摘 要

　　隨著(zhù)社會(huì )的不斷發(fā)展電氣安全測試設備得到了廣泛的應用，電氣安全測試儀的輸出信號作為標準源輸入時(shí)對于數據測試結果有很大的影響。傳統的測量方案需要的設備種類(lèi)較多、測試接線(xiàn)較為復雜、工作效率低、成本高且集成度低，難以滿(mǎn)足高壓信號源評估的需求。針對這一現狀，本課題在高壓信號測量的研究基礎上設計一臺用于對電氣安全測試儀輸出的高壓信號交直流電壓、電流和頻率進(jìn)行綜合測量的設備，這將對綜合評估數字高壓表設備具有重大的意義。

　　本論文首先根據系統所要實(shí)現的功能，設計一個(gè)高性能的系統結構，然后根據所設計的結構分模塊對系統進(jìn)行設計。本文由高壓衰減電路和電流/電壓轉換電路組成的雙通道輸入，可分別對信號進(jìn)行測量。由于系統測量的對象是高壓，所以必須有對高壓進(jìn)行衰減的外圍電路并將其輸出電壓轉換為 ADC 所能接受的輸入電壓范圍。因為各種噪聲的干擾，輸入信號在傳輸的過(guò)程中會(huì )發(fā)生失真，所以需要在高壓衰減電路之后添加濾波電路進(jìn)行濾波。由于硬件濾波的方式不足以滿(mǎn)足要求，故在高壓表軟件設計時(shí)使用數字濾波的方式提高信號質(zhì)量。為了進(jìn)行更好的頻率測量，需要在濾波電路后增加一級整形電路。通過(guò) FPGA控制 ADC 進(jìn)行數據采集，然后將采集到的數據經(jīng)過(guò) fifo 進(jìn)行緩存并傳輸到單片機，最后單片機對數據進(jìn)行處理并顯示。

　　經(jīng)過(guò)測試，本課題研究的基于 FPGA 與單片機的數字高壓表對高壓信號的交直流電壓、電流和頻率參數的分別測量，測量結果滿(mǎn)足設定的指標要求，實(shí)現了預期的功能。

　　關(guān)鍵詞：FPGA 單片機 數字高壓表 高壓測量

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 錄

　　第 1 章 緒論

　　1.1 課題的研究背景及意義

　　隨著(zhù)電能的發(fā)現和使用，它逐漸成為人類(lèi)生活必不可缺的一部分，它給人們生活帶來(lái)了極大好處的同時(shí)也存在著(zhù)一些潛在的危險。電氣設備進(jìn)行安全測試是我國電氣設備安全規范的強制性檢驗內容，對保障設備正常工作和使用者的人身安全都具有重大的意義。

　　絕緣耐壓、泄漏電流、接地電阻與絕緣電阻測試是電氣安全測試的重要組成部分[1],其中絕緣耐壓與絕緣電阻測試是最廣泛的測試內容，測試的原理為將高壓信號源產(chǎn)生的交直流高壓信號施加到被測品上，通過(guò)測量回路電流從而判斷被測物的絕緣性能。在現場(chǎng)絕緣試驗實(shí)施導則和工業(yè)機械電氣設備中分別對于交流耐壓試驗和絕緣電阻試驗的激勵信號源有明確的的要求。由于現階段我國的測試儀器及儀器制造水平還有待提高，這就導致了高壓源輸出的信號質(zhì)量與理想值存在較大的偏差，進(jìn)而影響測量結果的可信度。因此設計一款精度高且性能好的數字高壓表對電氣測量?jì)x的激勵信號進(jìn)行綜合測量，對電氣安全測試的性能評估具有極大的意義。

　　常規的電氣安全測試電壓一般不會(huì )超過(guò) 20KV ,交直流輸出電壓、擊穿報警電流、交直流輸出電壓的失真度、直流輸出電壓的紋波系數和頻譜等是對電壓源輸出信號進(jìn)行檢定的項目[2].傳統的測量方案通常使用數字多用表、失真度分析儀和示波器等儀器設備對相應參數進(jìn)行測量。此方案需要的設備種類(lèi)較多、測試接線(xiàn)較為復雜、工作效率低、成本高且集成度低，難以滿(mǎn)足高壓信號源評估的需求。針對這一現狀，本課題在高壓信號測量的研究基礎上設計一臺用于對電氣安全測試儀輸出的高壓信號交直流電壓、電流和頻率進(jìn)行綜合測量的設備。

　　1.2 國內外發(fā)展現狀及發(fā)展趨勢

　　在我國快速發(fā)展的同時(shí)對資源的利用和環(huán)境的保護也極為重視，走一條可持續發(fā)展的道路需要選擇對環(huán)保和節能資源的利用是非常重要的一部分。隨著(zhù)光伏、充電樁等新能源應用的增多，國家對需要這些行業(yè)的電氣安全規范制定相應的標準。其中耐壓測試就作為一個(gè)重要的部分，幾乎在每一個(gè)安全規范標準中都會(huì )被使用。

　　耐壓測試對被測儀器是沒(méi)有任何破壞性影響，主要是檢測檢測在瞬態(tài)高壓下產(chǎn)品的絕緣性是否符合標準，同時(shí)也可以檢測出儀器存在的一些缺陷。最初生產(chǎn)的耐壓儀由市電轉換而來(lái)的電壓進(jìn)行測試，由于市電具有波動(dòng)性，所以為了保證測試電壓滿(mǎn)足要求則需要將輸出電壓提升百分之二十。同時(shí)安規中規定所有的耐壓測試儀的容量不得低于 500VA 的容量，這么高容量的儀器對于操作人員來(lái)說(shuō)存在著(zhù)一定的危險。隨著(zhù)新型耐壓儀的出現，舊的耐壓儀安規標準已不再適用。

　　為了較好的衡量電氣安全測試儀輸出信號質(zhì)量的好壞，需要對高壓信號源的交直流電壓、電流和頻率進(jìn)行準確的測量。現如今常用的高壓信號檢測原理主要有如幾種：

　　（1）基于放電球隙的高壓測量法。對兩金屬球施加測量高壓，通過(guò)測量其放電間隙大小完成高壓測量。該方法結構簡(jiǎn)單，能實(shí)現幾千伏的超高壓測量，但其受空氣影響較大，精度較低。

　　（2）基于高壓靜電的高壓測量法。對兩個(gè)電極施加高壓，通過(guò)測量靜電力造成的極板間的偏轉或位移來(lái)實(shí)現高壓測量。該方法量程從幾百伏到一千千伏左右，輸入阻抗高，必須在穩態(tài)時(shí)進(jìn)行測量，受外界機械振動(dòng)影響較大。

　　（3）基于高壓互感器的高壓測量法。通過(guò)互感器轉換將待測交流高壓轉換為低壓進(jìn)行測量。該方法測量頻寬有限，體積大，不能檢測直流信號，但能夠實(shí)現安全的隔離測試。

　　（4）基于分壓器的高壓測量法。利用分壓原理將高電壓信號轉為低電壓信號輸出，電容分壓、電阻分壓與阻容分壓是常用的幾種分壓方式。該方法能夠直接測量高壓信號，量程從低壓到幾千伏，動(dòng)態(tài)特性好，一個(gè)良好的分壓器設計，能夠在大帶寬下實(shí)現不失真測量且精度高。

　　目前常用的高壓過(guò)渡過(guò)程測量為使用高壓探頭將高壓信號衰減為低壓信號，并由示波器顯示和測量[3].這種方法不但對分辨率的要求較高，而且不能實(shí)現動(dòng)態(tài)測試的需求。

　　如今國內外高壓測量設備生產(chǎn)商主要有美國 Vitrek、日本 KIKUSUI、臺灣 Chroma 和深圳美瑞克等，其中美國 Vitrek 的 4700 系列高壓表通過(guò)使用不同的探頭實(shí)現高精度寬量程的高壓測量，不同的探頭類(lèi)型對應不同的精度，精度范圍為 0.03%~0.5%.為了保證帶寬采用 DSP 對測量數據計算，從而減小硬件帶來(lái)的誤差。測量功能有電壓有效值、平均值、頻率。日本的 149-10A 測量范圍為 0.5KV-14KV,在電壓表測量之前需先經(jīng)過(guò)分壓器分壓。直流信號可直接對其進(jìn)行測量，而交流信號需通過(guò)有效值電路后測量，其測量精度為直流示值的 0.5%,交流示值的 1%.

　　與國外先進(jìn)水平先比，國內相關(guān)測試設備還有很大的提升空間如：

　　（1）儀器測量范圍較窄；國內為 500V~10KV,而國際上最高能達到 100KV.

　　（2）儀器測量精度較低；誤差在示值的 1%左右，而國際上最高的能達到示值的0.03%.

　　現階段國內高壓表普遍具有如不足：儀器帶寬低、只能對直流電壓和工頻交流電流測量、測試參數不多、測量精度較低和不具備對測量波形進(jìn)行顯示的功能。

　　1.3 課題研究的主要內容

　　本課題主要解決的關(guān)鍵問(wèn)題如下所示：

　　（1）高性能系統框架的研究；根據高壓表所實(shí)現的功能將系統結構化分為六個(gè)模塊，相鄰模塊間通過(guò)硬件進(jìn)行相連且各個(gè)模塊間相互影響。基于高壓信號測量的研究基礎上，選用性?xún)r(jià)比高的硬件和設計穩定高效的硬件電路來(lái)設計高性能的系統結構。

　　（2）高壓測量法的研究；通過(guò)對比現階段高壓測量的方法，從中選取最合適的一種作為本課題的高壓測量方法，并對電路進(jìn)行設計仿真與實(shí)現。

　　（3）主控制器軟硬件的設計；根據所處理的任務(wù)不同，主控制器的核心是由FPGA和單片機兩部分組成。其中FPGA實(shí)現高速數據采集[4],完成對時(shí)延要求較高的任務(wù)，而單片機主要完成對時(shí)延要求不高的任務(wù)以控制整個(gè)系統為主。高壓檢測電路和電流/電壓電路將輸入的高電壓信號轉換為滿(mǎn)足模擬轉換器輸入的低壓信號，通過(guò)信號調理和信號整形電路對輸入的信號進(jìn)行干擾抑制。

　　（4）數據測量算法的研究與設計；對頻率測量的算法、等周期采樣算法和電流/電壓參數測量算法進(jìn)行研究與設計。

　　1.4 論文章節結構

　　根據對"數字高壓表"主要解決的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析，本論文各章節內容安排如下所示：

　　第 1 章 緒論本章節首要介紹了"基于 FPGA 與單片機的數字高壓表"設計的研究背景及其研究意義，然后介紹了目前國內外在這方面的研究現狀以及未來(lái)幾年所能達到的水平。在以上分析的基礎上，介紹本課題需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　第 2 章 系統設計方案本章介紹了數字高壓表系統的指標要求，在系統指標要求的基礎上設計的系統結構由六大模塊組成，并分別對這六個(gè)模塊所實(shí)現的功能及原理進(jìn)行介紹。

　　第 3 章 高壓檢測及調理電路設計設計高壓衰減電路與電流/電壓轉換模塊將輸入的高電壓信號和輸入的電流信號經(jīng)過(guò)衰減之后轉換為可以作為 ADC 輸入的電壓信號[5],由于外界或器件內部產(chǎn)生的干擾波形將發(fā)生失真，故設計調理電路對信號進(jìn)行濾波。

　　第 4 章 高壓表硬件電路設計本章介紹了高壓表硬件的選型，對主控制器進(jìn)行總體設計并根據硬件所實(shí)現的功能不同分模塊設計不同的硬件電路，最后將各個(gè)模塊整合繪制出總體設計圖。

　　第 5 章 高壓表軟件設計在高壓表硬件電路設計的基礎上，為了使高壓表系統在預期的時(shí)間內實(shí)現對應的功能，需要通過(guò)編程分別對主控制器模塊進(jìn)行軟件設計。使用 MATLAB 與 FPGA 聯(lián)級的方法設計數字濾波器將 MATLAB 輸出的濾波衰減系數作為 FPGA 調用 fir IP 核的依據，經(jīng)過(guò)量化后的 16 位數據作為 fir 數字濾波器仿真的數據輸入，最后對濾波前后波形進(jìn)行對比驗證是否符合預期要求。

　　第 6 章 系統測試與分析本章使用標準源作為信號的輸入，分別對輸出信號的交直流電壓、交直流電流和頻率進(jìn)行測量，綜合對比測試數據與系統指標要求從而判斷所設計的高壓表系統是否達標。

　　第 7 章 結論本章是對本文所做工作的總結及創(chuàng )新點(diǎn)的介紹，之處在設計高壓表系統中存在的不足之處并提出一些方法進(jìn)行改進(jìn)。

　　第 2 章 系統設計方案

　　2.1 系統總體設計方案

　　2.2 系統指標要求

　　2.3 本章小結

　　第 3 章 高壓檢測及調理電路設計

　　3.1 高壓檢測模塊設計

　　3.1.1 高壓檢測電路設計

　　3.1.2 電壓分壓器電路設計

　　3.2 電流信號/電壓信號轉換模塊設計

　　3.2.1 電流/電壓檢測電路設計

　　3.2.2 隔離電路設計

　　3.3 信號調理電路設計

　　3.3.1 儀表放大電路設計

　　3.3.2 信號濾波電路設計

　　3.3.3 反向放大電路設計

　　3.4 信號整形電路設計

　　3.5 本章小結

　　第 4 章 高壓表硬件電路設計

　　4.1 高壓表硬件選型

　　4.1.1 FPGA 選型

　　4.1.2 ADC 選型

　　4.1.3 MCU 選型

　　4.2 主控制器的總體設計

　　4.3 FPGA 的硬件電路設計

　　4.3.1 ADC 與 FPGA 電路設計

　　4.3.2 電源電路設計

　　4.3.3 外部時(shí)鐘電路設計

　　4.3.4 FPGA 與 MCU 通信接口設計

　　4.3.5 調試接口電路設計

　　4.4 MCU 的電路設計

　　4.4.1 液晶顯示接口設計

　　4.4.2 液晶顯示接口讀寫(xiě)時(shí)序

　　4.4.3 上位機接口設計

　　4.4.4 鍵盤(pán)模塊設計

　　4.4.5 FLASH 的接口設計

　　4.5 本章小結

　　第 5 章 高壓表軟件設計

　　5.1 ADC 模塊設計

　　5.1.1 ADC 數據采集

　　5.1.2 ADC 接口時(shí)序設計

　　5.1.3 ADC 外部接口 RTL 圖

　　5.2 系統模塊設計

　　5.2.1 按鍵輸入模塊

　　5.2.2 通道選擇模塊

　　5.2.3 ADC 控制模塊

　　5.2.4 數據預處理模塊

　　5.2.5 數據緩存模塊

　　5.2.6 頻率測量模塊

　　5.2.7 主控制器通信接口模塊

　　5.2.8 采樣時(shí)鐘生成模塊

　　5.2.9 數字濾波器模塊

　　5.2.10 頂層設計及仿真

　　5.3 單片機模塊軟件設計

　　5.3.1 數據測量控制模塊

　　5.3.2 Flash 模塊

　　5.3.3 液晶顯示模塊

　　5.3.4 上位機通信模塊

　　5.4 本章小結

　　第 6 章 系統測試與分析

　　6.1 電壓性能測試

　　6.2 電流性能測試

　　6.3 頻率性能測試

　　6.4 本章小結

結論

　　對電氣設備進(jìn)行安全測試是我國電氣設備安全規范的強制性檢驗內容，對高壓信號源產(chǎn)生的信號質(zhì)量進(jìn)行檢測是檢測內容之一。本課題針對現階段我國傳統的測量方案需要的設備種類(lèi)較多、測試接線(xiàn)較為復雜、工作效率低、成本高且集成度低等缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足高壓信號源評估的需求。故本文設計一臺可進(jìn)行多參數測試并對數據分析驗證的設備，從而實(shí)現高壓信號源質(zhì)量的評估。在高壓信號測量的研究基礎上，完成了高壓衰減外圍電路的設計，完成了高壓表軟硬件的設計并對系統進(jìn)行調試，通過(guò)對數據測試與驗證證明該系統滿(mǎn)足設計的要求。本論文主要完成的工作概括為如幾點(diǎn)：

　　對系統總體方案和系統指標進(jìn)行設計。其中系統總體方案主要由六大模塊組成，系統指標主要由電壓測量、電流測量和其他功能指標組成。

　　完成了高壓檢測及調理電路的設計。由于輸入的電壓值范圍比較高，所以需要通過(guò)高壓衰減電路進(jìn)行高壓到低壓的轉換。信號在傳輸過(guò)程中會(huì )受到外接或器件內部的噪聲干擾使信號波形產(chǎn)生失真，所以需要設計信號調理電路進(jìn)行濾波后作為 ADC 的輸入進(jìn)行數據采集。

　　完成了高壓表的硬件電路設計。首先對 ADC、FPGA 和單片機進(jìn)行選型，通過(guò)設計的系統指標及成本等因素的綜合分析選擇合適的器件。其次對主控制器（FPGA+單片機）的原理框圖進(jìn)行設計，FPGA 實(shí)現對實(shí)時(shí)性要求較高的工作，單片機實(shí)現與 PC 機通信，液晶顯示等功能。根據所實(shí)現的功能不同，分別對各個(gè)模塊的硬件電路進(jìn)行設計。

　　完成了高壓表軟件的設計。首先對 ADC 模塊的時(shí)序進(jìn)行分析并選擇合適的數據采集方案，根據時(shí)序圖確定不同計數器值對應的信號狀態(tài)，通過(guò) SPI 接口與FPGA 實(shí)現通信。其次分別對不同模塊進(jìn)行程序編寫(xiě)實(shí)現不同的功能并通過(guò)相應的接口實(shí)現各模塊間相互通信。最后使用 Keil 軟件對單片機進(jìn)行編程通過(guò) FMSC接口與 FPGA 進(jìn)行數據交換并實(shí)現與上位機的通信，以達到對整個(gè)系統的運行進(jìn)行控制的功能。本文的創(chuàng )新點(diǎn)主要是由高壓信號測量、多參量指標和高精度三部分組成。

　　本系統雖然完成了預定的任務(wù)，但還存在著(zhù)許多不足和可以?xún)?yōu)化的地方：

　　（1）500MΩ 的高值電阻沒(méi)有進(jìn)行隔離，在測試中產(chǎn)生的信號不太穩定應添加隔離裝置。隨著(zhù)長(cháng)時(shí)間的測試，電阻值的溫度升高將產(chǎn)生溫漂影響測試結果的精度，需要添加風(fēng)扇或者散熱片來(lái)降低電阻的溫度。

　　（2）沒(méi)有對儀器在不同環(huán)境下工作的性能進(jìn)行測試，測試條件不夠全面，應在不同溫濕度下對儀器進(jìn)行長(cháng)時(shí)間測試綜合分析是否滿(mǎn)足應用的標準，根據不同溫濕度條件下對測試的數據進(jìn)行分析并對系統進(jìn)行改進(jìn)。

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致 謝

　　本論文是在校內導師王宏宇副教授和校外導師曾亮高工悉心指導下共同完成的，在此對他們表示衷心的感謝！在論文的寫(xiě)作過(guò)程中遇到了很多的問(wèn)題，當我不知道如何解決的時(shí)候都是導師及時(shí)給與正確的指導才能使這些問(wèn)題都能一一得到解決。從導師深厚的專(zhuān)業(yè)功底、嚴謹的治學(xué)態(tài)度、嚴于律己的崇尚風(fēng)范、平易近人的人格魅力中不僅使我掌握了基本的研究方法，而且從中學(xué)到了很多做人的道理，對于我在以后的工作和學(xué)習中具有深遠的影響。

　　同時(shí)也要感謝胡輝老師和崔瑞雪老師在系統測試與調試過(guò)程中提供的實(shí)驗條件及給予的幫助，他們對于我測試的數據結果進(jìn)行分析從中找出存在的問(wèn)題并提供了一些解決的方案。在此對兩位老師的指導與幫助表示由衷的感謝！

　　此外要感謝實(shí)驗室的顧俊杰和楊雪凱同學(xué)，他們在我論文研究遇到困難或陷入困境時(shí)給予我的幫助和鼓勵支持我繼續前進(jìn)，同時(shí)也祝愿他們在生活和學(xué)習上能夠一切順利，實(shí)現自己的理想與追求。

　　其次感謝我的父母對我學(xué)習的大力支持，沒(méi)有他們的支持就沒(méi)有我現在取得的成績(jì)。他們是我人生中最重要的一部分，在我遇到困難時(shí)總是無(wú)條件的給予幫助，感謝他們對我的養育之恩。我一定會(huì )更加努力的學(xué)習和工作，不辜負父母對我的期望。

　　最后我要向評閱本論文的專(zhuān)家表示深深的感謝，謝謝您能夠在百忙之中對我的論文進(jìn)行評閱。

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