张建国（漳州职业技术学院电子工程系，福建漳州363000）

多功能数字测试仪的设计与实现*

张建国*
（漳州职业技术学院电子工程系，福建漳州363000）

为把数字万用表、绝缘电阻表、漏电开关测试仪等三种功能的测量仪器，合并为一种新型手持式测量仪表。采用专用集成电路ES51921和高性能微控制器MSP430F2111及外部扩展电路、液晶显示器（LCD）等组成，将多功能测试仪设计成具有多功能、智能化的特点和显示直观、读数精准、功能完善、耗电省、体积小、易于携带等优点。该多功能测试仪经测试符合相关技术标准。

数字测量；多功能测试仪；数字万用表；绝缘电阻表；漏电开关测试仪

现有的数字万用表、绝缘电阻表、漏电开关测试仪通常各为单独的测量仪器。其中，万用表是测量基本电参数的仪表，而绝缘电阻测量主要用于测量电力设备的绝缘电阻，计算其吸收比或极化指数，判断设备绝缘是否合格，然后决定是否电力设备绝缘性能试验和耐压试验，为后续试验提供安全保障。漏电开关测试仪能对供电线路上的保护开关是否正常工作进行判断，提高安全保障。此三个仪表都是电工和电气维修人员及科研人员必备仪器。如果能开发出一种具有电参数测量、绝缘电阻测量和漏电开关性能测试功能为一体的便携式多功能测试仪表，那它既可以更好地满足用户的需求，对电力设备和家庭用电设备的安全也提供更有力的测试保障，同时也更符合当前倡导的节能和环保的消费趋势，因而具有极大的市场发展空间［1］。此类产品在国内尚是个空白。因此，开展多功能综合性测试仪表的技术研究，将具有重要的经济和技术意义。其用途广阔，可为电工和电气维修人员提供一种功能齐全、携带方便的测量工具。同时可以填补国内此类产品研究和生产的技术空白。同时就国际市场而言，也尚无水平相当产品，产品开发的成功，具有较强的国际市场竞争力和出口前景。

1　总体设计方案

本测试仪核心部分采用一只智能化数字万用表专用集成电路ES51921和一只高性能微控制器MSP430F2111相结合，完成对项目的不同性质物理量（电压、电流、电阻和时间）的测量，然后经过两个单片机之间的双向通信，将所测得的结果由一个液晶显示器（LCD）显示出来。ES51921是一只数字万用表专用高性能、低功耗位带微处理器的模/数变换器（ADC+MCU），它可以实现数字万用表的全部测量和显示功能，并可对电压信号进行测量，同时具有数据双向传输功能，作为实现数字智能化测量的控制核心［2］。MSP430F2111是美国德州生产的一款高性能的微控制器［3］，作为计时器即使微秒级也能轻易做到，它可以实现RCD分断时间的测量和泄露电流的控制以及对绝缘测试DC-DC转换的控制。其工作原理图1如下：

图1　工作原理图

2　绝缘电阻数字化测量的研究及线路设计

绝缘体将通电导体与大地和彼此相互分离，其足够高的电阻可确保导体和大地间的电流保持在相当低的数值。理想中绝缘电阻应无穷大且无电流能通过。实际上，通常在通电导体和大地间仍有电流通过，称之为泄漏电流，该电流一般由电容电流、导体电流、表面泄漏电流3个部分组成。

由于使用直流高压既可消除不良绝缘，又能够揭露低电压时无法暴露的潜在性故障。这就是进行绝缘测试时使用的电压高于通常回路中使用电压的原因。传统的兆欧表也叫“摇表”，是由手摇发电机产生的高压施加在被测物体上，通过测量流经被测物体的电流来测量其绝缘电阻，其操作麻烦、精度低。要实现绝缘电阻测量的数字化，首先必须实现测量的电子化，所以手摇发电机产生的测试高压必须由电池供电电压转换为直流高压替代。本项目的绝缘测量方案如图2所示，利用先进高效PWM的DC-DC转换技术将电池电压转换为测试电压，这个测试电压施加于被测物上产生的电流经电流电压转换器转换为相应的电压值，然后送入模数转换器变为数字编码经微处理器计算处理，由显示器显示出相应的电阻值。

图2　绝缘测量方案图

2.1.1直流电压变换器（DC-DC变换器）

DC-DC变换器将电池电压转换为直流高压做为测试电压，它是电子式绝缘测量的关键部分。由于考虑转换效率、体积、输出电压控制及变换，本项目采用脉宽调制（PWM）型开关电源集成控制器SG3524将电池的直流电压变换为脉宽调制信号，经升压变压器转化为高压脉冲，由倍压整流平滑成直流高压测试电压，其输出电压大小是通过输出电压控制电路调节脉冲宽度来实现的。SG3524脉宽调制型控制器是国际上最为流行的开关电源集成控制器，它包括开关稳压器所需的全部控制电路，其中有误差放大器、振荡器、脉宽调制器、脉冲发生器、开关管、过流过热保护［4］。图3是应用SG3524将9 V直流电升压至500 V的实用电路。

图3中SG3524是升压电路的核心，其第10管脚（Shutdown）是启动控制端，它受来自MSP430F2111微控制器信号的控制。当微控制器输出启动信号后，SG3524直接向开关管Q1提供脉宽调制信号，由Q1推动升压变压器，经升压后输出高压脉冲由倍压整流成直流高压输出。管脚6、管脚7脚外接振荡电阻R5、电容C2，确定其开关频率。电阻R1、R2提供取样电压经电压误差放大器管脚1引入与管脚2的参考电压进行比较，放大器输出电压送至脉宽调制器控制输出脉冲的占空比，从而稳定输出电压。第4、第5脚为电流限制放大器，第11、12脚和第13、14脚为集电极、发射极均开路NPN晶体管组成的输出极。由SG3524可知：

开关频率：

f≈1.30/（R5C2）=1.30/（2×0.02）=32.5 kHz其中：R5单位为Ω，C2单位为F，f单位为Hz。输出电压：

Vo=2.5 V×（1+R1/R2）=2.5 V×（1+2000/10）= 502.5 V≈500 V

图3　DC9 V-DC1 000 V升压转换电路

2.1.2微电流放大

要测量高达2 000MΩ的绝缘电阻，由于采用DC500 V的测试电压，其最小测试电流只有250 nA，因此选用低失调电压低漂移高精度的运算放大器是必需的，而作为直流运用斩波运算放大器成为首选［5］。

从图4可以看出，运算放大器A及反馈电阻Rf1组成一个电流电压转换器（I-V转换），它将流经被测绝缘电阻Rx的电流转换为电压信号输出。

图4　电流电压转换器电路

当测试电压Vi作用于待测电阻Rx上时，根据运算放大器特性，其正输入端为地电位，那么负输入端（测试端-）同样为地电位（虚地），由欧姆定律可得：

所以运算放大器的输出电压：

将式（1）代入式（2）得：

设电压反馈系数k=-Rf，则：

2.1.3绝缘电阻的计算和显示

数字万用表专用集成电路ES51921，其显示数值COUNT=1000×VIN/VREF。由式（4），我们利用开关将Vi、Vo切换到ES51960的输入端和参考端，既把绝缘电阻测试电压Vi作为ES51921的VIN，将与Rx相关的电压Vo当成VREF，只要调节电压反馈系数k，其显示数值就直接为Rx，就可以得到绝缘电阻的阻值。这正是利用ES51960智能化数字万用表专用集成电路对电压测量功能来实现绝缘电阻测量的数字化［6］。

2.2剩余电流动作保护装置分断时间测量的研究及线路设计

配电系统中装设RCD是防止直接接触电击事故和间接测接触电击事故的有效措施之一，也是防止电气线路或电气设备接地故障引起电气火灾和电器设备损坏事故的技术措施。但安装RCD后，仍应以预防为主，并对所安装的RCD进行定期检测，以确保其工作的正常。测试RCD分断时间目的是为了确保其跳脱时间足够快，以免在操作时发生触电以造成人身伤亡事故。此测试与RCD上的“TEST”键功能不同，RCD上的“TEST”键仅使断路器跳脱以检测其是否工作，但不测量跳脱时间。

2.2.1接线的检测

图5是RCD接线指示原理图，两个LED灯检测被测线路接线是否正确。为了微控制器MSP430F2111不受被测线路上电影响，本线路使用光藕将测试线路与被测线路进行隔离。从图5可以看出只有相线P位置正确时，PN、PE才会同时亮。

图5　RCD接线指示电路图

2.2.2分断时间的测量

RCD装置是一种保护装置，当相线电流与中性线电流之间的差值（即剩余电流）达到跳闸值，RCD将会跳脱。本测量线路是通过设置相线与地线之间流过一定的电流，使相线电流与中性线电流之间产生差值，测量施加剩余电流预设值（跳闸值）后至RCD跳脱的时间值。

图6是整个RCD分断时间测量的基本流程图，整个流程由微控制器MSP430F2111控制。其中PN=1为相线与中性线有电指示，PE=1为相线与地线有电指示。因此只有相线接法正确时PN、PE指示灯才有可能同时亮，此时微控制器才有可能发出触发信号，使相线与地线之间流过设置电流，同时计算时间，直到RCD跳脱，被测线路被切断，使PN=0 （PN指示灯熄灭），所测量到既为此RCD分断时间。

图6　RCD分断时间测量的基本流程图

从流程图可知，若中性线和地线反接，测试仍可进行，但由于此时泄露电流不是流向地线，而是到中性线，相线电流与中性线电流之间无差值，RCD将不会会跳脱，PN不会为0，当微控制器计时超过2 000ms时，测试强制停止。

2.2.3剩余电流预设电路和控制

图7　剩余电流预设电路和控制

图7是剩余电流预设电路和控制线路图，来自微控制器在计时开始发出的触发信号使可控硅导通，相线电流经过负载电阻R流向地线，使相线电流与中性线电流之间产生差值来模拟泄露电流，其泄露电流大小由负载电阻R接定［7］。

2.2.4分断时间的显示

由图6可以看出，测量RCD分断时间的计时和控制均由微控制器MSP430F2111完成［8］，我们将其测试结果转换成ES51921相同格式，由可编程LCD显示笔画输入脚SDATA输入，经ES51921由LCD将测量结果显示出来，实现两个控制器的结合，也完成测量功能的有机结合。

3　结束语

目前该多功能测试仪已研制成功，并由漳州东方智能仪表有限公司生产，产品实物照片如图8所示。该项目被列入福建省项目成果转化资金项目（闽发改投资［2013］312号）。产品经漳州市计量所检验合格，具体参数指标和精度如表1所示。产品指标符合《GB/T13978数字多用表通用技术条件》、《JJG1005-2005电子式绝缘电阻表检定规程》要求，并填补国内此类产品研究和生产的技术空白，具有技术首创性，具有重大的技术意义，也具有较大的国内外市场潜力。

图8　多功能测试仪实物照片

表1　多功能测试仪参数测试结果

［1］ 沙占友，沙江.数字万用表功能扩展与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2005：25-27.

［2］ 沙占友.数字化测量技术与应用［M］.北京：机械工业出版社，2004：35-36.

［3］ 谢光红.MSP430单片机基础与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008：56-59.

［4］ 胡汉才.高档AVR单片机原理及应用［M］.北京：清华大学出版社，2012：120-123.

［5］ 陆坤.电子设计技术［M］.北京：电子科技大学出版社，2004： 85-87.

［6］ 杨建成.基于单片机的数字电压表设计与仿真［J］.现代电子技术，2012（3）：21-23.

［7］ 李颖，梁庭.基于AVR单片机的多路直流电平检测电路设计［J］.电子器件，2014，37（2）：254-257.

［8］ 翟永前，蒋芳芳.基于MSP430单片机的智能数字电压表设计［J］.化工自动化及仪表，2011（3）：13-16.

张建国（1963-），男，汉族，漳州人，漳州职业技术学院电子工程系副主任、副教授。专业领域是电子技术、自动化技术及计算机应用的教学和科研，zh_jg@126.com。

Design and Im p lementation ofM ulti-Function Digital Tester*

ZHANG Jianguo*
（Zhangzhou Professional Technology Institute Electron Engineering Department，Zhangzhou Fujian 363000，China）

In order tomake a new type of portablemeasuring instrument，three kinds of functions，such as digital，insulation resistancemeter，leakage switch tester，are combined into a new type of portablemeasuring instrument. ES51921 and high performancemicrocontroller MSP430F2111 and high performancemicro controller and external expansion circuit，LCD display（LCD）and other components，themulti-function test instrument designed to have more features，intelligent features and display intuitive，accurate reading，features，power consumption，small volume，easy to carry and so on.Themulti function testing instrument is in accordancewith the relevant technical standards.

digitalmeasurement；multifunction tester；digitalmultimeter；insulation resistancemeter；GFCItester

TM 933.2

A

1005-9490（2016）04-1020-05

项目来源：福建省项目成果转化项目（闽发改投资［2013］312号）

2015-08-17修改日期：2015-09-12

EEACC:645010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.050