交流耐压测试装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了交流耐压测试装置，对来自耐压仪设备电压通过电压取样电路进行采样，采样后的电压送入计量装置，计量装置将数据传送至混合处理器，所述混合处理器将数据在显示单元上显示出来；所述电压取样电路采用电阻分压的原理，串联了多个电阻，最末的两个电阻中每个电阻的两端均与对应的电容相并联。本装置首次实现了对耐压仪的精确测量，测量电压高。本发明装置测试电压范围为1000-5000V。装置准确度高。电压显示保留两位小数，精度达到0.1％，漏电流范围在0.05mA—0.25mA。
【专利说明】交流耐压测试装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高压计量的交流耐压测试装置。
【背景技术】
[0002]耐压仪属于测量器具，主要用于电力企业之间、供电企业与用户之间电表、采集器、终端等设备测试的仪器，而标准耐压测试仪及其检定装置又是衡量电表、采集器、终端等设备准确性的重要组成部分。为保证现场测试工作准确无误地顺利开展，交流耐压测试装置显得尤为重要。
[0003]目前国际和国内还没有测试耐压仪准确的测量器具，而交流耐压测试项目是电能表强检项目之一，故对交流耐压仪的准确度提出了更高的要求，因此设计一款准确计量耐压仪的交流耐压测试装置显得特别重要，同时可以满足交流耐压测试装置的潜在市场需求。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术存在的不足，本发明公开了交流耐压测试装置，解决当前电能表做耐压测试过程中耐压仪的准确度无法判定的问题，该测试装置准确度达到0.1 %。装置设计简洁、直观、轻便，方便操作人员接线、测试、读取数据，能够极大的提高耐压测试的可靠性和准确性。
[0005]为实现上述目的，本发明的具体方案如下:
[0006]交流耐压测试装置，对来自耐压仪设备的电压通过电压取样电路进行采样，采样后的电压送入计量装置，计量装置将数据传送至混合处理器，所述混合处理器将数据在显示单元上显示出来；所述电压取样电路采用电阻分压的原理，串联了多个电阻，最末的两个电阻均与对应的电容相并联后接地；
[0007]所述电压取样电路与计量装置的V2N/V2P电压通道相连，利用计量装置的完全差动输入方式，对来自耐压仪的高压信号通过电压取样电路变为幅值为O-1V的交流信号，通过电压通道送入计量装置。
[0008]在测试装置上电或计量装置受干扰复位时，由混合处理器通过SPI 口对校表数据进行更新；SIG信号是用来通知混合处理器的一个握手信号，因此混合处理器对SIG信号进行监控，为使在上电和复位后计量装置能与混合处理器同步进行SPI操作，其复位过程保持RESET信号大于20us低电平，芯片复位，此时SIG输出高电平，然后混合处理器将RESET信号拉高，设定时间后，计量装置完成初始化，SIG输出低电平信号，然后进行SPI操作。
[0009]所述计量装置的RESET端口和混合处理器的SIG输入口均接入去耦电容。
[0010]所述混合处理器还与红外通讯单元、显示单元、存储单元、时钟电路、键盘及电池相连。
[0011]所述计量装置通过SPI接口与混合处理器通讯。
[0012]所述存储单元包括存储芯片AT24LC256和Flash存储器AT45DB161D，用于对数据进行存储。
[0013]所述红外通讯单元包括红外接收单元、红外发送单元及红外唤醒单元。
[0014]所述红外通讯单元初始状态/CVIR为高电平，当有外部红外信号照射时，光敏二极管V8接收光信号导通，三极管VlO的基极为高电平，三极管VlO导通，IR-R变为低电平，此时混合处理器控制/CVIR引脚为低电平，打开接收管VI管脚，VIR为变为高电平，接收光信号，经过调制解调后发出，IR-T管脚由混合处理器控制，产生PWM。
[0015]所述测试装置的外部还包括绝缘外壳。
[0016]本装置利用电阻分压的原理，对来自耐压仪设备(1000V-5000V)电压进行采样，采样电压通过电阻分压电路送入计量芯片ATT7026E中，ATT7026E与MSP430F5438通过SPI接口进行通讯，采样值通过液晶显示出来。
[0017]外部耐压仪电压通过装置外壳的接线端子接入，耐压仪开始工作时，测试装置通过计量电路测出耐压仪的输出电压，通过液晶显示出来。
[0018]混合处理器，通过SPI接口与ATT7026E进行通讯，ATT7026E通过采样电路对取样电压进行计量，计量值通过液晶屏幕显示出来，采样电路通过电阻分压的原理，通过存储芯片AT24LC256和Flash存储器AT45DB161D进行数据存储，当CPU处于低功耗状态时，可通过红外唤醒电表，读取测试记录和时间等，同时通讯也利用红外接收管HM238RL-W进行校表等操作。也可以按键唤醒装置，进行上下翻屏显示。
[0019]由耐压仪发送的高压信号(1000V-5000V)，经电压取样电路I分压后变为幅值在O-1V的电压，通过V2N/V2P管脚送至计量芯片控制电路2，V2N/V2P电压信道的正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常工作最大输入Vpp为± 1.5V，两个引脚内部都有ESD保护电路，最大承受电压为±6V，计量芯片采集到电压值通过SPI串行通信接口送入MCU芯片控制电路3中，计量芯片的SPI接口采用从属方式工作，使用2条控制线和2条数据线:CS、SCLK, DIN和DOUT。MCU控制电路3把采集到的耐压仪上的电压值通过IXD显示电路6显示出来，当需要红外唤醒时，启动红外通讯电路5，红外通讯通过一体化的红外接收器IRM3638L作为接收管，选用高效率的IR7393C作为发射管。每次做耐压实验的数据通过存储器用事件存储下来，事件包含实验时的时间、最大电压值、持续时间，可以分屏显示。存储电路7包含串行E2PR0M和FLASH存储器，串行EEPR0M，存储容量为256Kbit，它与MCU采用I2C接口进行通讯。耐压测试装置一般工作在低功耗状态，做耐压测试时才需要唤醒CPU，打开电源电路。采用电池供电，电池电压由VIN输入，使能端EN置高，经过线性降压芯片LDO后降为5V，达到CPU的工作电压。
[0020]交流耐压测试装置的工作原理:通过电阻分压电路采集耐压仪产生的高压信号，送入计量芯片进行计量，计量芯片与MCU通过SPI接口进行通讯，计量芯片为高精度三相有功无功电能专用计量芯片ATT7026E。ATT7026E集成了六路二阶Σ - Λ ADC,参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。ATT7026E能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。ATT7026A支持电阻网路校表以及软件校表两种方式。电阻网络校表适用于电压通道采用电阻网络取样的系统应用，通过简单的调节电阻网络就可以将系统误差校正在I级表的要求以内。而软件校表是通过相关的校表寄存器对增益、相位进行补偿，可以将系统误差校正在0.5级表的要求以内。有功、无功频率校验输出CF1、CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。ATT7026E内部的电压监控电路可以保证加电和断电时正常工作。ATT7026E片内包含一个(AVcc)电源监控电路，连续对模拟电源进线监控。当电源电压低于4V±5%时,芯片将被复位。这有利于电路上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作。电源监控电路被安排在延时和滤波环节中，这在最大程度上防止有电源噪声引发的错误，为保证芯片正常工作应对电源去耦，使AVcc的波动不超过5V±5%。
[0021]红外通信以红外作为介质来传送数据信息，由红外接收器和红外发射器来完成信号的无线收发。在发射端，对发送的数字信号经适当的编码和调制后，送入电光变换电路，驱动红外二极管发射红外光脉冲，在接收端，红外接收器对收到的红外信号进行光电转换，并进行调制和解码后，恢复原信号。红外发射电路由调制电路、驱动电路及红外发射器件组成，红外接收电路由红外接收器件、前置放大电路、解调电路等构成。
[0022]红外通讯容易受到环境条件的限制及干扰，而采用高发射功率的红外发射管或带有滤光器的接收器可以大大提高通讯的抗干扰能力。本装置设计选用高效率的IR7393C作为发射管，一体化的红外接收器IRM3638L作为接收管。其中，IR7393C的光功率达到150mW，能有效增强红外通讯的抗干扰能力；IRM3638L接收器将光敏二极管、前置放大器和解调器封装为一体，具有接收红外信号、内置信号放大、38kHZ滤波、波形检测输出的作用。
[0023]本方案使用的E2PR0M采用ATMEL公司的AT24LC256，Flash采用ATMEL公司的AT45DB161D Flash存储器，时钟芯片为EPSON公司的RX-8205，LCD液晶为HQ71291-01 (高耐久)。
[0024]本发明的有益效果:
[0025]传统三相电表做耐压试验时，耐压仪的误差较大，精度不高，无法精确测量三相电表所承受的耐压值，耐压实验是电能表实验的强检项目之一，所以耐压测试需要精确测量。本发明采用高精度计量采样芯片，在输入动态工作范围(1000:1)内，非线性测量误差小于
0.1%。计量准确，耐压事件可以查询，可以保存10次耐压事件，采集数据更加可靠。
[0026]1、本装置首次实现了对耐压仪的精确测量，测量电压高。本发明装置测试电压范围为 1000-5000V。
[0027]2、装置准确度高。电压显示保留两位小数，精度达到0.1 %，漏电流范围在
0.05mA一0.25mA。
[0028]3、耐压实验的数据通过存储器用事件存储下来，事件包含实验时的时间、最大电压值、持续时间，可以分屏显示。
[0029]4、装置供电简单，采用电池供电，功耗小，大约为8mA，能够记录I万次以上耐压试验。
[0030]5、装置设计轻便，简洁、直观，有较好的应用推广前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为本发明的耐压测试装置的工作原理框图；
[0032]图2为电阻分压采样电路；
[0033]图3计量芯片ATT7026E单元；
[0034]图4 为 MCU 单元 MSP430F54:38 ；
[0035]图5为红外通讯单元；
[0036]图6液晶显不电路；
[0037]图7存储单元；
[0038]图8电源电路；
[0039]图9时钟电路；
[0040]图中，I高压输入信号，2电压取样电路，3计量芯片ATT7026E，4MCU单元，5红外通讯单元，6显示单元IXD，7存储单元，8时钟电路，9按键，11LD0芯片，12电池。
【具体实施方式】
:
[0041]下面结合附图对本发明进行详细说明:
[0042]如图1所示，交流耐压测试装置，交流耐压仪的高压输入信号I传送至电压取样电路2，电压取样电路2对高压输入信号I进行电压取样，电压取样电路2将取样后的信号传送至计量芯片ATT7026E3，计量芯片ATT7026E3对接受信号进行计量处理后传送至MCU单元4，MSP430F5438, MCU单元4将数据在显示单元IXD6上显示，MCU单元4还与按键9相连，用于接收按键9操作的指令，MCU单元4还与红外通讯单元5、存储单元7及时钟电路8进行通信，MCU单元4及计量芯片ATT7026E3均与LDO芯片11相连，LDO芯片11与电池12相连。
[0043]电压取样电路把采集到的耐压仪高压信号转化为低压信号，送入计量芯片中，计量芯片通过控制芯片进行通讯，采集到的电压值通过液晶电路显示出来，耐压仪发出高压信号作为一个事件通过存储芯片E2PR0M电路存储起来，电源电路包括线性稳压器LDO芯片，工作时打开LDO芯片。
[0044]采用计量芯片的V2N/V2P电压通道，完全差动输入方式，来自耐压仪的高压信号通过电阻分压电路变为幅值为O-1V的交流信号，通过电压通道送入计量芯片。计量芯片的ADC为16位，ADC采样速率可达到3.2KHZ。可以准确采集耐压仪输出的高压信号，误差在
0.1%，同时可以记录高压信号持续的时间，计量芯片采样速度特别快，持续时间记录完整，高压事件通过存储芯片保存下来。
[0045]测试时，交流耐压仪高压侧输出，接在测试装置的强电端子，交流耐压仪低压侧输出，接在测试装置的弱电端子。
[0046]本装置利用电阻分压的原理，对来自耐压仪设备(1000V-5000V)电压进行采样，采样电压通过电阻分压电路送入计量芯片ATT7026E中，ATT7026E与MSP430F5438通过SPI接口进行通讯，采样值通过液晶显示出来。
[0047]图2为电阻分压采样电路，采用电阻分压的原理，串联了 67个300K电阻(20.1M)，本装置中电压通道采用ATT7026E中的V2P/V2N两个引脚。芯片采样电压值范围为0-1V，，外部高压为5000V时采样电压0.25V，外部电压为1000V时采样电压为0.05V，都在采样范围内。串联多个电阻，一是考虑电阻的温漂影响，二是考虑电阻的分压左右，本文选择的电阻在15ppm以下，确保了测量精度。
[0048]图3计量芯片ATT7026E单元，ATT7026E为高精度三相有功无功电能专用计量芯片，ATT7026E集成了六路二阶Σ-AADC，参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。ATT7026E与MCU之间有6条接线，其中4条是SPI通讯接口线CS、SCLK, DIN、DOUT，一条ATT7026E的复位控制线，一条握手信号线SIG。ATT7026E提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递。
[0049]ATT7026E本身SPI读写有很完善的校验手段，但还更需要加强信号线的抗干扰能力，因此在设计中SPI通讯接口连线应尽可能的短些，为使SPI传输信号不受到干扰应在周围用地线包起来。为消除接收信号的高频干扰，可在SPI信号线上串联一个10 Ω的电阻，并在信号输入端加一个去耦电容，这可近似构成一个低通滤波器，去耦电容可适当的选大些，以增强抗干扰能力。SPI接口中CS、SCLK, DIN所串电阻和所并电容要尽量靠近ATT7026E芯片，DOUT端所串电阻和所并电容要靠近MCU。
[0050]在上电或ATT7026E受干扰复位时，必须由外部MCU通过SPI 口对校表数据进行更新，以保证计量的准确性，SIG信号就是用来通知外部MCU的一个握手信号，因此MCU必须对SIG信号进行监控。为使在上电和复位后ATT7026E能与MCU同步进行SPI操作，其复位过程必须保持RESET信号大于20us低电平，芯片复位，此时SIG输出高电平，然后MCU将RESET信号拉高，大约500us，ATT7026E完成初始化，SIG输出低电平信号，此过程之后可进行SPI操作，为增强抗干扰能力在RESET端口和MCU的SIG输入口都应接入0.1uF的去耦电容。
[0051]图4为MCU单元MSP430F5438，作为核心控制芯片，MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)推出的16位超低功耗微控制器，因其具有精简指令集的混合处理器，所以称之为混合处理器。具有以下优点:
[0052](I)处理能力强(2)运算速度快，MSP430系列单片机能在25MHZ晶体的驱动下，实现40nS的指令周期。16位的数据宽度、以及多功能的硬件乘法器，能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。(3)超低功耗，单片机的电源电压采用的是1.8V-3.6V电压，因而可使其在IMHZ的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165uA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.luA。(4)片内资源丰富，256K闪存，16KRAM，12位ADC，4个USCI，32位HW乘法器。
[0053]图5为红外通讯单元，红外通讯单元包括3部分，(一)为红外接收单元，(二)为红外发送单元，(三)为红外唤醒单元。
[0054]针对实现手持调校等功能的需要，系统引入了红外通讯。同时红外通讯容易受到环境条件的限制及干扰，而采用高发射功率的红外发射管或带有滤光器的接收器可以大大提高通讯的抗干扰能力。本装置设计选用高效率的IR7393C作为发射管，一体化的红外接收器IRM3638L作为接收管。其中，IR7393C的光功率达到150mW，能有效增强红外通讯的抗干扰能力；IRM3638L接收器将光敏二极管、前置放大器和解调器封装为一体，具有接收红外信号、内置信号放大、38kHZ滤波、波形检测输出的作用。
[0055]工作原理:初始状态/CVIR为高电平，当有外部红外信号照射时，光敏二极管V8接收光信号导通，VlO的基极为高电平，VlO导通，IR-R变为低电平，此时CPU控制/CVIR引脚为低电平，打开VI管脚，VIR为变为高电平。接收光信号，经过调制解调后发出。IR-T管脚由CPU控制，产生38KHZ的PTOL
[0056]图6液晶显示电路，液晶显示为一块独立的模块，以插件的方式与主板相连，液晶驱动芯片选用BU97950，该芯片支持35*8 = 280段显示驱动，2线串行接口 SCA、SDA,内置液晶驱动电源电路。
[0057]图7存储单元，存储单元包含(一)串行E2PR0M(二)FLASH存储器。串行E2PR0M，作为计量的装置有许多数据如电压电流系数是变动的或可以通过正常手段修改的，但是不能因系统中的干扰而改写，更不能因停电等事件而丢失，因此装置必须满足数据的存储，而串行E2PR0M是本装置适合的器件，本装置使用的是串行EEPR0M，存储容量为256Kbit，它与MCU采用I2C接口进行通讯。电路如图7所示，A0A1A2为地址输入脚，用于多片AT24LC256同时使用时，接相应的高低电平可以作为片选，第7脚WP为保护脚，SCL为读/写的时钟控制端，SDA为读写的数据输出/入口。
[0058]FLASH存储器，Flash存储器是一种可在系统进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器，它具有低功耗、大容量、擦写速度快等特点，本装置采用AT45DB161D Flash存储器，具有4096页，每页512个字节，总容量为16Mbit，内部集成两个数据缓存SPRAM，对外提供SPI接口。
[0059]图8电源电路
[0060]测试装置测试时不需要外部供电，由电池进行供电，电池采用武汉力源的CR-P2电池，电池电压为6V，芯片输入电压由电池提供，本文使用线性稳压电源芯片RP130N501D，芯片具有反应速度快，输出纹波小，工作产生的噪声低等优点，芯片输出电压为5V，测试装置在低功耗设计方面进行了考虑，电池的容量1500mAh，耐压测试时启动电池，实验结束后关闭电池，电池功耗大约为8mA，大约能做I万次耐压测试。
[0061]图9时钟电路，实时时钟采用EPSON公司的RX8025-T芯片，其特点如下:
[0062](I)内置高精度32.768KHZ的DTCX (数字温度补偿晶体振荡器)(2)支持I2C总线功能的高速模式(400K) (3)定时报警功能(4)固定周期定时中断功能(5)时间更新中断功能(6)32.768KHZ频率输出(具有时能OE功能)(7)闰年自动调节功能(8)宽范围接口电压:2.2V到5.5V(9)宽范围的时间保持电压1.8V到5.5V(10)低电流功耗:0.8uA/3V。
【权利要求】
1.交流耐压测试装置，对来自耐压仪设备的电压通过电压取样电路进行采样，采样后的电压送入计量装置，计量装置将数据传送至混合处理器，所述混合处理器将数据在显示单元上显示出来；所述电压取样电路采用电阻分压的原理，串联了多个电阻，最末的两个电阻均与对应的电容相并联后接地； 所述电压取样电路与计量装置的V2N/V2P电压通道相连，利用计量装置的完全差动输入方式，对来自耐压仪的高压信号通过电压取样电路变为幅值为O-1V的交流信号，通过电压通道送入计量装置。
2.如权利要求1所述的交流耐压测试装置，其特征是，在测试装置上电或计量装置受干扰复位时，由混合处理器通过SPI 口对校表数据进行更新；SIG信号是用来通知混合处理器的一个握手信号，因此混合处理器对SIG信号进行监控，为使在上电和复位后计量装置能与混合处理器同步进行SPI操作，其复位过程保持RESET信号大于20us低电平，芯片复位，此时SIG输出高电平，然后混合处理器将RESET信号拉高，设定时间后，计量装置完成初始化，SIG输出低电平信号，然后进行SPI操作。
3.如权利要求1或2所述的交流耐压测试装置，其特征是，所述计量装置的RESET端口和混合处理器的SIG输入口均接入去耦电容。
4.如权利要求1所述的交流耐压测试装置，其特征是，所述混合处理器还与红外通讯单元、显示单元、存储单元、时钟电路、键盘及电池相连。
5.如权利要求1所述的交流耐压测试装置，其特征是，所述计量装置通过SPI接口与混合处理器通讯。
6.如权利要求4所述的交流耐压测试装置，其特征是，所述存储单元包括存储芯片AT24LC256和Flash存储器AT45DB161D，用于对数据进行存储。
7.如权利要求4所述的交流耐压测试装置，其特征是，所述红外通讯单元包括红外接收单元、红外发送单元及红外唤醒单元。
8.如权利要求7所述的交流耐压测试装置，其特征是，所述红外通讯单元初始状态/CVIR为高电平，当有外部红外信号照射时，光敏二极管V8接收光信号导通，三极管VlO的基极为高电平，三极管VlO导通，IR-R变为低电平，此时混合处理器控制/CVIR引脚为低电平，打开接收管VI管脚，VIR为变为高电平，接收光信号，经过调制解调后发出，IR-T管脚由混合处理器控制，产生PWM。
9.如权利要求1所述的交流耐压测试装置，其特征是，所述测试装置的外部还包括绝缘外壳。
【文档编号】G01R35/04GK104181488SQ201410377013
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2014年8月1日
【发明者】何毓函, 翟晓卉, 孙艳玲 申请人:国家电网公司, 国网山东省电力公司电力科学研究院