基于ML2035的回路电阻测试仪设计

2018-09-27周国平张宇思

传感器与微系统 2018年10期

徐磊，周国平，张宇思，王琼

(1.南京林业大学信息科学技术学院,江苏南京 210037;2.江苏第二师范学院物理与电子工程学院，江苏南京 210013)

0 引言

随着地铁、高铁长时间的运行，运行的安全性就显得至关重要，定时对电气设备进行检修必不可少。接地线可靠安装是检修工作安全进行的保证，经常出现由于接地线安装不可靠引起检修车间跳闸，造成大范围停电，带来严重经济损失，甚至还会威胁检修人员的人身安全。因此，实现电气设备可靠接地具有重要意义。目前，国内常用的回路电阻测试仪存在成本高、安装不方便、不能实现在线监测和数据远程传输等缺点。本文设计的回路电阻测试仪，采用穿线式结构，只需要将待测的回路线穿过测量线圈，电压线圈产生的磁场便可以在回路线上感应出电流，电流线圈通过回路电路产生的磁场便可感应出电流，通过采集回路电压、电流，便可测量出整个回路的电阻值，完全克服了传统回路电阻测试仪安装困难、测量不方便的缺点，大幅提高了测量的效率[1，2]。同时，还克服了开机校准的弊端，可以实现在线监测，实时将测量数据上传到上位机，方便快捷[3，4]。

1 总体方案设计

基于电磁感应的理论设计的系统总体原理框图[5]如图1所示。

图1 总体原理框图

通过搭建ML2035模块产生1 000 Hz的正弦波，经过功率放大后加在电压激励线圈上。同时，电压采集电路采集产生的电压，经过精密整流滤波后，将采集的电压值转换为0～3 V的电压信号送给单片机进行采集。电压激励线圈上产生的磁场，会在被测回路中产生感应电流，感应电流产生的磁场会在电流感应线圈中感应出电流，电流线圈感应出来的电流经过电流/电压(I/V)转换，精密整流滤波电路后，转换为直流0～3V的电压信号传至单片机进行采集。单片机通过采集电压信号和电流信号，再经过相应的控制算法，计算出回路的电阻值，显示在液晶屏上，并实时向上位机发送监测数据。可以通过触摸屏或者上位机对系统的报警参数进行设置，当回路电阻值大于设置值时，系统会进行声光报警，提示系统工作不正常。

2 硬件电路设计

2.1 1 000 Hz信号发生电路设计

系统采用ML2035作为正弦波发生器，ML2035的最大输出频率为25 kHz，其电路原理如图2所示。

图2 1 000 Hz信号发生电路原理

ML2035的控制字长为16 bitD0～D15，其输出频率与控制字的关系为

(1)

系统采用6.553 6 MHz的有源晶振作为整个系统的时钟源，由式(1)可以得知要想产生1 000 Hz的正弦波，所需要的控制字为D15∶D0=fout223/fclk,将系统频率fclk和fout代入，可以计算出ML2035的频率控制字为1 280，因此,需要的16 bit控制位为0000 1010 0000 0000，本文通过74HC4060进行分频和计数，74LS02是高速CMOS与非门。为了实现ML2035的输出正弦信号频率为1 000 Hz，必须在前8个脉冲移入8 bit的“0”，然后在接下来的后8个脉冲移入0000 1010。

2.2 功率放大电路设计

ML2035作为信号发生源，其带负载能力是有限的，不能产生足够的驱动电流带动电压线圈。为了增大系统的驱动能力，设计了如图3所示的功率放大电路[6，7]。

图3 功率放大电路原理

采用TDA2030对1 000 Hz的正弦波信号进行功率放大，通过电容器C12将信号源中的直流分量进行滤除，可以消除直流对电路的影响，也可以减轻TDA2030的负载。电路还带有信号放大的作用，通过改变电位器W3的阻值，可以改变输出信号的电压幅值。

通过改变电位器W4的阻值，可以改变电压线圈从TDA2030取得电压的比例。

因此，设计的功率放大电路不仅可以进行功率放大，还可以对信号的电压幅值进行放大，还能改变后级电路取得信号的比例，电路简单、使用方便。

2.3 带通滤波器设计

通过ML2035产生的信号源，交叠了50 Hz的工频干扰和一些高频杂波，为了滤除这些干扰信号，设计了如图4所示的带通滤波器[8]。

图4 带通滤波器电路原理

图4多路负反馈有源二阶带通滤波器中心角频率ω为

(2)

可以看出，通过改变R203，R204，R205，电容C153，C154的阻值，可以改变中心角频率的值。本次设计需要通过正弦波信号频率在1 000 Hz左右，因此，设计的带通滤波器的频带为950～1 050 Hz，可以很好地滤除掉干扰信号。

2.4 精密整流电路设计

经过调理后的电压信号为正弦波信号，但采用的STM32单片机只能对正电压进行采集，不能对负电压进行采集，因此设计全波精密整流电路，如图5所示。在全波精密整流电路中，利用瞬时极性法判断：当Ui>0时，第一个TL081的输出脚(6脚)瞬间输出为-2Ui，二极管D1截止、D2导通，Uo1近似输出-2Ui，此时，R25和R24分别与R27构成反向加法器，输出Uo=-(-2Ui+Ui)=Ui；当Ui<0时，第一个TL081的输出脚(6脚)瞬间输出为2Ui，此时二极管D1导通、D2截止，相当于开路，由于反馈电阻器R24的作用，Uo1的输出与TL081的反向输入端的电位，根据运算放大器“虚短虚断”原理，可以认为TL081的反相输入端电位与同相输入端电位相等，约为0 V，故此时Uo1=0，R25与R27构成反向等比例放大，输出Uo=-Ui。综上：当Ui>0时，Uo1=-2Ui，Uo=-(-2Ui+Ui)=Ui；当Ui<0时，U01=0，Uo=-Ui；

图5 全波精密整流滤波电路

图5也称为绝对值电路,当输入电压为正弦波时，电路输出波形分别如图6所示。

图6 正弦波整流输出波形

3 系统软件流程设计

如图7所示，当系统上电后，先对系统的各个模块进行初始化，之后，通过上位机或者触摸屏进行报警参数的设置，还可以对系统的时间等信息进行校准。设置完成后，进入电压、电流采集程序，并数字滤波，防止个别误差较大的值对测量结果产生影响[9，10]。将计算出来的回路电阻值与设置的报警值进行比较，当大于报警值时，进行声光报警，提示系统电阻值过大，同时将时间、日期、报警值等信息实时发送给上位机，上位机时刻监测系统的运行状态。