0 引言

　　泄漏電流是指在沒有故障施加電壓的情況下，電氣設(shè)備中相互絕緣的金屬零件之間，或帶電零件與接地零件之間，通過其周圍介質(zhì)或絕緣表面所形成的電流。也包括當(dāng)人觸及電器設(shè)備時(shí)，由設(shè)備經(jīng)過人體到達(dá)大地的電流或由設(shè)備經(jīng)人體又回到設(shè)備的電流。它是衡量電器絕緣性好壞的重要標(biāo)志之一，也是產(chǎn)品安全性能的主要指標(biāo)。

　　泄漏電流測試系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，或者說最符合人體實(shí)際阻抗情況，具備一組或者幾組由特定阻抗值和滿足一定功率要求的電阻和電容組成的電路來模擬人體觸電。通過將人體阻抗網(wǎng)絡(luò)連接人體可能觸電的待測儀器部件，測量流過人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的電流。

　　1 泄漏電流整體測試方案

　　為了提高測試精度和數(shù)據(jù)的采集與處理速度，滿足最新標(biāo)準(zhǔn)的要求，設(shè)計(jì)了新的泄漏電流測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)和DSP芯片TMS320C2812作為測控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采取單一人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的泄漏電流的自動(dòng)測試。測試方法如下：信號(hào)輸入為直流到1 MHz的電壓（或電流）信號(hào)，其示意圖如圖1所示。

圖1

　　1．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　測控系統(tǒng)由PC機(jī)、DSP芯片TMS320F2812控制系統(tǒng)以及外圍擴(kuò)展功能電路、泄漏電流采集信號(hào)調(diào)理電路、DSP與PC通信接口電路構(gòu)成，采集、計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)進(jìn)而分析被測儀器泄漏電流特征值，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2

　　各部分功能介紹如下：

　　泄漏電流調(diào)理電路：被測設(shè)備在加上220 V交流電壓通過隔離變壓器所產(chǎn)生的電流，流入人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，第一級(jí)放大電路使電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)并設(shè)計(jì)阻抗匹配電路使輸入信號(hào)穩(wěn)定，放大電路的作用通過調(diào)整放大增益使輸出信號(hào)在A／D采集范圍之內(nèi)，光耦隔離主要是為了

　　使被測系統(tǒng)與測試系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)完全的電氣隔離，減小兩者之間的干擾。

　　DSP控制系統(tǒng)：利用TMS320F2812的GPIO控制繼電器實(shí)現(xiàn)三種（表面對(duì)表面、表面對(duì)地、表面對(duì)電源）泄漏電流測試的切換，以及控制中斷處理，利用DSP內(nèi)部集成A／D和采樣保持電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過串口或USB把數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)進(jìn)行分析、處理和顯示。

　　本系統(tǒng)中DSP采用TI的32位控制類定點(diǎn)芯片TMS320F2812?；谄涓咛幚硭俣群吞幚砭鹊膬?yōu)勢，在電子控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，其主要特點(diǎn)有外部時(shí)鐘經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻后達(dá)到150MHz（時(shí)鐘周期為6．67ns）、有著豐富的外設(shè)接口（異步串行接口SCI，同步串行接口SPI，CAN，EV，ADC等）、具有多達(dá)56個(gè)可復(fù)用的GPIO口。通過DSP的SCI模塊與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和TMS320F2812內(nèi)置12位16通道ADC進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，最高轉(zhuǎn)換速率為12．5 MSPS，可以滿足50 Hz～1 MHz泄漏電流的采樣。

　　1．1．1 高度放大與線性隔離電路的設(shè)計(jì)

　　按照對(duì)泄漏電流測試的最新標(biāo)準(zhǔn)要求，要求對(duì)50Hz～1 MHz的泄漏電流進(jìn)行檢測。所以對(duì)放大器的頻帶范圍要求很高，本文選用低噪聲精密運(yùn)算放大器HA7-5127-5，其通頻帶寬達(dá)8．5 MHz，滿足大于1 MHz的要求。前級(jí)電壓跟隨電路以及放大電路如圖3所示。

圖3

圖4

　　圖中，被測設(shè)備泄漏電流經(jīng)過單一模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，鉗形二極管電路起保護(hù)作用，防止正負(fù)電壓過高。后加跟隨放大器U1匹配阻抗和使信號(hào)穩(wěn)定，放大器U2對(duì)微弱泄漏電流信號(hào)進(jìn)行放大，通過RP1調(diào)整電路的放大增益，以便于觀察和采集。

　　1．1．2 線性光耦隔離電路的設(shè)計(jì)

　　在電路設(shè)汁中，隔離傳輸電路是比較常用的電路之一，隔離就是將一部分與其他部分中的非理想影響分離開來，在電子電路中，電介質(zhì)通過阻斷直流（DC）電來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通信點(diǎn)的隔離。泄漏電流測試需要加上工頻電壓及以上的高電壓，期間即使流過很小的交流（AC）電流，也會(huì)給人體造成致命的傷害。設(shè)計(jì)隔離電路的作用就是使人體免受危險(xiǎn)電壓或危險(xiǎn)電流的損壞。高壓與低壓隔離電路如圖4所示。

　　在醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制、高精度數(shù)據(jù)采集、長距離通信、高低壓混合系統(tǒng)等電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常要用到隔離電路，一般來說，隔離分為光耦隔離、電磁隔離和電容隔離、磁耦隔離四種方法，下面介紹各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

　?。?）光電隔離技術(shù)

　　光耦合技術(shù)是在透明絕緣隔離層（例如：空氣間隙）上的光傳輸，以達(dá)到隔離目的。光耦合器（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出，這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。光耦合技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是，光具有對(duì)外部電子或磁場內(nèi)在的抗擾性，而且，光耦合技術(shù)允許使用恒定信息傳輸。光耦合器的不足之處主要體現(xiàn)在速度限制、功耗以及LED老化上。還有，光耦合隔離方式適合傳輸?shù)皖l信號(hào)和直流信號(hào)，且功耗較大。

　?。?）電磁隔離技術(shù)

　　電感耦合技術(shù)使用兩個(gè)線圈之間的變化磁場在一個(gè)隔離層上進(jìn)行通信。最常見的例子就是變壓器，其磁場大小取決于主級(jí)和次級(jí)繞組的線圈結(jié)構(gòu)（匝數(shù)／單位長度）、磁芯的介電常數(shù)以及電流振幅。電感耦合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，可能存在的共模差異和差分傳輸特性。變壓器的精心設(shè)計(jì)允許噪聲和信號(hào)頻率重疊，但是會(huì)呈現(xiàn)出噪聲高共模阻抗和信號(hào)低差分阻抗。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，信號(hào)能量傳輸可達(dá)到近100％的效率，從而使低功耗隔離器成為可能。其主要缺點(diǎn)是對(duì)外部磁場（噪聲）的磁化。

　　（3）電容隔離技術(shù)

　　電容耦合技術(shù)是在隔離層上采用一個(gè)不斷變化的電場傳輸信息。各電容器極板之間的材料是一個(gè)電介質(zhì)隔離器，并形成隔離層。該極板尺寸、極板之間的間隔和電介質(zhì)材料等都決定著電氣性能。使用一個(gè)電容隔離層的好處是，在尺寸大小和能量傳輸方面的高效率，以及對(duì)磁場的抗擾度。電容耦合技術(shù)的缺點(diǎn)是其沒有差分信號(hào)和噪聲，并且信號(hào)共用相同的傳輸通道，這一點(diǎn)與變壓器不同。這就要求信號(hào)頻率要大大高于噪聲預(yù)期頻率，這樣隔離層電容就呈現(xiàn)出信號(hào)的低阻抗，以及噪聲的高阻抗。

　?。?）磁耦隔離技術(shù)

　　磁耦技術(shù)是一種芯片級(jí)變壓器隔離技術(shù)。Icoupler磁耦數(shù)字隔離器就是在上述背景下，由美國模擬器件公司ADI設(shè)計(jì)開發(fā)的一款適合高壓環(huán)境的隔離電路。Icoupler是ADI公司的一項(xiàng)專利隔離技術(shù)，是一種基于芯片尺寸的變壓器，而非傳統(tǒng)的基于光電耦合器所采用的發(fā)光二極管（LED）與光敏三極管的結(jié)合，因采用了高速的iCOMS工藝，因此在功耗、體積、集成度、速度等各方面都優(yōu)于光耦技術(shù)。同時(shí)能滿足醫(yī)用設(shè)備高電壓工業(yè)應(yīng)用、電源以及其他高隔離度環(huán)境的嚴(yán)格隔離要求，非常適合在各種工業(yè)上的應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口、各種總線隔離以及其他多通道隔離應(yīng)用。磁耦產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)有：

　　速度高 最高速率可達(dá)到150 Mb／s；

　　功耗低 工作時(shí)的功耗僅為傳統(tǒng)光耦產(chǎn)品的1／10，最小工作電流為0．8 mA；

　　性能更高 時(shí)序精度，瞬態(tài)共模抑制力，通道間匹配程度均優(yōu)于傳統(tǒng)光電隔離器；瞬態(tài)抗擾度可高達(dá)25 kV／μs。其額定隔離電壓是高隔離度光電耦合器的兩倍，并且數(shù)據(jù)傳輸速率和時(shí)序精度是其10倍。

　　體積更小 集成度更高，最多一個(gè)芯片上集成了4個(gè)通道；PCB節(jié)省60％～70％左右，采用了低成本SOIC封裝；

　　應(yīng)用方便 同一芯片內(nèi)提供正向和反向通信通道，而且不用任何外圍分立元件；

　　可靠性高 壽命長，省去傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換部分，壽命與其他CMOS器件相同；

　　當(dāng)然，磁耦合隔離方式適合傳輸高頻信號(hào)，不能用于直流或低頻信號(hào)的傳輸，且需要對(duì)隔離輸出信號(hào)整形后才能為接收數(shù)字電路使用，但其功耗較小。

　　在泄漏電流隔離數(shù)據(jù)采集電路中，需要隔離的信號(hào)有ADC控制信號(hào)（直流電平）、ADC工作時(shí)鐘信號(hào)（幾兆甚至更高頻率的信號(hào)），在這樣的應(yīng)用條件下，如果用普通的光耦隔離器件，只能隔離直流或者低頻信號(hào)，所以采用光耦技術(shù)很難滿足對(duì)泄漏電流隔離的需求。而磁耦隔離器件不能傳輸?shù)皖l信號(hào)以及直流信號(hào)，且磁耦隔離對(duì)數(shù)字信號(hào)的傳輸性能較好，即使傳輸模擬信號(hào)，也會(huì)引起信號(hào)的失真，解決方法就是可以對(duì)需要傳輸?shù)哪M信號(hào)進(jìn)行電平抬高，使得模擬信號(hào)的最小電流值可以驅(qū)動(dòng)隔離器件工作，才會(huì)保證被傳輸信號(hào)的不失真。另外一個(gè)解決的方法就是如果將需要傳輸?shù)牡皖l信號(hào)調(diào)制到高頻載波上，再用磁耦合隔離電路隔離傳輸，在接收端再用解調(diào)電路提取出低頻信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)用磁耦合隔離電路傳輸?shù)皖l信號(hào)的目的。本文設(shè)計(jì)的新型磁耦合隔離電路不用調(diào)制和解調(diào)電路就可以實(shí)現(xiàn)低頻和直流信號(hào)的磁耦合隔離傳輸，而且電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗小，信號(hào)傳輸延遲很小。

　　本文采用模擬隔離放大器進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)與被測對(duì)象電氣上的隔離，選用高線性度模擬光電耦合器HCNR201，其主要參數(shù)介紹如下：具有±5％的傳輸增益誤差和±0．05％的線性誤差；具有大于1 MHz的頻帶帶寬；輸入電壓范圍為0～15 V。電路如圖5所示。

圖5

　　電路說明：光耦U2用于正極性信號(hào)的隔離，光耦U3用于負(fù)極性信號(hào)的隔離。在隔離電路中，R2調(diào)節(jié)初級(jí)運(yùn)放U1輸入偏置電流的大小，C3起反饋?zhàn)饔?，同時(shí)濾除了電路中的毛刺信號(hào)，避免HCNR201的鋁砷化鎵發(fā)光二極管LED受到意外沖擊。R1可以控制LED的發(fā)光強(qiáng)度，從而對(duì)通道增益起一定的控制作用。HC-NR201是電流驅(qū)動(dòng)，其工作電流要求為1～20 mA。由于是隔離雙極性信號(hào)，因此采用雙電源供電的HA7-5127-5運(yùn)算放大器，其輸出電流可達(dá)25 mA。R3是采樣電阻，將光耦輸出電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，與運(yùn)放U1組成電壓跟隨電路，實(shí)現(xiàn)輸入輸出電路的阻抗匹配。在圖5線性光耦電路中，隔離電路的隔離電壓增益，也即隔離系數(shù)為：

　　G=R3／R2

　　該隔離電路的隔離增益只與電阻值R3，R2有關(guān)，與光耦的電流傳輸特性無關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了電壓隔離。

　　1．1．3 電平抬高電路的設(shè)計(jì)

　　由于TMS320F2812內(nèi)部集成的A／D采樣范圍為0～3 V，在采集信號(hào)進(jìn)行光耦隔離之前，可以調(diào)節(jié)放大器的增益，使被采集的電壓信號(hào)落到-1．5～+1．5 V范圍之內(nèi)，然后設(shè)計(jì)一個(gè)+1．5 V的基準(zhǔn)電壓源將被采集信號(hào)進(jìn)行電平抬高，這樣就可以保證采樣信號(hào)在0～3 V的范圍內(nèi)，電路如圖6所示。

圖6

　　利用放大器的虛短、虛斷原理，得：

　　Uo=1．5*（1+Rf／R2）*R3／（R1+R3）-Ui*Rf／R2

　　這里取R1=R2=R3=Rf=10 kΩ，根據(jù)上式即可得：

　　Uo=1．5-Ui

　　這樣就實(shí)現(xiàn)了電平抬高的目的，Ui的取值范圍是-1．5～+1．5 V，Uo的取值范圍是0～3 V。此時(shí)被采集信號(hào)在0～3 V輸入電壓范圍之內(nèi)，滿足要求。

　　1．2 系統(tǒng)軟件方案的設(shè)計(jì)

　　軟件部分包括DSP內(nèi)部采樣程序的設(shè)計(jì)和DSP采樣大量數(shù)據(jù)與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信程序的設(shè)計(jì)，在CCS 3．3開發(fā)環(huán)境下編寫；上位機(jī)PC機(jī)的測試界面軟件采用Microsoft Visual C++編寫。

　　1．2．1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊由DSP控制內(nèi)部集成的ADC模塊對(duì)外部的泄漏電流調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換和采樣，并將采集到的大量數(shù)據(jù)送入DSP內(nèi)部對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波和前端處理，將處理結(jié)果通過USB或者串口傳入PC機(jī)進(jìn)行后端分析、處理和顯示，如圖7所示。

圖8

　　TMS320F2812內(nèi)置12位兩路8通道模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)部集成兩個(gè)采樣保持器，采樣量程為0～3 V，擁有快速的轉(zhuǎn)換頻率，可運(yùn)行在25 MHz的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘或12.5 MSPS的采樣率。根據(jù)公式voltage=（（AdcRegs．RESULT3》》4）*3）／4095.0，其中voltage為DSP_AD采樣值；AdcRegs． RESULT3為A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器。

　　本系統(tǒng)采用它后，在采集速度和精度上完全可以滿足設(shè)計(jì)的需求。通過軟件進(jìn)行采樣，用串口調(diào)試助手讀出采樣值。軟件流程圖如圖8所示。

　　1．2．2 測試界面程序軟件流程

　　通過啟動(dòng)測試程序軟件，由PC機(jī)選擇測試參數(shù)，然后通知下位機(jī)（DSP）開始測試，然后測試電路對(duì)測試信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過放大、隔離保護(hù)等信號(hào)調(diào)理，由DSP控制系統(tǒng)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳至上位機(jī)（PC），PC機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)處理及顯示，并判定被測設(shè)備是否合格，其流程圖如圖9所示。

圖9

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　2．1 隔離電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　對(duì)該電路首先進(jìn)行仿真試驗(yàn)，輸入峰峰值為3 V的正弦波，經(jīng)過雙極性隔離電路后，其輸入、輸出波形如圖10～圖12所示。

圖12

　　2．2 電平抬高電路試驗(yàn)結(jié)果
?

　　對(duì)上述電平抬高電路輸入峰峰值為3 V的正弦交流信號(hào)，在放大器的正向輸入1．5 V的基準(zhǔn)電壓，其輸出波形如圖13所示。

　　3 結(jié)語

　　本文主要從軟硬件兩個(gè)方面對(duì)整個(gè)測試系統(tǒng)做了簡單的介紹，硬件部分包括單一人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，高速放大電路，線性光耦隔離電路以及電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，從硬件角度基本滿足泄漏電流測量要求；軟件部分分為下位機(jī)DSP程序和在PC上運(yùn)行的VC++程序，結(jié)合流程圖詳細(xì)地介紹了測量軟件的實(shí)現(xiàn)，以及上下位機(jī)之間測量通信的流程。