一种智能型兆欧表的设计

引言

绝缘电阻是电气安全检测项目中的一项重要内容，而测得试品绝缘电阻60s的值R60与15s的值R15的比值K=R60/R15被称为吸收比(对于大电容设备为lOmin之值与lmin之值的比值，称为极化指数)，是检验绝缘是否严重受潮或存在局部缺陷的重要依据。兆欧表是测量绝缘电阻的专用仪表，应用广泛。而传统的手摇指针式兆欧表，必须用手摇发电机保证有120r／s的转速才能维持正常的输出电压，测量范围小、误差大、吸收比须在测量后另行计算，使用不便。

随着电子技术的不断进步，尤其是单片机(single-chlp microcontroller)的出现并不断发展，引起了仪器仪表结构的根本性变革。以单片机为主体取代传统仪器仪表的常规机械及电子线路，可以容易地将计算技术与测量控制技术结合在一起，形成智能化测量仪表。这种新型的智能化仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理、以及功能的多样化方面都取得了巨大进展，并得到了广泛应用。

基于ICL7135的智能型兆欧表采用MCS-51系列单片机875l和Harris公司生产的4 1/2位BCD码精度A／D转换芯片ICL7135，具有测量精度高、量程宽、测量方便、体积小、功耗低、功能全等特点

1 ICL7135特性分析

TCT7l35是Harris公司采用先进的LinMOSTM技术生产的高准确度、通用型、位BCD码精度双积分式A／D转换器。它有许多优良的特性，在本设计中能够得到突出反映的有：

1)具有自动校零功能，自动较零的准确性仅受系统噪声的影响，且偏差小于10μV；

2)有超量程(OR)和欠量程(UR)信号，容易实现量程的自动转换；

3)设有6个控制信号端、同时进行字位输出和BCD码输出，可与LCD译码／驱动器及单片机接口，进行数据处理，构成智能化仪器；

4)满量程为2 0000在±20000汁数范围内的准确度为±1个字。

2 硬件电路设计与实现

本设计主要由直流高压产生电路、取样电路、数据采集与控制器、译码／驱动LCD显示4大部分组成。其原理框图如图l所示。下面将分别介绍4部分组成及工作原理。



2.l 直流高压产生电路

直流高压产生电路如图2所示。


将6V直流电源经集成器件555和电阻R1及R2与电容C1接成的基本无稳态振荡模式，构成高频多谐振荡器，振荡频率f=1.44／[(R1+R2)C1]，约为15 kHz左右，产生的交变电压经脉冲变压器升压，次极的感应电压经倍频整流、滤波后，可得到约l000v的直流电压作为测量用电压。

2.2　取样电路

取样电路的作用足取得与测量值相关的电信号，用以计算、控制和显示。刘测量的具体要求决定了取样电路具体形式。本设计中取样电路与ICL7135连接，如图3所示。

图3中，Rx为被测绝缘电阻、R3为量程调节电阻、R1、R2为取样分压电阻。

U为直流高压产生电路提供的测量电压，经R1及R2分压后(U2)加在7135的IN-，经Rx、R3分压后(U3)加在ICL7135的Cref-。

根据双积分A／D转换器的工作原理，转换结果由式(1)得到。



式(1)中常数10000由lCL7135的正向积分固定时间T1=10000TCP决定，TCP为时钟脉冲周期。10000即为正向积分阶段的时钟脉冲数。VIN为VIN+VIN-之间的电势差，在本设计中VI+接ANALOG COM，因此VIN=VIN+-VIN-=-U2。VREF在标准工作模式情况下为Cref+与Crdf-之间所接电容在自动调零阶段充电所获得的标准电压值。在本设计中Cref+与Cref-之间不再接电容，将Cref+接ANALOGCOM，同时将Cref-与ANALOG COM间电压钳制为U3，Cref+与Cref-之间电压为一U3。因此式(1)可表示为


由于ICL7135的标准基准电压值VREF=lV，而加在Rx与R3上的测量用电压为1000V，所以Rx》R3，使得U3≤2V。由于ICL7135VIN-上允许加的最大电压值为O.8V，而加在R1与R2上的测量用电压为1000V，所以R1与R2取值应满足R1》R2、U2≤O.8V。式（2）可进一步表示为

可见，当R1、R2、R3取定时，Rx值与测量电压U无关，故能消除U变化刘结果的影响。

2.3 数据采集与控制及显示部分

实现数据采集与控制和LCD显示的硬件电路原理图如图4所示。图中ICL71 35、8155、8751构成单片机最小系统，ICM721l为LCD显示驱动芯片，异或门CD4070配合ICM7211驱动显示模块


ESD81lA。ESD81lA为大连东显公司生产的位LCD显不器，足以满足显示需要。

具体工作原理为：取样电路的电信号经ICL7135转变为数宁信号，但A／D转换的结果是动态的。74LSl57为4位2选l数据多路开关，其作用足根据高位选通信号D5的输出不同，将万位数据、过量程、欠量程标志或是ICL7135的4个低位BCD码送入8155。ICL7135在发出选通脉冲时，将数据送入接口电路8155。而8751单片机则通过中断查询的方式读取数据，并进行存储。通过单片机定时分别获取15s和60s的绝缘电阻值(或lmin和10min)，通过计算获得吸收比(极化指数)。将所得结果进行保存和适当的码制转换，响应键盘以显示绝缘电阻值或吸收比(极化指数)。