行判別；負載短路識別根據被測負載特性，設定最小閾值，再由程序控制輸入1安培恒定脈沖電流，短路負載產生的微弱壓降經差分放大器放大后，送入模數轉換電路中進行采樣，實現負載短路的識別。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 負載網絡結構檢測方案

RLC組合的結構不同，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的極大值點和極小值點幅值、數量和位置的分析，可以得知其對應的電路結構；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。

第一種結構類型是L和C串聯(下文簡稱“結構1”)、L和CR并聯的整體串聯(下文簡稱“結構2”)和C和LR并聯的整體串聯(下文簡稱“結構3”)。3種幅頻響應的形狀及結構十分相似，但首先可以判斷的是結構2，因為直流信號直接通過電感；其次，在極高頻處，結構1中電感抑制信號通過；而結構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，設置合適的閾值，就可以很容易地區分這3種類型，如圖2所示。

結構1

其次判別的是L與C并聯(下文簡稱“結構4”)、R和LC并聯的整體串聯(下文簡稱“結構5”)，結構4頻率響應的導納函數(單位：西門子)為式(1)。

(1)

結構5頻率響應的導納函數(單位：西門子)為式(2)。

(2)

觀察分析式(1)和式(2)不難發現，在結構4中，當電路處于諧振狀態時，阻抗為0，因此可直接把被測結構作導線處理；而在結構5中，在諧振點處電路依然有電阻R，必然產生一定壓降，由此可以通過對比在諧振點位置，判斷區別這兩種結構。

2.3 系統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”“網絡分析模塊”“掃頻電路”組成，各模塊相對獨立設計。同時，為了抑制模塊之間信號串擾，兼顧效率，設計了負載端口切換電路；短路點分析模塊需要特殊處理：在繪制PCB圖時，采用絕對差分結構，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中系統電源電路使用高效率的低壓差芯片LM1085系列實現3.3V電源轉換；選用TPS60402電荷泵芯片實現負電壓轉換，通過正5 V電源(圖中標準為“V+5”)供電，芯片的輸入端和輸出端均并聯低頻和高頻濾波電容，使得輸出負5 V電壓(圖中標注為“V-5”)的噪聲非常低。

圖3 系統硬件電路原理圖

負載短路點測量原理：Test-A和Test-B為短路導線接入端。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度。使用儀表放大器INA826進行10倍電壓放大，并將電壓Test-I送入高精度ADC芯片進行采樣。

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

高速模擬/數字轉換電路設計：選用ADS8331芯片完成ADC測量電路設計。在程序判斷出是測量純電阻負載時，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；在程序判斷負載短路時，處理器控制通道0打開，此時，短路電壓信號經過一介低通濾波后，送入AD芯片進行讀取和測量；ADC的參考電壓由2.5 V參考電壓源芯片REF3025提供。

3 系統測試流程及算法

電路網絡判別：通過隔離電路將A、B 兩點電壓送入AD轉換器，根據電壓、電流、交流平均值、DDS掃頻后送入ADC計算，得到網絡的幅頻響應，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 負載網絡結構識別算法流程

這里需要指出，在系統結構判斷和系統參數判斷之間需要按鍵切換。系統初始化完成后，等待按鍵中斷觸發。若有按鍵觸發，系統進入網絡結構判斷模式，通過控制掃頻模塊掃頻并控制AD模塊接收AD數據來判斷網絡結構。若沒有按鍵觸發，系統依次進入開路檢測、短路檢測、電阻/電感/電容測量。當檢測為開路時，系統報警；當檢測為短路時，系統報警并在LCD顯示短路距離。當無開路和短路故障時，系統進入電阻/電感/電容測量，采樣AD數據，處理后在LCD顯示，如圖5所示。

圖5 系統流程圖

最后，根據電路結構，選擇相應繼電器開關，確保指標測量模塊“唯一性”，保證各模塊測試電路的“純凈性”。

4 系統測試與分析

電路整體結構搭建完成后，首先進行短路測量。短路導線使用普通的5類純銅網線進行測量，數據如表1所示。

表1 短路點測試數據表 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)進行測量。數據如表2所示。

表2 RLC測試數據表

網絡結構檢測：根據圖2幅頻特性進行采樣分析，理論上能夠識別所有結構，但樣機內存不足，在部分網絡結構檢測中不能達到諧振頻點，故不能全部識別所有結構。

測試結果分析如下。

(1)負載開路和短路故障檢測及告警功能，相應時間≤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%，測量穩定時間≤2 s；

(3)部分負載網絡結構檢測功能，可檢測任意2-3個元件14種組合中的10種結構，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，測量穩定時間≤5 s。

5 總結

通過實際測量數據可看出，系統采用模塊化結構設計，易于升級某一項指標測試，各模塊之間有效避免相互干擾，檢測相對誤差5%；硬件電路設計上還有待改進，如：(1)通過拓展內存，增大頻率采樣點個數，實現所有網絡結構的識別；(2)選用優質測試探針，降低短路測試傳輸線的內阻，提高短路點定位精度，同時優化軟件算法進一步縮短檢測時間。總之，該測量裝置方案可行，對于電子電路的研究、開發、自動測試有較大的參考價值。