DC绝缘阻抗测试仪的设计与实现

总结众多相同研究的基础上[8⁃9]，本文提出的基于Cortex⁃M3的DC绝缘阻抗测试仪，具有测量精度高、测量速度快和成本低、体积小等优点。

1 测试原理

1.1 测试原理分析

根据GB4706和UL1059标准，测试绝缘阻抗的方法，得出如图1所示的测试原理。

1.2 系统方案

本系统设计以Cortex⁃M3为内核的ARM控制器，STM32F103为控制核心，由DAC数控电压源、DC⁃AC逆变电路、整流电路、采样信号处理电路、ADC采集电路和键盘显示电路等组成，如图2所示。

此系统工作原理是控制器控制DAC数控电压源产生0～5 V的直流电压，驱动DC⁃AC逆变模拟，产生0～900 V频率為400 kHz的交流高压，交流高压经过整流滤波后，产生0～1 500 V的DC高压。DC高压输出给测试端进行DC高压绝缘测试，然后将采样电阻得到的电压信号进行放大，并进行A/D转换，最后计算出被测绝缘阻抗值大小并在LCD中显示。设计指标为输出高压0～1 500 V，绝缘阻抗测量范围1 MΩ～10 GΩ，分辨率为0.1 MΩ，精度达0.2%。

2 电路实现

2.1 电 源

电源为整个系统提供±12 V，5 V和3.3 V三个电压，其中±12 V用于信号放大调理等模拟电路；5 V主要为高压产生使用；3.3 V主要用于STM32F103控制核心。采用隔离式DC⁃DC的电源，保证了各电源之间的相对独立性，特别是数字部分和模块部分之间，只是最后的共地处采用了0 Ω电阻共地，保证了系统的可靠性。

2.2 主控制器

主控制器在整个系统设计中起控制作用及协调其他功能模块间正常工作，是本设计的核心之一。为了满足高速率、高稳定性、大内存、低功耗等要求，系统选用32位的ARM微控制器STM32F103，该控制器具有64 KB的FLASH、20 KB的RAM和高达1.25 DMips/MHz的处理性能，外接16 MHz的晶振，内部4倍频达64 MHz的处理频率能满足A/D采样、数据运算和显示控制的处理速度需求。使用控制器内部自带的SPI控制器来实现对DAC8512和ADS8509的读写操作；PA口通过模拟数据总线的方式，作为外部总线用于LCD显示的读写。PC0～PC7接口用作键盘扫描， PC8和PC9用来控制AD8253进行放大倍数的选择，同时4个剩余的PC口外接LED指示灯作为系统运作的各类状态指示灯。

2.3 DAC数控电压源

DAC数控电压源由DAC8512，OP07和三极管TIP122组成， DAC8512产生精度为2 mV，分辨率为1 mV的直流电压，OP07和TIP122组成放大和射极跟随驱动电路，实现功率驱动，最终能输出5 V/3 A的直流电压供DC⁃AC逆变电路使用。

2.4 DC⁃AC逆变电路和整流电路

DC⁃AC逆变电路采用的是自激推挽式逆变升压电路（也叫Royer振荡电路）。该电路能根据输入电压大小，输出频率固定、电压峰峰值与输入电压大小成比例的交流信号。如图3所示，逆变和整流电路由输入电感L1、基极电阻R7、谐振电容C12、2个三极管2SD1864和三绕组变压器T1组成。

数控电压源送来的可控电压信号由电感L1进入。L1为变压器T1的中心抽头提供一个高交流输入阻抗，能防止本电路对数控电压源的干扰；R7大小为200 Ω，给Q7，Q8供基极直流偏置，最大可提供21.5 mA的基极电流，即Q7，Q8集电极和变压器，初级最大电流为2.15 A。初级绕组与次级绕组的变比是1∶400，即输入电压最大为5 V时，初级产生峰峰值为5 V的自激振荡信号，次级绕组（高压输出端）产生峰峰值为2 000 V的交流高压。

最大峰峰值为2 000 V的交流高压如果使用常规的全波整流时，空载时得到的最大直流电压为848 V，负载时更低至777 V都无法满足输出1 500 V的要求。所以在设计中使用半波整流和倍压整流相结合的方式。在低于300 V时使用半波整流；大于300 V时使用倍压整流，最大输出电压为1 700 V，满足系统设计需求。

2.5 采样放大调理电路

本设计的采样电阻为9 kΩ，其精度为万分之一，温漂为5 ppm。最小的采集电压在低电压测量高绝缘时为0.9 mV，最大采集电压在高电压测低绝缘时为9 V，所以需要多级可控放大电路，而且当采样信号小至1 mV时，电路噪声主要是共模噪声，需要使用高共模抑制比的仪用放大器才能很好地抑制噪聲，达到信号的有效放大。设计中使用AD8253进行信号调理，这是一款数控仪用差分放大器。放大倍数由两个引脚来进行选择，可进行1，10，100和1 000四种放大倍数，满足本设计大量程多级控放大的需求。

2.6 ADC采样电路

ADC采样电路采用16位的高精度ADC⁃ADS8509组成，该芯片具有多量程输入功能，设计中使用0～10 V的输入量程。那么结合前面的可控放大电路能实现最大分辨率达100 Ω，最小分辨率为10 kΩ。满足系统分辨率为0.1 MΩ的需求。在电路设计时，为了提高系统的稳定性，将ADS8509的数字地和电源地分开，同时采用光电隔离器件ADUM5404，实现数据线的隔离。并在电源引脚用RC滤波网络连接以提高电源的稳定性，实现高精度转换。

3 系统软件设计

整个测试仪都由STM32F103主控芯片通过软件完成控制，系统软件流程图如图4所示。

系统上电后主控芯片程序启动，首先完成内部寄存器的复位、中断清零等。然后是外部设备的初始化，特别是DAC数控电源电路，控制其输出为0 V，并控制继电器断开外部测量接口。然后是控制LCD显示初始化界面，并进行键盘扫描，等待用户操作。在启动测试时，STM32F103通过程序控制DAC数控电源产生电压信号，最终产生所需的高压并输出到外部测量接口。高压信号通过被测物后，经采样电阻到地。采样电阻上的电压信号经过信号放大调理后由ADS8509进行电压采集，最后经过数据处理计算得到被测物的绝缘阻抗大小，并在LCD中显示。

4 系统测试与分析

为了检测本仪器的绝缘阻抗测试性能，采用ZX68C型高阻箱设定几个电阻值模拟绝缘阻抗测试，同时通过美国KIDDE FENWA型号149⁃10A高压表实时测量高压电路输出的电压值。具体结果如表1所示。

检测时利用高阻箱调整不同的电阻值来进行模拟绝缘阻抗测量，从测量结果可看出，系统的高压产生误差最大为0.10%。绝缘阻抗测量最大误差为0.17%，而且是集中出现在高阻抗段，这是因为在高阻抗测量时，采样电阻的采样电压非常小，在进行高倍放大时，会因为放大电路的非线性和电路噪声干扰等因素造成测量误差，但都达到了系统设计的0.2%精度要求。

5 结 语

本文介绍了一种DC高压绝缘阻抗测试仪的软硬件设计方法，并详细论述了其部分关键电路的具体实现原理。通过高压表和高阻箱的计量校验，该测试仪实现了0～1 500 V的高压产生和1 MΩ～10 GΩ绝缘阻抗的测量，误差小于0.17%。实验测试和实际应用表明，该仪器工作稳定可靠、测量准确度高、速度快，满足设计要求。

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