线束测试仪硬件电路设计参考文档格式.docx
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本方案采用的扩展控制芯片主要为EP2C5T144C8，用于对负责通道切换的继电器进行逻辑控制。
它是Altera公司推出的CycloneⅡFPGA。
CycloneⅡ芯片制造使用90nm工艺，1.2v内核供电，属于低成本FPGA，CycloneIIFPGA的成本比第一代Cyclone器件低30%，逻辑容量大了三倍多，可满足应用需求。
图3扩展控制原理图
1.1.1.2CAN通讯接口单元
本系统采用的主控芯片支持增强型CAN（eCAN）通信，其接口与CAN2.0B标准接口完全兼容。
图4eCAN总线模块功能框图
eCAN通信缩短了通信时间，减少了通信时DSP资源开销，误码率低，能很好的解决与上位机的通信问题。
另外DSP的CAN总线模块作为总线结点，还需要在模块处理器和和总线间增加电平转换和隔离电路，以确保正确的CAN通信数据收发。
CAN接口电路原理图如下：
图5CAN通讯接口图
1.1.1.3测试激励单元
激励源设计主要包括导通测试激励源、低压绝缘测试激励源、电容测试激励源、20VDC-2000VDC绝缘测试激励源以及100~800VAC交流耐压测试激励源。
其中，导通测试激励源和低压绝缘测试激励源使用＜9V的低压三端线性稳压器完成；
电容测试激励源由FPGA模块产生一定频率的正弦波（如400HZ）再经过电压跟随器提高驱动能力后提供。
20VDC-2000VDC、100~800VAC50~60HZ，采用程控电源设计。
1）20VDC-2000VDC程控电源
电源模块通过采购市面成熟的工业级引线式高压电源模块，其主要的性能指标如下：
a）输入电压12VDC/24VDC
b）输出高达2000VDC
c）电压稳定度≤0.1%
d）负载稳定度≤0.5%
e）时漂/小时≤0.05%
f）温漂/℃≤0.05%
其对输出电压的控制有一个控制端，如控制端输入0-5V对应输出20VDC-2000VDC电压。
为避免电压突变带来的电磁干扰和对电子元器件可靠性的破坏，增加防浪涌的RC吸收电路并对电压的上升过程采取适当的步进控制。
为进一步提高电源模块的输出精确度，系统对模块进行二次开发，对系统输出电压做监控并实时调整。
模块自身带有限流式保护设计，确保使用过程中的安全。
可以满足系统需求。
2）100~800VAC50~60HZ程控电源
高压交流电源模块是基于STM32芯片DAC模块输出的设计，输出一个50~60HZ的低压正弦信号，通过功率放大电路进行功率放大，并经工频变压器升压，对应最大输出电压可达700VAC，并已在其他项目中取得验证，通过电路中的低压正弦信号的控制，可以对应输出100~800VAC。
为避免电压突变带来的电磁干扰和对电子元器件可靠性的破坏，增加防浪涌的RC吸收电路并对电压的上升过程采取适当的步进控制，电压稳定后关闭RC吸收电路以避免测量误差。
另采用限流式保护设计，确保使用过程中的安全。
可以满足客户的需求。
针对高压激励源的输出，为了提高输出精度特别制作了高压电源板。
高压电源板整合了交直流高压，针对输出做一路回馈采集，通过信号采集调理可以计算出实际输出的电压值。
根据计算出实际输出电压值和设定值比较，自适应地去调整电源输出，使其无线逼近于设定值，并与主控板通信。
如此以来可以大幅提高绝缘耐压测试结果的精度。
电源板直流输出采样图
1.1.1.4测试通道切换单元
系统测试需求的测试总点数为1024点，单台测试仪总点数为512点，使用两台测试仪联机组成1024点的测试。
由于测试中使用到20VDC-2000VDC以及100~800VAC，所以选用的开关器件工作电压需要大于等于2000VDC和800VAC。
通常的模拟开关和普通继电器都无法满足该测试条件，需要选用2000V以上的高压继电器。
单台测试仪通道切换原理如下图：
图6通道切换电路示意图
如图所示，Ai和Bi分别为A组和B组继电器阵列与测试回路的公共端。
当线缆测试时，线缆两端需要一端接入公共端Ai，另一端接入公共端Bi。
为实现1024点的联机测试，需将两台的公共端进行连接，采用主从机模式，从机只做开关切换，同时主从机可进行互换。
双机联机时的通道切换原理如下：
图7联机通道切换原理图
测试时将待测线缆两端接入任意两个测试针点形成测试回路，如下选取PIN1点和PIN3点示意：
图8通道切换电路原理图
如图，PIN1和PIN3每个点对应2个继电器，可以称其主继电器和从继电器，分别与Vstim和VTest相连。
当上位机下发测试数据测试1和3时，PIN1的主继电器闭合，PIN3的从继电器闭合，信号回路建立为VStim-PIN_1–外部Rx–PIN_3–VTest；
当上位机下发测数据测试3和1时，PIN1的从继电器闭合，PIN3的主继电器闭合，信号回路建立VStim-PIN_3–外部Rx–PIN_1–VTest。
VStim对应激励源，VTest对应参考电阻档位测试端。
继电器作为整个通道单元切换电路的核心，其选型至关重要。
根据市场调研，由于固态继电器耐压只能达到1500V，而本系统输出电压最高为2000V，故本系统不选择固态继电器而选择耐压性能更高的干簧继电器。
本方案继电器选择上海斯丹麦德电子有限公司负责销售提供的mederelectronicLI05-1A85和HE05-1A83两款继电器。
其中，HE05-1A83切换电压达到DCorPeakAC7500V，耐压达到10000V，主要用于直流高压源的控制开关，支持带电切换2000V；
LI05-1A85切换电压支持DCorPeakAC1000V，耐压达到2500V，可用作建立测试通道，不支持带电切换2000V。
由于HE05-1A83的体积约超LI05-1A85两倍，继电器体积过大将会导致测试仪整体体积过大，因此本方案选择以HE05-1A83控制激励源通断电，以LI05-1A85选择通道的方式进行控制。
两款继电器工作示意如下图所示：
图9继电器工作示意图
工作流程如下：
1）打开HE05-1A83继电器，使通道断电；
2）操作LI05-1A85继电器阵列选择通道；
3）闭合HE05-1A83继电器，通电测量。
二款继电器主要参数如下：
表1HE05-1A83高压继电器主要参数
参数
条件
最小值
典型值
最大值
单位
线圈电阻
45
50
55
Ω
线圈电压
5
VDC
线圈功率
500
mW
吸合电压
3.8
释放电压
0.5
触点负载
W
开关电压
DCorPeakAC
7500
V
开关电流
3
A
负载电流
静态接触电阻
150
mΩ
绝缘电阻
10
GΩ
击穿电压
KVDC
操作时间
1.1
ms
释放时间
0.1
电容
10kHzacrossopenswitch
pF
寿命
5V以下，mA级
1000
百万次
1000V以下，mA级
100
2000V以下，mA级
表2LI05-1A85高压继电器主要参数
180
200
220
125
线圈电流
25
mA
3.5
0.75
1
2.5
TΩ
3.2
1.5
1.1.1.5测量电路单元
测量电路单元包含导通测试、绝缘测试、耐压测试和电容测试，这几项测量电路一致，只是激励源和采样方式有所不同。
测量电路原理如下：
图10测量电路示意图
可以考虑更换被测电阻与限流电阻的顺序，有利于使用万用表校准被测两针点间的电压，以避免现有情况限流电阻和万用表内阻造成的压降。
如图，Vstim为测试激励源，R1为限流电阻，Rx为假想的等效导通电阻或绝缘阻抗，Rf为高精度的参考电阻（多档位可选）。
Ai和Bi如通道切换中提到为继电器阵列的两个公共端，通过Ai和Bi可以选择接通1024点中的任意两个测试点。
测量电路的原理建立在高精度参考电阻的电压采样的基础上。
当采集Bi端点的电压时，Bi处的电压信号通过高精度、低漂移的低功耗仪表运算放大器进行调理，调理后的信号送入DSP内部高速ADC模块做信号采集、处理和分析。
ADC模块通道输入电压的范围为0-3V，为避免电压过大造成损坏，在每个通道放置一颗钳位二极管构成保护。
当DSP分析出电压过大或过小时，可以程序自动切换Rf（多档位可选），信号再通过运放调理供DSP内部ADC采样。
参考电阻是测试回路上极为重要的元件，直接关乎测试取样电压的精准度。
为此本方案选取的参考电阻均为RJ24金属膜电阻器，0.25W0.1%精度，金属膜电阻温度系数小，精度高，低噪声，高频性能好。
使用环境温度：
-55℃~+155℃，本体颜色为天蓝色，用于电路的限流或分压，温漂25PPM，性能稳定。
下图示意的为参考的档位设计图，示意图选取了5个档位分别为0.1Ω、25Ω、1KΩ、50KΩ、100KΩ，每一个测试项都会有一个初始化的默认档位测试，当接入量程内不同阻值的电阻时，系统会自动根据测试需要判断是否需要换挡，以实现自动化的最佳测试。
配用的继电器为低压的欧姆龙G5V-1。
图11档位设计图
运放主要是为了将参考电阻上的电压信号根据需要放大固定倍数给ADC采样处理和分析，运放的指标直接关系计算精度，其选型极为重要。
本方案选用的运放为INA128，它是一款低功耗、高精度的通用仪表放大器。
INA128使用激光进行修正微调，具有高输入阻抗、非常低的偏置电压、低温度漂移和高共模抑制，内部输入保护能够经受±
40V电压而无损坏。
INA128提供标准的工业增益等式，可以单个外部电阻实现从1至10000的任一增益选择。
INA128：
G=1+50KΩ/Rg
Rg为引脚1和引脚8之间外接的一个电阻，可对增益进行控制。
下图示意的为ADC采样通道的运放调理电路，通过INA128_G1与INA128_G2的切换，选择不同的Rg，分别放大26倍和251倍供ADC采样。
前期采用的INA128都为DIP插件封装，后期可以考虑使用SOP封装，减小布板面积，提升工艺。
图12运放参考电路
当测试交流耐压或电容测试时，交流电压信号通过AD736RMS-TO-DC芯片转换后，信号再经运放调理供DSP内部ADC采样。
实际的调试发现，AD8027针对DC放大的精度并不理想，需要更换成INA128，也可以考虑贴片的。
图13交流采样示意图
1.1.1.6导通测试原理
图14导通测试原理图
导通测试采用二线法进行测试，如图所示，Vstim为导通测试激励源，R1为已知的限流电阻，Rx为假想的接入测试网络被测线缆未知待测的等效电阻，Rf为已知的参考电阻（档位可选）。
通过选用高精度、低漂移的仪表运放，对Rf两端的的电压信号Uf做适当调理，送ADC采样供DSP主控芯片处理，经过校准算法后可准确测得电压Uf。
同理，经过类似处理后可准确测得Rx两端电压Ux。
由简单的欧姆定律得
If=Uf/Rf
Ix=Ux/Rx
由If=Ix可推导出Rx=（Ux/Vf）*Rf
由于Ux采样的为Rx两端的真实电压，计算出的If为流经Rx的真实电流，故此方法的测试精度比较高。
关于电阻测试的二线法测试和四线法测试，如下图所示：
图15二线法测试原理图
图16四线法测试原理
四线法比二线法的优势就是排除了接线电阻的误差，但接线更多；
而二线法存在接线电阻，但通过校准补偿可大大减小误差，且二线法接线少，可靠性和稳定性更高。
二线法的校准补偿可在设备出厂时或使用过程中，将对外接口短接，测出设备内阻，并在导通测试中将内阻进行补偿。
通过精确测量以及内阻补偿，可大大提高二线法的测量精度，可以满足设计测试量程0.1Ω~10MΩ、测试精度±
5%的要求。
1.1.1.7绝缘测试原理
图17绝缘测试原理图
如图所示，绝缘测试大致的原理与导通测试相同，R1为限流电阻，Rx等效为待测线缆对其它线缆的绝缘电阻，Rf为参考电阻（多档位可选）。
考虑到绝缘电阻值通常比较大，无法直接对Rx两端的电压进行ADC取样，只能采样出Uf的电压。
经过推导，Rx可以采用公式Rx=（Vstim*Rf）/Vf-（R1+Rf）。
实际绝缘测试时，Rf通常可以忽略不计。
绝缘测试直流加压稳定后的保持时间可以通过上位机软件进行设置。
过了保持时间后开始连续采样转换，如采样转换30次求平均。
当进行高压测试模式时，激励源Vstim电压为20VDC-2000VDC，通过设计验证，可以满足测试量程50KΩ–2GΩ。
（主要验证的为1000VDC，测试范围50KΩ–5GΩ）
1.1.1.8耐压测试原理
耐压测试只针对高压测试模式，激励源电压为100~800VAC50~60HZ。
耐压测试原理整体与高压绝缘测试一致，R1为限流电阻，Rx等效为待测线缆对其它线缆的等效阻抗（容抗），Rf为参考电阻（多档位可选）。
交流电压信号Uf通过AC/DC转换，交流电压有效值转换为DC信号，通过高精度运放调理以后，ADC采样送到主控芯片处理。
耐压测试结果体现在漏电流，即计算出电流If=Vf/Rf即可。
耐压测试交流加压稳定后的保持时间可以通过上位机软件进行设置。
通过设计和验证，漏电流可以实现量程0.1mA–8mA（即支持漏电流阈值设置0.1mA–8mA）。
（8mA待确认）
1.1.1.9电容测试原理
电容测试主要用于电容器及线缆屏蔽电容的容量测试。
其设计思想是首先利用一定频率（如400Hz）的正弦波信号将被测量电容量Cx变成容抗Xc，Xc＝1/（2πfCx），然后进行C/V转换，把Xc转换成交流信号电压，再经过AC/DC转换期取出平均值电压V0，送至A/D转换器。
由于平均值电压V0∝Cx，只要适当调节电路参数，即可直读电容量。
容抗法测电容的优点是能自动调零，缩短了测量时间。
电容测试原理如下图：
图18电容测试原理图
图19
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