一台高性能系统结构数字高压表设计

摘 要

　　随着社会的不断发展电气安全测试设备得到了广泛的应用，电气安全测试仪的输出信号作为标准源输入时对于数据测试结果有很大的影响。传统的测量方案需要的设备种类较多、测试接线较为复杂、工作效率低、成本高且集成度低，难以满足高压信号源评估的需求。针对这一现状，本课题在高压信号测量的研究基础上设计一台用于对电气安全测试仪输出的高压信号交直流电压、电流和频率进行综合测量的设备，这将对综合评估数字高压表设备具有重大的意义。

　　本论文首先根据系统所要实现的功能，设计一个高性能的系统结构，然后根据所设计的结构分模块对系统进行设计。本文由高压衰减电路和电流/电压转换电路组成的双通道输入，可分别对信号进行测量。由于系统测量的对象是高压，所以必须有对高压进行衰减的外围电路并将其输出电压转换为 ADC 所能接受的输入电压范围。因为各种噪声的干扰，输入信号在传输的过程中会发生失真，所以需要在高压衰减电路之后添加滤波电路进行滤波。由于硬件滤波的方式不足以满足要求，故在高压表软件设计时使用数字滤波的方式提高信号质量。为了进行更好的频率测量，需要在滤波电路后增加一级整形电路。通过 FPGA控制 ADC 进行数据采集，然后将采集到的数据经过 fifo 进行缓存并传输到单片机，最后单片机对数据进行处理并显示。

　　经过测试，本课题研究的基于 FPGA 与单片机的数字高压表对高压信号的交直流电压、电流和频率参数的分别测量，测量结果满足设定的指标要求，实现了预期的功能。

　　关键词：FPGA 单片机 数字高压表 高压测量

Abstract

　　With the continuous development of the society, electrical safety testing equipment has  been widely used. The output signal of electrical safety testing equipment as the standard  source input has a great impact on the data test results. Traditional measurement schemes  require many kinds of equipment, complex test wiring, low work efficiency, high cost and low  integration, which are difficult to meet the requirements of high voltage signal source  evaluation. In view of this situation, based on the study of high voltage signal measurement,  this paper designs a device for the comprehensive measurement of ac/DC voltage, current and  frequency of the high voltage signal output by the electrical safety tester, which will have great  significance for the comprehensive evaluation of digital high voltage meter equipment.

　　This paper firstly designs a high performance system structure according to the function of  the system, and then designs the system according to the designed structure. This system adopts  two channels to measure separately, two channels are composed of high voltage attenuation  circuit and current/voltage conversion circuit. Since the system measures high voltage, there  must be a peripheral circuit that attenuates the high voltage and converts its output voltage to  the input voltage range acceptable to the ADC. Because of the interference of various noises,  input signals will be distorted in the process of transmission, so it is necessary to add a filter  circuit after the high voltage attenuation circuit for filtering. The filtering effect by using  hardware alone is not ideal, so this paper adopts the way of combining software with hardware  to filter. In order to make better frequency measurement, it is necessary to add a shaping circuit  after the filter circuit. Data collection is carried out by FPGA control ADC, and then the  collected data is cached through FIFO and transmitted to SCM, which processes and displays  the data.

　　After testing, the digital high-voltage meter based on FPGA and SINGLE-chip  microcomputer is used to separately measure the AC/DC voltage, current and frequency  parameters of the high-voltage signal. The measurement results meet the set index requirements  and achieve the expected function.

　　Key Words: FPGA microcontroller digital high voltage meter high voltage measurement

目 录

　　第 1 章 绪论

　　1.1 课题的研究背景及意义

　　随着电能的发现和使用，它逐渐成为人类生活必不可缺的一部分，它给人们生活带来了极大好处的同时也存在着一些潜在的危险。电气设备进行安全测试是我国电气设备安全规范的强制性检验内容，对保障设备正常工作和使用者的人身安全都具有重大的意义。

　　绝缘耐压、泄漏电流、接地电阻与绝缘电阻测试是电气安全测试的重要组成部分[1],其中绝缘耐压与绝缘电阻测试是最广泛的测试内容，测试的原理为将高压信号源产生的交直流高压信号施加到被测品上，通过测量回路电流从而判断被测物的绝缘性能。在现场绝缘试验实施导则和工业机械电气设备中分别对于交流耐压试验和绝缘电阻试验的激励信号源有明确的的要求。由于现阶段我国的测试仪器及仪器制造水平还有待提高，这就导致了高压源输出的信号质量与理想值存在较大的偏差，进而影响测量结果的可信度。因此设计一款精度高且性能好的数字高压表对电气测量仪的激励信号进行综合测量，对电气安全测试的性能评估具有极大的意义。

　　常规的电气安全测试电压一般不会超过 20KV ,交直流输出电压、击穿报警电流、交直流输出电压的失真度、直流输出电压的纹波系数和频谱等是对电压源输出信号进行检定的项目[2].传统的测量方案通常使用数字多用表、失真度分析仪和示波器等仪器设备对相应参数进行测量。此方案需要的设备种类较多、测试接线较为复杂、工作效率低、成本高且集成度低，难以满足高压信号源评估的需求。针对这一现状，本课题在高压信号测量的研究基础上设计一台用于对电气安全测试仪输出的高压信号交直流电压、电流和频率进行综合测量的设备。

　　1.2 国内外发展现状及发展趋势

　　在我国快速发展的同时对资源的利用和环境的保护也极为重视，走一条可持续发展的道路需要选择对环保和节能资源的利用是非常重要的一部分。随着光伏、充电桩等新能源应用的增多，国家对需要这些行业的电气安全规范制定相应的标准。其中耐压测试就作为一个重要的部分，几乎在每一个安全规范标准中都会被使用。

　　耐压测试对被测仪器是没有任何破坏性影响，主要是检测检测在瞬态高压下产品的绝缘性是否符合标准，同时也可以检测出仪器存在的一些缺陷。最初生产的耐压仪由市电转换而来的电压进行测试，由于市电具有波动性，所以为了保证测试电压满足要求则需要将输出电压提升百分之二十。同时安规中规定所有的耐压测试仪的容量不得低于 500VA 的容量，这么高容量的仪器对于操作人员来说存在着一定的危险。随着新型耐压仪的出现，旧的耐压仪安规标准已不再适用。

　　为了较好的衡量电气安全测试仪输出信号质量的好坏，需要对高压信号源的交直流电压、电流和频率进行准确的测量。现如今常用的高压信号检测原理主要有如几种：

　　（1）基于放电球隙的高压测量法。对两金属球施加测量高压，通过测量其放电间隙大小完成高压测量。该方法结构简单，能实现几千伏的超高压测量，但其受空气影响较大，精度较低。

　　（2）基于高压静电的高压测量法。对两个电极施加高压，通过测量静电力造成的极板间的偏转或位移来实现高压测量。该方法量程从几百伏到一千千伏左右，输入阻抗高，必须在稳态时进行测量，受外界机械振动影响较大。

　　（3）基于高压互感器的高压测量法。通过互感器转换将待测交流高压转换为低压进行测量。该方法测量频宽有限，体积大，不能检测直流信号，但能够实现安全的隔离测试。

　　（4）基于分压器的高压测量法。利用分压原理将高电压信号转为低电压信号输出，电容分压、电阻分压与阻容分压是常用的几种分压方式。该方法能够直接测量高压信号，量程从低压到几千伏，动态特性好，一个良好的分压器设计，能够在大带宽下实现不失真测量且精度高。

　　目前常用的高压过渡过程测量为使用高压探头将高压信号衰减为低压信号，并由示波器显示和测量[3].这种方法不但对分辨率的要求较高，而且不能实现动态测试的需求。

　　如今国内外高压测量设备生产商主要有美国 Vitrek、日本 KIKUSUI、台湾 Chroma 和深圳美瑞克等，其中美国 Vitrek 的 4700 系列高压表通过使用不同的探头实现高精度宽量程的高压测量，不同的探头类型对应不同的精度，精度范围为 0.03%~0.5%.为了保证带宽采用 DSP 对测量数据计算，从而减小硬件带来的误差。测量功能有电压有效值、平均值、频率。日本的 149-10A 测量范围为 0.5KV-14KV,在电压表测量之前需先经过分压器分压。直流信号可直接对其进行测量，而交流信号需通过有效值电路后测量，其测量精度为直流示值的 0.5%,交流示值的 1%.

　　与国外先进水平先比，国内相关测试设备还有很大的提升空间如：

　　（1）仪器测量范围较窄；国内为 500V~10KV,而国际上最高能达到 100KV. （2）仪器测量精度较低；误差在示值的 1%左右，而国际上最高的能达到示值的0.03%.

　　现阶段国内高压表普遍具有如不足：仪器带宽低、只能对直流电压和工频交流电流测量、测试参数不多、测量精度较低和不具备对测量波形进行显示的功能。

　　1.3 课题研究的主要内容

　　本课题主要解决的关键问题如下所示：

　　（1）高性能系统框架的研究；根据高压表所实现的功能将系统结构化分为六个模块，相邻模块间通过硬件进行相连且各个模块间相互影响。基于高压信号测量的研究基础上，选用性价比高的硬件和设计稳定高效的硬件电路来设计高性能的系统结构。

　　（2）高压测量法的研究；通过对比现阶段高压测量的方法，从中选取最合适的一种作为本课题的高压测量方法，并对电路进行设计仿真与实现。

　　（3）主控制器软硬件的设计；根据所处理的任务不同，主控制器的核心是由FPGA和单片机两部分组成。其中FPGA实现高速数据采集[4],完成对时延要求较高的任务，而单片机主要完成对时延要求不高的任务以控制整个系统为主。高压检测电路和电流/电压电路将输入的高电压信号转换为满足模拟转换器输入的低压信号，通过信号调理和信号整形电路对输入的信号进行干扰抑制。

　　（4）数据测量算法的研究与设计；对频率测量的算法、等周期采样算法和电流/电压参数测量算法进行研究与设计。

　　1.4 论文章节结构

　　根据对"数字高压表"主要解决的关键问题进行分析，本论文各章节内容安排如下所示：

　　第 1 章 绪论本章节首要介绍了"基于 FPGA 与单片机的数字高压表"设计的研究背景及其研究意义，然后介绍了目前国内外在这方面的研究现状以及未来几年所能达到的水平。在以上分析的基础上，介绍本课题需解决的关键问题。

　　第 2 章 系统设计方案本章介绍了数字高压表系统的指标要求，在系统指标要求的基础上设计的系统结构由六大模块组成，并分别对这六个模块所实现的功能及原理进行介绍。

　　第 3 章 高压检测及调理电路设计设计高压衰减电路与电流/电压转换模块将输入的高电压信号和输入的电流信号经过衰减之后转换为可以作为 ADC 输入的电压信号[5],由于外界或器件内部产生的干扰波形将发生失真，故设计调理电路对信号进行滤波。

　　第 4 章 高压表硬件电路设计本章介绍了高压表硬件的选型，对主控制器进行总体设计并根据硬件所实现的功能不同分模块设计不同的硬件电路，最后将各个模块整合绘制出总体设计图。

　　第 5 章 高压表软件设计在高压表硬件电路设计的基础上，为了使高压表系统在预期的时间内实现对应的功能，需要通过编程分别对主控制器模块进行软件设计。使用 MATLAB 与 FPGA 联级的方法设计数字滤波器将 MATLAB 输出的滤波衰减系数作为 FPGA 调用 fir IP 核的依据，经过量化后的 16 位数据作为 fir 数字滤波器仿真的数据输入，最后对滤波前后波形进行对比验证是否符合预期要求。

　　第 6 章 系统测试与分析本章使用标准源作为信号的输入，分别对输出信号的交直流电压、交直流电流和频率进行测量，综合对比测试数据与系统指标要求从而判断所设计的高压表系统是否达标。

　　第 7 章 结论本章是对本文所做工作的总结及创新点的介绍，之处在设计高压表系统中存在的不足之处并提出一些方法进行改进。
 

　　第 2 章 系统设计方案

　　2.1 系统总体设计方案

　　2.2 系统指标要求

　　2.3 本章小结

　　第 3 章 高压检测及调理电路设计

　　3.1 高压检测模块设计

　　3.1.1 高压检测电路设计

　　3.1.2 电压分压器电路设计

　　3.2 电流信号/电压信号转换模块设计

　　3.2.1 电流/电压检测电路设计

　　3.2.2 隔离电路设计

　　3.3 信号调理电路设计

　　3.3.2 信号滤波电路设计

　　3.3.3 反向放大电路设计

　　3.4 信号整形电路设计

　　3.5 本章小结

　　第 4 章 高压表硬件电路设计

　　4.1 高压表硬件选型

　　4.1.1 FPGA 选型

　　4.1.2 ADC 选型

　　4.1.3 MCU 选型

　　4.2 主控制器的总体设计

　　4.3 FPGA 的硬件电路设计

　　4.3.1 ADC 与 FPGA 电路设计

　　4.3.2 电源电路设计

　　4.3.3 外部时钟电路设计

　　4.3.4 FPGA 与 MCU 通信接口设计

　　4.3.5 调试接口电路设计

　　4.4 MCU 的电路设计

　　4.4.1 液晶显示接口设计

　　4.4.2 液晶显示接口读写时序

　　4.4.3 上位机接口设计

　　4.4.4 键盘模块设计

　　4.4.5 FLASH 的接口设计

　　4.5 本章小结

　　第 5 章 高压表软件设计

　　5.1 ADC 模块设计

　　5.1.1 ADC 数据采集

　　5.1.2 ADC 接口时序设计

　　5.1.3 ADC 外部接口 RTL 图

　　5.2 系统模块设计

　　5.2.1 按键输入模块

　　5.2.2 通道选择模块

　　5.2.3 ADC 控制模块

　　5.2.4 数据预处理模块

　　5.2.5 数据缓存模块

　　5.2.6 频率测量模块

　　5.2.7 主控制器通信接口模块

　　5.2.8 采样时钟生成模块

　　5.2.9 数字滤波器模块

　　5.2.10 顶层设计及仿真

　　5.3 单片机模块软件设计

　　5.3.1 数据测量控制模块

　　5.3.2 Flash 模块

　　5.3.3 液晶显示模块

　　5.3.4 上位机通信模块

　　5.4 本章小结

　　第 6 章 系统测试与分析

　　6.1 电压性能测试

　　6.2 电流性能测试

　　6.3 频率性能测试

　　6.4 本章小结

结论

　　对电气设备进行安全测试是我国电气设备安全规范的强制性检验内容，对高压信号源产生的信号质量进行检测是检测内容之一。本课题针对现阶段我国传统的测量方案需要的设备种类较多、测试接线较为复杂、工作效率低、成本高且集成度低等缺点，难以满足高压信号源评估的需求。故本文设计一台可进行多参数测试并对数据分析验证的设备，从而实现高压信号源质量的评估。在高压信号测量的研究基础上，完成了高压衰减外围电路的设计，完成了高压表软硬件的设计并对系统进行调试，通过对数据测试与验证证明该系统满足设计的要求。本论文主要完成的工作概括为如几点：

　　对系统总体方案和系统指标进行设计。其中系统总体方案主要由六大模块组成，系统指标主要由电压测量、电流测量和其他功能指标组成。

　　完成了高压检测及调理电路的设计。由于输入的电压值范围比较高，所以需要通过高压衰减电路进行高压到低压的转换。信号在传输过程中会受到外接或器件内部的噪声干扰使信号波形产生失真，所以需要设计信号调理电路进行滤波后作为 ADC 的输入进行数据采集。

　　完成了高压表的硬件电路设计。首先对 ADC、FPGA 和单片机进行选型，通过设计的系统指标及成本等因素的综合分析选择合适的器件。其次对主控制器（FPGA+单片机）的原理框图进行设计，FPGA 实现对实时性要求较高的工作，单片机实现与 PC 机通信，液晶显示等功能。根据所实现的功能不同，分别对各个模块的硬件电路进行设计。

　　完成了高压表软件的设计。首先对 ADC 模块的时序进行分析并选择合适的数据采集方案，根据时序图确定不同计数器值对应的信号状态，通过 SPI 接口与FPGA 实现通信。其次分别对不同模块进行程序编写实现不同的功能并通过相应的接口实现各模块间相互通信。最后使用 Keil 软件对单片机进行编程通过 FMSC接口与 FPGA 进行数据交换并实现与上位机的通信，以达到对整个系统的运行进行控制的功能。本文的创新点主要是由高压信号测量、多参量指标和高精度三部分组成。

　　本系统虽然完成了预定的任务，但还存在着许多不足和可以优化的地方：

　　（1）500MΩ 的高值电阻没有进行隔离，在测试中产生的信号不太稳定应添加隔离装置。随着长时间的测试，电阻值的温度升高将产生温漂影响测试结果的精度，需要添加风扇或者散热片来降低电阻的温度。

　　（2）没有对仪器在不同环境下工作的性能进行测试，测试条件不够全面，应在不同温湿度下对仪器进行长时间测试综合分析是否满足应用的标准，根据不同温湿度条件下对测试的数据进行分析并对系统进行改进

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　　致 谢

　　本论文是在校内导师王宏宇副教授和校外导师曾亮高工悉心指导下共同完成的，在此对他们表示衷心的感谢！在论文的写作过程中遇到了很多的问题，当我不知道如何解决的时候都是导师及时给与正确的指导才能使这些问题都能一一得到解决。从导师深厚的专业功底、严谨的治学态度、严于律己的崇尚风范、平易近人的人格魅力中不仅使我掌握了基本的研究方法，而且从中学到了很多做人的道理，对于我在以后的工作和学习中具有深远的影响。

　　同时也要感谢胡辉老师和崔瑞雪老师在系统测试与调试过程中提供的实验条件及给予的帮助，他们对于我测试的数据结果进行分析从中找出存在的问题并提供了一些解决的方案。在此对两位老师的指导与帮助表示由衷的感谢！

　　此外要感谢实验室的顾俊杰和杨雪凯同学，他们在我论文研究遇到困难或陷入困境时给予我的帮助和鼓励支持我继续前进，同时也祝愿他们在生活和学习上能够一切顺利，实现自己的理想与追求。

　　其次感谢我的父母对我学习的大力支持，没有他们的支持就没有我现在取得的成绩。他们是我人生中最重要的一部分，在我遇到困难时总是无条件的给予帮助，感谢他们对我的养育之恩。我一定会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的期望。

　　最后我要向评阅本论文的专家表示深深的感谢，谢谢您能够在百忙之中对我的论文进行评阅

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