实现电压非接触稳定测量

圈4前置放大电路原理圈

2.3控制器和模数转换

系统采用16位单片机MSP430F5529作为控制器，该单片机采用了精简指令集结构，具有较低的供电电压，并且具有3个时钟，每个时钟都可以在指令控制下打开与关闭，这些特点使其具有极低的功耗，非常适合便携式检测设备对低功耗的要求。

因为检测的是微弱电压信号，为了提高系统的分辨率，采用24位宽频带AD转换芯片ADSl271构成模数转换电路。该芯片通过单电源供电，采用外部参考电压，输入端采用差分输入。因为系统测量的是低频交流电压信号，为了使信号满足AD转换芯片输入端电压的要求，在模数转换之前设计了一个电压提升电路。该电压提升电路由差分驱动芯片AD8131构成，其作用是将测量到的交流信号叠加一个2.5 V的直流偏移。叠加2.5 V的直流偏移不仅使信号满足了芯片输入端对电压的要求，而且增大了电压的测量范围。

2.4软件设计

系统采用模块化程序设计，使用了多个子程序，包括AD初始化程序、延时程序、软件滤波程序、无线传输程序、上位机显示程序等，完成了信号采集、信号处理、信号传输，信号显示等功能。系统流程图如图5所示，主控制模块负责协调控制整个系统的运行，采用调用原则将需要的模块调入运行；AD转换模块负责完成信号的模数转换；无线传输模块完成单片机与上位机的信号传输；上位机显示模块完成信号的初步处理及显示。

图5前置放大电路原理图

3测试结果及分析

为了对系统性能进行测试，文中设计了一种电压测试平台，如图6所示。该平台主要由聚四氟乙烯支撑架、铝金属板、绝缘支撑板三部分组成。聚四氟乙烯三根支撑柱上设计了多个等距离的间隙，用于放置极板和支撑板，并且方便板间距离的计算。以2片直径为80 cm的圆铝金属板作为电极极板，连接到信号发生器两端，用来产生电场。图中中间3片是绝缘支撑板，测量时将感应电极粘附在支撑板上，因此支撑板到极板的距离就是测量电极到极板的距离。将两极板相距30cm，上极板接信号发生器正电压输出端，下极板接负电压输出端并接地，感应电极距离上极板为25 cm，在两极板上加一个幅值为500mV，频率为2 Hz的正弦信号，测得的波形结果如图7所示。由图中可以看出，利用该系统通过非接触方式可以测得波形清晰，将测得的数值乘以标定系数后能够反映极板的电压。通过改变极板间不同的电压，可以测得系统的灵敏度和线性度。

图6电压测试平台

图7测试结果图

4结束语

文中对基于电容耦合原理的非接触电压检测方法进行了阐述，重点介绍了具有超高输入阻抗的前置放大电路设计，完成了包括敏感电极和信号处理、传输、显示等模块在内的系统设计。该系统结构简单、灵敏度高，频带宽，实现了对电压的非接触测量，在医疗、安全、无损检测、人机交互等方面拥有广阔的应用空间。