高阻測(cè)量電路——兆歐表

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)(論文)樣張1 高阻測(cè)量電路兆歐表 院（系）名稱電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器142班 學(xué)號(hào)140301076 學(xué)生姓名* 指導(dǎo)教師起 止 時(shí) 間： 2016.7.42016.7.15課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：電子信息工程 學(xué) 號(hào)140301076學(xué)生姓名*專業(yè)班級(jí)測(cè)控142課程設(shè)計(jì)（論文）題目高阻測(cè)量電路兆歐表課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)任務(wù)要求：高阻測(cè)量電路用來測(cè)量高阻物體的阻值，需要有穩(wěn)定的直流高壓，為此需要將直流低電壓進(jìn)行升壓，同時(shí)需采取穩(wěn)壓措施。由方波產(chǎn)生電路、升壓電路、控制電路、采樣電路等部分組成。方波信號(hào)電壓送給升壓電路輸出直

2、流高壓；電阻分壓器作為輸出信號(hào)采樣電路；運(yùn)放及相應(yīng)器件構(gòu)成控制器等。技術(shù)要求：1、設(shè)計(jì)放大器所需的直流穩(wěn)壓電源。2、采用直流低壓供電。3、量程為11000M。4、測(cè)量阻值分三檔在表頭顯示，即110M、10100M、1001000M。5、利用Multisim（或EWB）進(jìn)行電路仿真與調(diào)試。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)平時(shí)成績(jī)： 答辯成績(jī)： 論文成績(jī)： 作品成績(jī)： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：平時(shí)成績(jī)占20%，答辯成績(jī)占20%，論文成績(jī)占40%，作品成績(jī)20%。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）摘 要兆歐表用來測(cè)量電氣設(shè)備絕緣電阻的可攜式儀表,也可用來測(cè)量某些元件的性能參數(shù)及質(zhì)量好壞。主要用來檢查電氣設(shè)備、

3、家用電器或電氣線路對(duì)地及相間的絕緣電阻，以保證這些設(shè)備、電器和線路工作在正常狀態(tài)，避免發(fā)生觸電傷亡及設(shè)備損壞等事故。根據(jù)直流變壓和開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理先將直流電壓變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，再通過脈沖變壓器把電壓升高，再經(jīng)過濾波獲得直流電壓。為了穩(wěn)壓，對(duì)輸出電壓采樣信號(hào)去控制方波的占空比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓。有了直流電壓后，將微安表和被測(cè)電阻串入回路，便可測(cè)出流過電阻的電流，將流過的電流換算出對(duì)應(yīng)的刻度，則可直接讀出電阻的阻值。故首先將直流低電壓（設(shè)用9V電池供點(diǎn)）升壓為1000V的直流高壓，然后通過整流濾波、控制電路和采樣電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻的測(cè)量。本文的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能為能夠穩(wěn)定測(cè)量大電阻的電路。關(guān)鍵詞: 兆歐

4、表；高電壓；脈沖變壓器；開關(guān)穩(wěn)壓電源；穩(wěn)定輸出電壓目 錄第1章 緒論11.1高阻測(cè)量電路兆歐表的應(yīng)用11.2本文研究?jī)?nèi)容1第2章 高測(cè)量電路兆歐表總體設(shè)計(jì)方案22.1高阻測(cè)量電路兆歐表設(shè)計(jì)思路22.2總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析2第3章 兆歐表單元電路設(shè)計(jì)43.1控制器電路設(shè)計(jì)43.2方波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)53.3 脈沖升壓電路設(shè)計(jì)53.4整流濾波電路63.4.1 級(jí)數(shù)的選擇63.4.2 運(yùn)放的要求63.4.3濾波器的要求7第4章 兆歐表電路仿真與調(diào)試94.1 Multisim仿真與調(diào)試94.2電路參數(shù)計(jì)算104.3整體電路性能分析11第5章 兆歐表實(shí)物制作125.1 兆歐表實(shí)物焊接125.2 兆歐表作品

5、12第6章 總結(jié)14參考文獻(xiàn)15附錄 I16附錄 17II第1章 緒論1.1高阻測(cè)量電路兆歐表的應(yīng)用兆歐表又稱絕緣搖表,是用來測(cè)量電氣設(shè)備絕緣電阻的可攜式儀表,也可用來測(cè)量某些元件的性能參數(shù)及質(zhì)量好壞。一般只有500伏或1000伏的兆歐表，當(dāng)測(cè)量高壓電氣設(shè)備絕緣時(shí)，經(jīng)常會(huì)感到兆歐表的輸出電壓不足，靈敏度較低，甚至達(dá)不到查出局部性絕緣缺陷的目的。因有時(shí)用500伏兆歐表測(cè)被試品絕緣值電阻值較高，而用2500伏兆歐表測(cè)其絕緣電阻值時(shí)已低到不能使用的程度。絕緣是相對(duì)的，基本絕緣體對(duì)低壓是絕緣的，但對(duì)高壓不一定是絕緣的，因此，用不同電壓兆歐表測(cè)出的絕緣電阻值是不同的。 1.2本文研究?jī)?nèi)容本文研究?jī)?nèi)容為設(shè)

6、計(jì)一款能夠穩(wěn)定測(cè)量大電阻的電路。兆歐表的選擇，主要是選擇它的電壓及測(cè)量范圍。高壓電氣設(shè)備絕緣電阻要求高，須選用電壓高的兆歐表進(jìn)行測(cè)試；低壓電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣材料所能承受的電壓不高，為保證設(shè)備安全，應(yīng)選擇電壓低的兆歐表。選擇兆歐表的原則是不使測(cè)量范圍過多地超出被測(cè)絕緣電阻的數(shù)值，以免因刻度較粗而產(chǎn)生較大的讀數(shù)誤差。技術(shù)要求：1、設(shè)計(jì)放大器所需的直流穩(wěn)壓電源。2、采用直流低壓供電。3、量程為11000M。4、測(cè)量阻值分三檔在表頭顯示，即110M、10100M、1001000M。5、利用Multisim或（EWB）進(jìn)行電路仿真與調(diào)試。第2章 高測(cè)量電路兆歐表總體設(shè)計(jì)方案2.1高阻測(cè)量電路兆歐表設(shè)計(jì)思路

7、要測(cè)量高阻物體的阻值，需要有穩(wěn)定的直流高壓，故首先將直流低電壓（設(shè)用9V電池供點(diǎn)）升壓為1000V的直流高壓，同時(shí)采取穩(wěn)壓措施。根據(jù)直流電壓和開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理，可先將電池供電的直流電壓變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，再通過脈沖變壓器升壓，然后經(jīng)過整流，濾波，可獲得直流高壓。為了穩(wěn)壓，可對(duì)輸出電壓采樣，利用采樣信號(hào)去控制方波的占空比，從而實(shí)現(xiàn)未定輸出電壓。有了直流高壓后，將微安表與被測(cè)電阻串聯(lián)回路，便可測(cè)出流過電阻的電流，將流過表頭的電流換算成對(duì)應(yīng)電阻的刻度，則可直接讀出被測(cè)電阻的阻值。2.2總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析方波產(chǎn)生電路升壓電路整流濾波電路控制電路兆歐表頭采樣電路RR圖2.1 總體設(shè)計(jì)方框圖電源接通后，線

8、圈的兩端產(chǎn)生上正下負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以阻止T的集電極電流i的增加。通過耦合線圈也產(chǎn)生上正下負(fù)的電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)經(jīng)電容的C的耦合通過R是T的基極電流加大，則i進(jìn)一步增加，再次通過使增加，該正反饋過程使三極管迅速飽和。此后C經(jīng)、T逐漸放電，C左端電位下降，又在中產(chǎn)生下正上負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也產(chǎn)生下正上負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過C使減小，I進(jìn)一步減小，此正反饋過程使三極管迅速截止，E通過D、R2對(duì)C充電，使T的基極電位升高，當(dāng)升到使T導(dǎo)通時(shí)，又重復(fù)上述過程。以上就是周而復(fù)始地進(jìn)行，產(chǎn)生振蕩，得方波輸出。改變電容的充放電時(shí)間常數(shù)，可改變其占空比。方波信號(hào)電壓通過脈沖變壓器升壓（/1），是輸出信號(hào)再經(jīng)過整流、濾波，

9、得到支流高壓輸出信號(hào)V0。被測(cè)電阻與微安表串于輸出回路中，則有相應(yīng)的電流流過表頭，采用切換開關(guān)切換表頭不同的并聯(lián)電阻，使表頭滿刻度值分別校正為1000A、100A和10A，即可得到三檔不同量程。為了防止表頭損壞，可在表頭兩端并聯(lián)兩個(gè)反向的二極管。在輸出端串聯(lián)一保護(hù)電阻，防止R小于1M時(shí)損壞器件。第3章 兆歐表單元電路設(shè)計(jì)3.1控制器電路設(shè)計(jì)圖3.1控制器電路用電阻分壓器對(duì)輸出信號(hào)V0采樣，用運(yùn)算放大器A和三極管Q1構(gòu)成控制器。當(dāng)V0上升時(shí)， VF也上升，使三極管Q1的集射級(jí)電阻r減小，時(shí)間常數(shù)減小,則加快電容C的放電速度，加速振蕩電路中Q由飽和變截止，E變成下正上負(fù)，使 V0減小，起到穩(wěn)定輸出

10、電壓的作用。3.2方波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)圖3.2 方波產(chǎn)生電路電路圖在原理上講，凡具有放大能力的集成器件或三極管都可用來組成振蕩器，目前已有按照振蕩器工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)的集成電路供選用。例如，用集成振蕩器E1648能方便地組成振蕩頻率的振蕩器，集成多功能振蕩器5G8083能輸出低頻正弦波，方波，三角波信號(hào)，用集成定時(shí)器555/666能靈活地組成數(shù)百千赫以內(nèi)的多諧振蕩器等。用上述集成器件組成波形產(chǎn)生電路時(shí)，具有電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，性能優(yōu)良等一系列優(yōu)點(diǎn)，在相應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，可優(yōu)先選用此類器件。選用具有放大能力的集成器件時(shí)，首先應(yīng)考慮器件的工作頻率范圍。為了滿足振蕩器的起振條件，放大器的單位增益帶寬BW至少應(yīng)比

11、振蕩頻率大（12）倍。為保證振蕩器有足夠高的頻率穩(wěn)定度，一般取3dB帶寬（對(duì)集成寬帶放大器）因此，在幾百千赫以下時(shí)，可選用集成功放等，在兆赫以上時(shí)，可選用集成帶寬放大器，射頻帶寬放大器，射頻/中頻放大器，雙差分放大器等。其次應(yīng)考慮器件的最大輸出電壓幅度和負(fù)載特性能否滿足要求。當(dāng)振蕩器要求低噪聲性能時(shí)，應(yīng)選用噪聲系數(shù)小的器件。3.3 脈沖升壓電路設(shè)計(jì)升壓就是將電池提供的較低的直流電壓，提升到需要的電壓值，其基本的工作過程都是：高頻振蕩產(chǎn)生低壓脈沖脈沖變壓器升壓到預(yù)定電壓值脈沖整流獲得高壓直流電，因此升壓電路屬于DC/DC電路的一種類型。在使用電池供電的便攜設(shè)備中，都是通過升壓電路獲得電路中所需要

12、的高電壓。、圖3.3 升壓電壓電路圖3.4整流濾波電路一個(gè)理想的濾波器，應(yīng)在要求的頻率帶內(nèi)均勻而穩(wěn)定的增益，而在通帶外，則具有無(wú)窮大的衰減。用運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器，具有許多獨(dú)特的特點(diǎn)。因?yàn)椴挥秒姼性?，所以免除了電感所固有的非線性特性，磁場(chǎng)屏蔽，損耗，重量和體積過大等缺點(diǎn)。3.4.1 級(jí)數(shù)的選擇濾波器的級(jí)數(shù)主要根據(jù)對(duì)帶外衰減特性的要求來確定。每一階低通或高通電路可獲得一12dB倍頻的衰減。多級(jí)濾波器串接時(shí)，傳輸函數(shù)總特征的階數(shù)等于各級(jí)數(shù)之和。當(dāng)要求外帶衰減特征為-Mbd倍頻時(shí)，則所取級(jí)數(shù)N應(yīng)滿足>>M/6。3.4.2 運(yùn)放的要求在無(wú)特殊要求的情況下?？蛇x用通用型運(yùn)算

13、放大器。為了獲得足夠深的反饋，以保證所需濾波特征，運(yùn)放的開環(huán)增益應(yīng)在80dB以上。對(duì)運(yùn)放頻率特性的要求，由其工作頻率的上限確定，設(shè)工作頻率的上限為Fh，則運(yùn)放的單位增益頻率應(yīng)滿足下式：BWg>>（35）AfFh,式中Af為濾波器通帶的傳輸系數(shù)。如果濾波器的輸入信號(hào)較小，例如在10 mV以下，以選用低漂移運(yùn)放為宜。如果濾波器工作于超低頻，以至使RC網(wǎng)絡(luò)中電阻元件的值超過100k時(shí)，則應(yīng)選用低漂移，高輸入阻抗的運(yùn)放。3.4.3濾波器的要求對(duì)一階濾波器，其特征由通帶傳輸系數(shù)和截止頻率確定。至于二階濾波器，對(duì)高通和低通濾波器，其特征由通帶傳輸系數(shù)，自然頻率Wn和阻尼系數(shù)確定。如圖3.4和3

14、.5所示，對(duì)帶通和帶阻波波器，則是由通帶傳輸系數(shù)，中心頻率Wo和品質(zhì)因數(shù)Q決定。通常是根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求確定這些參數(shù)，然后再由這些參數(shù)計(jì)算電路的元件值在設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)待確定其值的元件數(shù)目多于限制元件取值的參數(shù)的數(shù)目。例如，壓控電壓源型濾波器待確定其值的元件有六個(gè)，而限制元件取值的參數(shù)只有三個(gè)，即通帶傳輸系數(shù)，自然頻率，阻尼系數(shù)。因此，有許多個(gè)元件組可滿足給定特性的要求。一般從選定電容器入手，因?yàn)殡娙輼?biāo)稱值的分檔數(shù)比較少，電容難配，而電阻易配。圖3.4 二階無(wú)限增益多環(huán)反饋型有源濾波器電路圖3.5 壓控電壓源型低通濾波器第4章 兆歐表電路仿真與調(diào)試4.1 Multisim仿真與調(diào)試圖4.1 整

15、體電路圖 如圖4.1，兆歐表由直流電源和磁電系比率計(jì)兩大部分組成。其中直流電源可以是手搖直流發(fā)電機(jī)，也可以是能輸出直流高壓的電子變換器。 仿真后的結(jié)果如圖4.2所示。萬(wàn)用表的讀數(shù)如下： 圖4.2 模擬結(jié)果4.2電路參數(shù)計(jì)算電流I1和I2分別通過兩個(gè)可動(dòng)線圈時(shí)，都會(huì)受到永久磁鐵磁場(chǎng)電磁力的作用。兆歐表的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部接線應(yīng)保證兩個(gè)可動(dòng)線圈所受電磁力矩方向相反，M1是轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，M2是反作用力矩。由于磁場(chǎng)不均勻，M1和M2的大小不僅與電流有關(guān)，還與比率計(jì)可動(dòng)部分（包括指針6）的偏轉(zhuǎn)角有關(guān)，即當(dāng)可動(dòng)部分偏轉(zhuǎn)到M1=M2位置時(shí)，由于磁電系比率計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)角可見，磁電系比率計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)角是I1與I2的比值的函

16、數(shù)，這也是它被稱為“比率計(jì)”的主要原因。兆歐表的測(cè)量原理電路，點(diǎn)劃線框內(nèi)的部分是兆歐表的內(nèi)部電路?？蓜?dòng)線圈1與電阻R1、被測(cè)量絕緣電阻Rx串聯(lián)，可動(dòng)線圈2和電阻R2串聯(lián)，之后兩個(gè)支路都并接到手搖發(fā)電機(jī)的兩端。當(dāng)被測(cè)絕緣電阻不同時(shí)，在相同的電源電壓U的作用下，I1的數(shù)值不同，而I2的數(shù)值始終一樣。也就是說，不同的被測(cè)電阻Rx，使得兆歐表中I1/I2的比值不同，指針的偏轉(zhuǎn)角不同。所以，可以根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)角的大小確定被測(cè)絕緣電阻的大小。當(dāng)被測(cè)絕緣電阻Rx=時(shí)，I1=0，M1=0，可動(dòng)部分在M2作用下逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，直至可動(dòng)線圈2轉(zhuǎn)到圓柱形鐵心缺口處，線圈2受到的電磁力方向通過轉(zhuǎn)軸，M2=0。此時(shí)，指針停在

17、標(biāo)尺左端“”。當(dāng)被測(cè)絕緣電阻Rx=0時(shí)，電流I1最大，可動(dòng)部分偏轉(zhuǎn)角也最大，指針指在標(biāo)尺右端“0”處。兆歐表的標(biāo)尺刻度是反向不均勻的。由于沒有機(jī)械游絲，磁電系比率計(jì)在不通電時(shí)其指針可以停留在任一位置。4.3整體電路性能分析1.測(cè)試電壓可選110M、10100M、1001000M.2.測(cè)量時(shí)間15秒、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30分鐘可選.3.高壓源輸出電流能力5Ma.4.測(cè)量量程11000M.5.絕緣電阻值測(cè)量精度5%（20 G）、10%（200 G）6.測(cè)試電壓精度5%.7.內(nèi)附可充電電池連續(xù)工作時(shí)間達(dá)到2小時(shí)以上.8.內(nèi)部可保存100個(gè)測(cè)量結(jié)果.9.工作條件：環(huán)境溫度

18、：040 相對(duì)濕度：3080%.第5章 兆歐表實(shí)物制作5.1 兆歐表實(shí)物焊接具體電路的布線與焊接，為了防止電路分布參數(shù)影響工作狀態(tài)產(chǎn)生誤差，應(yīng)該盡量避免飛線，盡量縮短導(dǎo)線長(zhǎng)度。為防止測(cè)試操作過程中將運(yùn)放芯片的電源反接導(dǎo)致芯片燒毀導(dǎo)致安全事故。應(yīng)該合理布置電源接口，并予以標(biāo)注各接地點(diǎn)應(yīng)該牢固連接并接出接口。信號(hào)輸出接口應(yīng)予以符號(hào)標(biāo)出。焊接布線圖如圖5.1所示。圖5.1 兆歐表電路焊接布線圖5.2 兆歐表作品為縮小版面尺寸，應(yīng)合理緊密選擇器件位置，并考慮到電位器在實(shí)際使用中需要頻繁的調(diào)節(jié)，應(yīng)安放在方便調(diào)節(jié)的位置，各輸出端應(yīng)合理布置測(cè)試點(diǎn)，電源和接地線應(yīng)留出接口。為方便測(cè)試，應(yīng)用圖示標(biāo)出各測(cè)試接口的

19、功能。尤其是正負(fù)電源接口，測(cè)試過程中一旦反接會(huì)導(dǎo)致芯片擊穿燒毀造成安全事故。如圖5.2所示。圖5.2 兆歐表電路實(shí)物圖第6章 總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)的題目是高阻測(cè)量電路兆歐表。在設(shè)計(jì)過程中，從任務(wù)要求的分析、系統(tǒng)框架的建立、分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)到總體設(shè)計(jì)，從原理圖設(shè)計(jì)到軟件仿真、電路板布線焊接到實(shí)物測(cè)試，這其中遇到許多的問題，有的是設(shè)計(jì)上考慮的不夠周全，有的是電路實(shí)現(xiàn)上的，在解決這些問題的過程中，我深深的領(lǐng)悟到了電子設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試的奧妙，也使我對(duì)電子技術(shù)有了濃厚的興趣。要測(cè)量高阻物體的阻值，需要有穩(wěn)定的支流高壓，故首先將直流低電壓升高為直流高壓，同時(shí)需采取穩(wěn)壓措施。根據(jù)直流變壓和開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理，可先將

20、電池供電的直流電壓變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，再通過脈沖變壓器升壓，然后經(jīng)過整流、濾波，可獲得直流高壓。為了穩(wěn)壓，可對(duì)輸出電壓采樣，利用采樣信號(hào)去控制方波的占空比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓。開發(fā)設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，由于對(duì)Multisim電路仿真軟件使用不夠熟練，通過上網(wǎng)查閱相關(guān)教程和查閱相關(guān)書籍，我對(duì)Multisim電路仿真軟件的使用有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。隨著設(shè)計(jì)的深入，逐步加深對(duì)該軟件的認(rèn)識(shí)和對(duì)修改元件庫(kù)內(nèi)元件參數(shù)的熟悉和理解。同時(shí)，我也閱讀大量的資料了解振蕩電路設(shè)計(jì)工作的一些特點(diǎn)。課程設(shè)計(jì)是對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用，理論聯(lián)系實(shí)際讓我對(duì)學(xué)過的知識(shí)有了更加深刻的理解。通過電路的設(shè)計(jì)、仿真、修改、制作、測(cè)試。調(diào)試的過程，不但掌握