450A接触电流测试仪测试网络和数据采集的设计

1．引言  

随着社会的发展，人们使用的家用电器越来越多，品种和范围也越来越广，家用电器安全的重要性不言而喻。  

而防触电是所有安全标准中最基本也是最重要的要求，家电产品的接触电流就是关于电器安全方面要求的内容之一，在中国强制认证(简称CCC认证)中也是产品安全型式认可试验的主要测试项目，以及生产企业确认检查的测试项目。450A接触电流测试仪就是一款专业用于测量接触电流的仪器。  

2．定义  

接触电流：当人体或动物接触一个或多个装置的或设备的可触及零部件时，流过他们身体的电流。  

模拟人体阻抗网络：模拟人接触装置时的一个等效阻抗网络。  

虚拟示波器：基于计算机的波形数据采集仪器。  

3．模拟人体阻抗测试网络  

产品的接触电流信号波形是非正弦波，谐波频率超过100Hz，见图1所示。对于是非正弦的波形，测量其峰值电流相对人体阻抗更准确。  

由于接触电流是指当人接触到产品时流过人体的电流，而人体可以看成是一个阻抗网络，这个阻抗网络由电阻电容通过一定的连接方式组成。等效来看接触电流就是流过这个阻抗网络的电流，这样我们就可以模拟一个等效的测试环境来对接触电流进形测量。  

在接触电流的测试过程中，有两个关键点：等效的人体阻抗网络和流过这个网络电流的峰值。等效的人体阻抗网络即模拟人体阻抗网络，在国际上通行的比较能模拟真实情况的有7种，如图2为其中比较常用的5种模拟人体阻抗网络，测量流过阻抗网络的电流也就是接触电流。450A接触电流测试仪是中国赛宝实验室研制的一款测量流过模拟人体阻抗网络电流的测试仪器，它内部集成了以上5种用于测试的模拟人体阻抗网络，网络与网络之间可自由进行切换，网络的切换通过单片机进行控制。  

由于要对人体的阻抗进行模拟，所以对模拟人体阻抗网络的技术参数要求较高，在进行网络设计时所使用的电阻为无感电阻且较高的热稳定性，精度在1％以内，电容也使用品质较好的而且精度为1％的。如图2网络1，45OA测试仪器中，设计该网络用电阻采用的是国外进口的无感高功率电阻，精度为1％，电容采用是PHILIP公司的，精度为1％。在450A内部的其他测试络的设计上也选用同标准的元的件，达到较高的技术要求。  

除了满足元器件精度要求外，网络的频率特性在设计也是非常重要的，只有在一定的频率范围内满足输入输出要求的网络才算是合格的。由于在设计电路时，电路板走线的长短和方向会对高频信号产生影响，还有元器件的放置位置也会有影响，如果设计不当，当信号频率去到几百千赫兹甚至上兆赫兹时，信号将出现比较大的衰减。如图2网络1，在进行设计时，通过向该网络输入不同频率的信号，测量u2的输出值来校验网络的特性。当频率比较低的时候，还能满足频率特性参数要求，但U2端的输出值是通过一个RC低通滤波器输出的，随着输入信号频率的升高(频率超过200kHz)，信号被快速的衰减，此电路设计不能达到测试网络的特性参数要求。此时要对元件的安装位置及参数进行调整，并采用其它元件进行补偿，以满足该测试网络的频率特性要求，见表1。在设计其它网络时也要根据情况进行调整。  

网络切换的设计上使用单片机进行控制切换，单片机通过串口与上位机主控程序进行交互，在主控程序中通过按键或鼠标进行控制选择。  

4．接触电流的测量  

流过以上模拟人体阻抗网络的电流称为接触电流。接触电流的波形为非正弦波(如图1)，标准要求测量的接触电流值为最大的峰值电流，所以使用一般的有效值电流表无法进行准确测量。为了较为准确的测量接触电流的峰值，在设计上采用波形测量法测量接触电流波形的电压峰值，再通过计算得出接触电流(Id)值。



注：表1是IEC60990-1999标准或GB12113标准附录中。“频率”项为输入正旋波信号的频率“输入阻抗”为输入网络信号的有效值，单位为毫伏，“转换阻抗”为测试端U2的电压值，单位为毫伏。网络特性满足上表要求的合格。其他的模拟人体阻抗网络要求也如此，具体可参考该仪器的说明。

在采用波形测量法获取波形的峰值，先可通过将整个波形数据进行实时采集，然后换算得出波形最大的峰值，再利用公式计算出接触电流的峰值，图2网络1的接触电流峰值Id=U2峰值／500。为了能实时采集接触电流的波形数据，并方便的处理采集的数据，450A采用PC加虚拟示波器的方案。在这个方案中，波形数据被实时的采集，加上PC在数据处理上的优势，实时采集的数据被迅速转换成测量需要的数据。通过在PC上执行的主控程序，将硬件控制和数据处理显示集中到一起，由外部进行统一的控。图3为450A的功能方框图接触电流的波形数据首先通过虚拟示波器进行采集，虚拟示波器硬件数据采集模块通过USB接口和 PC相连，将实时采集的数据通过USB接口传送给PC，PC端通过虚拟示波器的USB底层驱动程序与外部硬件模块进行通信。PC端数据处理软件借助PC快速的数据处理能力，将数据进行处理，得出峰值，并还原实时的波形。

由于虚拟示波器只能提供波形数据，并不能直接计算出接触电流的值，在PC端用VB编写了主控制程序进行接触电流的换算，主控程序通过虚拟示波器PC端动态连接库函数对其进行操作。  

虚拟示波器PC端提供了用作二次开发的动态连接库，通过该动态库访问虚拟示波器，获取采集的实时数据。在VB开发主控程序中加入该动态连接库，调用动态连接库中的函数操作示波器。在程序设计中用到的函数是OpenDSO(打开示波器)，ShutDSO(关闭示波器)，StartDSO(开始采集数据)， StopDSO(停止采集数据)，ReadDSOData(数据读取)等。  

在VB中通过数据读取函数ReadDSOData将数据读人到一个数组中，通过数据比较的方式查找出其中的最大值，这个最大值即接触电流波形电压峰值，在根据不同的网络代用不同的计算公式技术接触电流值，在图2网络1中，接触电流峰值Id=U2峰值／500。通过VB中的CSng()函数将该数据转化成字符，在一个Label框中显示出来。在VB中调用 Line函数，将数据还原成波形。以下为主控程序中的部分源代码；