标签: 电压测量

    在 Pico 记录仪使用上，如果能实现与配套的 Picolog 软件有机结合使用是可以实现一些非常有用且有趣的应用，如伺服功能的实现。因此，一旦深入理解软件的那些潜在功能，那么你就可以轻松地实现伺服功能的合理调用。     对于 伺服操作之所以能够实现，是因为 Pico 数据记录仪所具备的多路报警输出端可以用作驱动外部硬件电路的工作。不过这种伺服应用也存在一些明显的限制，因为记录仪报警输出端的开启需要根据输入端信号来确认，不过若是通过计算参数通道来一直触发报警信号，那么伺服功能的实现将具备无限种可能。     接下来我们描述一种可编程数学伺服应用来实现输出持续且具备高精度和稳定性的参考电压。这个参展电压可以方便的在任意实验室内用来评估仪器设备或其他应用。之所以将该应用成为数学伺服功能是因为电压输出值是依靠将数据写入到 Picolog 软件内的两个输入通道来得到的。     这种伺服功能可以输出任意大小且具备决定精度的电压值，一旦开启数据采集器校准的检测，精度便将高于 1mV ，且不会有测量温度漂移。这里唯一的不足是： · 最小输出值： 0.6V 。这个限制是因为双极型晶体管饱和电压和操作缓冲导致的。若要接近 0V 电压输出必须将双极型晶体管替换为 Mosfet 管，运算放大器同样由 -bus 端提供电源； · 对于高于 2.5V 的电压需要在数据采集输入端来进行分压确保输入端采集的电压不会超设备的输入电压范围； · 4V 以内的输出可以用过 USB 总线的 5V 电压来实现。更高的电压值就需要通过外部电源来提供。     电路如图 1 所示，电容器 C3 。如果电压过低，开关 Q2 会导通。当电压达到所需电平时，开关 Q2 关断。如果穿过 C3 的电压过高，开关 Q4 会导通，将超出部分电荷接地释放掉。一旦所需电平达到，开关 Q4 就会关断。开关阈值通过 Picolog 软件来设定，并能够让这个值小于 1mV ，至此我们所需的输出电压大小就根据 Picolog 软件的数学计算通道来实现。 数学伺服功能具备两种操作模式可选，详情可通过电路原理图来进行了解。 - 操作模式 #1 ：电阻 R5 连接，开关 Q2 只是在启动阶段为 C3 提供快速充电 - 操作模式 #2 ：电阻 R5 不存在，开关 Q2 在 LOW END 工作方式下来实现对 C3 电容所需的充电电流实现自动开关。 在此案例中使用的数据采集设备为 Picolog1012 电压数据记录仪，对于其他 Picolog 记录仪也能实现该功能，例如 Picolog1216  电压记录仪能具备更好的控制性和精度，以及更多的输出端。 下面介绍 Picolog 软件的一些设置说明，对于伺服功能的实现，软件方面起到的控制作用非常关键，需要仔细思考和配置。 假设需要 1V 电压的输出， IC1A 输出到达数据采集器通道 7 和 9 ，设置如下： - 操作模式 #1 通道 9 — LOW END 测量参数：电压 扫描时间： 10 uS OPTIONS Format ： V Width:3 Positions: 5 Min. value: 0.6 Max. value: 3.0  Scale Equation: X*0.9982 ( 这个校正因子专门针对 1012 数据记录仪 ) Alarm 报警下限 :1.99 报警上限 : 2.20 数据输出 1 (NOTE: 实际是 D0) 通道 10 — HIGH END 测量参数：电压 扫描时间： 10 uS OPTIONS Format ： V Width:3 Positions: 5 Min. value: 1.99 Max. value: 2.01 Scale Equation: X*0.9982 ( 这个校正因子专门针对 1012 数据记录仪 ) Alarm 报警下限 1.99 报警上限 : 2.00020 数字输出 2 (NOTE: 实际是 D1) CHANNEL 7  –监测 该通道用于系统监测。     在闭合状态下电容 C3 会完全放电并快速上升到 2V 。这是通过当输出 D0 报警触发导通状态（即“ 1 ”状态）时实现，因为此时通道 10 读数将小于 1.99V 。此时晶体管 Q1 强饱和，然后 C3 会通过 R4 快速充电让 Q2 管饱和。然后通道 10 读数将迅速超过 1.99V ，报警输出 D0 还原为“ 0 ”状态，之后 C3 的充电速度会由于电阻 R5 而减小。      当电容 C3 的电压值达到 2.0002V 时，通道 10 会触发报警功能， D1 切换到“ 1 ”状态， Q4 管饱和， C3 通过 R11 电阻开始充电，这样后续 C3 的电压值就会回落到 2.0002V 以内并长期处于一种可忽略不计的蹊跷板效应状态。     IC1b 的 pin 1 针脚的输出在 VCC 电源电压移除时会快速关断。然后输出值下降到 0 ，使电容 C3 快速充满电。如果需要快速改变输出电压值，在 Q3 管的基极添加一个外部正电压即可让 C3 立刻放电。     在操作模式 #2 中电阻 R5 不存在， LOW END 通道会持续的工作，首先是让 C3 快速充电达到要求的电量，其次通过 R7 电阻来防止过电压。在此模式下通道 9 需要进行如下修改： - 操作模式 #2 通道 9 — LOW END 测量参数：电压 扫描时间： 10 uS OPTIONS Format ： V Width:3 Positions: 5 Min. value: 0.6 Max. value: 3.0  Scale Equation: X*0.9982 ( 这个校正因子专门针对 1012 数据记录仪 ) Alarm 报警下限 :2.0000 报警上限 : 2.20 数据输出 1 (NOTE: 实际是 D0) 操作模式 #2 下 15V 输出电压试验： -  电阻 R5:  去掉 . - Vcc 电源 : 24 V. -  通过电阻分压将 15V 电压将至 1.5V （具体  R101 = 4.700 Ω ; R102 = 42.300 Ω ; R101 + R102 = 47.000  Ω。 测试结果显示输出电压非常精确和稳定（即便在误差随着电阻分压扩大了 10 倍的情况下）。 Picolog1000 系列电压记录仪简介 PicoLog 1000 系列多通道数据记录仪 , 专为记录各种的通用电压信号 , 传感器信号和变送器信号而设计 , 自带独立软件 - 可设置缩放和控制输出 ,  配外部接线板 , 用于自定义前端电路 , 还可以选择 10 位或者 12 位的输入精度。 ·   一台记录仪达到 16 个输入通道  · 每一个记录仪达到 4 个输出通道  · 最多可 4 台记录仪同时连接使用，组成一个具备 64 路输入通道的数据采集系统  · 采样率最高达  1 MS/s  · USB  通信和供电  · 包含数据采集软件以及软件开发工具包  (SDK) 

在复合材料特性检测、电路电气特性检测、人体心电检测、核磁共振等方面需要对物体表面电压进行精确测量。传统上电压的检测都需要与物体直接接触，通过传导电流来完成。该种电压测量方法无法测量空中电压的变化，即使测量物体表面电压，这种接触测量方式也有许多缺点。例如，接触测量心电信号时，电极需要利用导电膏与皮肤直接接触，容易引起皮肤过敏，造成皮肤不适；接触测量电路时延特性时，由于测量电路的接人，改变了原有电路的传输特性，从而改变了时延，使测量不准确。接触测量物体表面的电压不仅操作麻烦而且有一定的危险性。为了克服接触电压测量的这些缺点，满足对物体表面电压非接触测量的需要，文中设计了一种新型便携式电压检测系统。该系统基于电容耦合原理，前端前置电路通过运用保护、自举、有源屏蔽等反馈技术，有效地提高了其输入阻抗，从而使该系统对物体表面电压测量时相当于一个理想的电压表，不需要与物体表面直接电气接触，利用位移电流即可完成电压的有效测量。 1 非接触电压测量原理 非接触电压测量的原理类似于磁力仪测量磁场，不需要直接电气连接，通过电容耦合，利用位移电流来测量物体表面或自由空间的电压。将传感器电极放在电场中，感应电极与信号源之间将形成耦合电容，通过耦合电容信号源经过测量系统与地之间将构成一个分压电路，如图1所示。 图1非接触电压铡量原理图 设信号源的电压为V s 由分压公式可得，在运放输入端的电压可表示为： 如果传感器前置放大电路的放大倍数为A v ，输入电阻和输入电容分别为R in 和C in 则传感器的输出可表示为： 由式(2)可知，当耦合阻抗与系统输入阻抗相比可忽略不计时，系统相当于一个具有理想特性的电压计，可有效测量电压信号。因此，为了提高系统的灵敏度，在系统设计过程中，应该采用反馈等技术提高系统前端传感器的输入电阻，降低输入电容。通过测量空中两点电压的大小，根据电压与电场的关系，可以推导出空中电场的情况。 2 系统设计 系统采用低功耗的MSP430F5529单片机作为控制器，通过敏感电极将信号以位移电流的形式采集到系统，然后进入前置放大电路，经过放大处理后输出给模数转换电路，模数电路将转换后的信号通过蓝牙无线传输给上位机进行显示。因为系统输入阻抗的大小直接关系到灵敏度，因此，在整个系统设计中，敏感电极和前置放大电路的设计是关键和难点，系统的结构框图如图2所示。 图2 非接触电压测量原理图 2.1 敏感电极 该敏感电极由感应层，有源屏蔽层和接地屏蔽层三层结构构成，通过三同轴电缆与后面前置放大电路连接。感应层和有源屏蔽层由直径为3.5 cm的标准双面印刷电路板构成。电路板的一面被覆铜作为感应层，感应层外围的一圈覆铜与印刷电路板的背面相连构成有源屏蔽层，最外层的金属壳作为接地屏蔽层。整个电极的直径为3.7 cm，厚度为0.5 cm．电极的结构如图3所示。 圈3 电极结构圈 2.2 前置放大电路 为了提高系统输入阻抗，有效测量空间或者物体表面微弱电压信号，在前置放大电路设计过程中采用了保护、自举、有源驱动屏蔽和接地屏蔽技等技术，结构原理图如图4所示。前置放大电路通过三同轴电缆从前端敏感电极获得感应信号，经过放大后输出给后面的信号处理电路。电路设计以高性能的静电型运算放大器AD549(图中A1)为核心，该运放具有超高的输入阻抗、极低的输入电容和低的输入噪声，完全满足非接触电压测量的需要。前置放大电路工作需要稳定的直流工作点，偏置电路能够为运放提供稳定的直流工作点，但偏置电路的引入也降低了系统的输入电阻，因此需要利用反馈技术在不显著降低输入阻抗的条件下为前置放大电路设计偏置电路。设计中考虑到R 1 和R 2 对偏置电路阻抗和噪声的影响，经过折中考虑，采用2个阻值为100 MΩ的电阻通过正反馈构成自举结构来形成偏置电路，如前置放大电路原理图所示。偏置电路的等效输入阻抗可用下面公式表示： 从式(3)可知自举结构的运用极大的提高了传感器的等效输入阻抗。为了减小传输线上的等效寄生电容，提高了输入阻抗，并减少了信号传输损耗。为减小运算放大器输入电容，在前置放大电路设计过程中采用了电容抵消技术，如原理图所示，电容C f 和电位器R p 构成输入电容抵消结构，该结构的运用使得运放的等效输入电容降低为： 式中μ是电位器的正反馈系数。 从式(4)可以看出，经过精确调节，选择合适参数，输入电容抵消结构能够有效降低运放的等效输入电容，增大系统输入阻抗。高性能运算放大器和新型反馈技术的运用使系统具有极高的输入阻抗，能够有效的耦合空间微弱电压信号。 圈4 前置放大电路原理圈 2.3 控制器和模数转换 系统采用16位单片机MSP430F5529作为控制器，该单片机采用了精简指令集结构，具有较低的供电电压，并且具有3个时钟，每个时钟都可以在指令控制下打开与关闭，这些特点使其具有极低的功耗，非常适合便携式检测设备对低功耗的要求。 因为检测的是微弱电压信号，为了提高系统的分辨率，采用24位宽频带AD转换芯片ADSl271构成模数转换电路。该芯片通过单电源供电，采用外部参考电压，输入端采用差分输入。因为系统测量的是低频交流电压信号，为了使信号满足AD转换芯片输入端电压的要求，在模数转换之前设计了一个电压提升电路。该电压提升电路由差分驱动芯片AD8131构成，其作用是将测量到的交流信号叠加一个2.5 V的直流偏移。叠加2.5 V的直流偏移不仅使信号满足了芯片输入端对电压的要求，而且增大了电压的测量范围。 2.4 软件设计 系统采用模块化程序设计，使用了多个子程序，包括AD初始化程序、延时程序、软件滤波程序、无线传输程序、上位机显示程序等，完成了信号采集、信号处理、信号传输，信号显示等功能。系统流程图如图5所示，主控制模块负责协调控制整个系统的运行，采用调用原则将需要的模块调入运行；AD转换模块负责完成信号的模数转换；无线传输模块完成单片机与上位机的信号传输；上位机显示模块完成信号的初步处理及显示。 图5前置放大电路原理图 3 测试结果及分析 为了对系统性能进行测试，文中设计了一种电压测试平台，如图6所示。该平台主要由聚四氟乙烯支撑架、铝金属板、绝缘支撑板三部分组成。聚四氟乙烯三根支撑柱上设计了多个等距离的间隙，用于放置极板和支撑板，并且方便板间距离的计算。以2片直径为80 cm的圆铝金属板作为电极极板，连接到信号发生器两端，用来产生电场。图中中间3片是绝缘支撑板，测量时将感应电极粘附在支撑板上，因此支撑板到极板的距离就是测量电极到极板的距离。将两极板相距30cm，上极板接信号发生器正电压输出端，下极板接负电压输出端并接地，感应电极距离上极板为25 cm，在两极板上加一个幅值为500mV，频率为2 Hz的正弦信号，测得的波形结果如图7所示。由图中可以看出，利用该系统通过非接触方式可以测得波形清晰，将测得的数值乘以标定系数后能够反映极板的电压。通过改变极板间不同的电压，可以测得系统的灵敏度和线性度。 图6电压测试平台 图7测试结果图 4 结束语 文中对基于电容耦合原理的非接触电压检测方法进行了阐述，重点介绍了具有超高输入阻抗的前置放大电路设计，完成了包括敏感电极和信号处理、传输、显示等模块在内的系统设计。该系统结构简单、灵敏度高，频带宽，实现了对电压的非接触测量，在医疗、安全、无损检测、人机交互等方面拥有广阔的应用空间。