介質(zhì)損耗儀是一種測試高壓絕緣體性能狀況的儀器，原理為從標準通道取得的電信號與被試通道取得的電信號相比較、分析與處理來得出被試體的絕緣狀況。被試體可等效為電阻與電容的并聯(lián)。圖1為原理結(jié)構(gòu)圖。在分析處理中，需要得出精確的兩個通道信號的大小， 和求出兩通道信號的相角之差。由于采樣環(huán)境惡劣與對采樣精度的高要求，采樣設計應注意：一：采用高的采樣頻率，拓寬原始信號的頻域，保證原始信號的最小失真的采樣；二：為克服采樣的壞環(huán)境和得到高精度的 A/D轉(zhuǎn)換量化值，應選用高精度與高線性度的A/D轉(zhuǎn)換芯片；三：為保證相角差的測量，兩個通道應同時開始采樣；三DFT處理：為了對采樣來的離散點信號進行快速傅立葉變換，采樣的時間段為一個周期。在實時采樣中采樣頻率實現(xiàn)的問題上，有多種方案，可以由嵌入式的微處理控制器設定頻率觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器的采樣，像如利用DSP處理芯片其采樣周期只有25ns甚至更??；也可設計專門的硬件組成觸發(fā)電路。在本儀器中是利用一種普通的微控器（80C196）結(jié)合鎖相環(huán)組成的外圍硬件觸發(fā)采樣的。下面講述這種采樣的原理與實現(xiàn)。
1 原理介紹
由于單位周期內(nèi)采樣點越多，測得的值就越精確。本設計中一個原始信號周期擬采樣512個點，工頻的頻率為50Hz，所以采樣頻率大概就是25600Hz，其可包含更寬的原始信號頻域，采樣更真實。采樣就是要把真實的信號存入處理器存貯內(nèi)，以供處理調(diào)用。此全過程有采樣觸發(fā)與A/D轉(zhuǎn)換兩個部分。
1.1 采樣觸發(fā)
采樣觸發(fā)圖如下：
圖2 觸發(fā)電路
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上圖中LM311是專用的電壓比較器，把其設置為過零比較。而VIN2則是通道2原始信號引出來的采樣線，其為正弦波，所以LM311輸出的為與原始信號頻率一致的脈沖方波，送至鎖相環(huán)4046的AIN引腳。鎖相環(huán)4046的AIN與BIN為輸入，AIN引入采樣進來的信號，BIN引入反饋信號。如果比較兩路信號其頻率不一致，鎖相環(huán)4046在內(nèi)部產(chǎn)生一個AIN信號的分或倍頻信號（一種脈沖方波）由VCOUT即4腳輸出，如BIN的頻率大于AIN的頻率則倍頻反之則分頻，此過程一直到AIN與BIN兩路信號的頻率相等才會穩(wěn)定。鎖相環(huán)后的電路是VCOUT連到的倍數(shù)器4040輸入端A，4040的Q9腳引出信號作為反饋接至4046的BIN端。4040是倍頻芯片其Q9引腳的輸出信號是輸入A端信號的512之倍頻。由于4046的AIN與BIN引入頻率相同時內(nèi)部分倍頻才穩(wěn)定，因此VCOUT穩(wěn)定的輸出是AIN輸入的512分頻，這時鎖相環(huán)穩(wěn)定從VCOUT輸出采樣信號的512分頻的脈沖方波。為了觸發(fā)效果的需要，加一RS觸發(fā)器74HC123引出OUT觸發(fā)。OUT觸發(fā)便輸出至兩個通道的A/D轉(zhuǎn)換器AD976的R/C腳（SAMPLE），這樣可以保證兩個通道同時采樣。
1.2 A/D轉(zhuǎn)換
A/D轉(zhuǎn)換的硬件連接圖如圖3（只引出了通道1）。AD976是一種高速度、低電壓、16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其線性誤差很小，帶有8位并行輸出口。A/D轉(zhuǎn)換后的16位數(shù)字值分時兩次從并行口輸出，由外來BYTE腳引入高低電平分別對應讀取16位數(shù)字信號的高8位和低8位。/BUSY引腳輸出的是轉(zhuǎn)換過程的狀態(tài)，低電平為轉(zhuǎn)換期間，高電平為轉(zhuǎn)換結(jié)束，本設計中把此信號作為80C196的高速輸入事件的輸入，由80C196識別可進入其A/D轉(zhuǎn)換的響應程序。其一次A/D的過程是：微控器識別A/D事件輸入后進入響應程序，響應程序中微控器完成16位數(shù)據(jù)的讀取又回到下一次A/D事件的查詢狀態(tài)。在整個采樣A /D轉(zhuǎn)換過程中采樣周期為19μs左右，AD976轉(zhuǎn)換時間是5~10μs，每次轉(zhuǎn)換之前/BUSY產(chǎn)生一個事件廷遲時間為83ns，轉(zhuǎn)換結(jié)束/BUSY 產(chǎn)生一個事件延遲180~360ns，加起來采樣費時不超過11μs，所以AD976的響應這種高速采樣是沒有問題的。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字數(shù)據(jù)通過 74HC541鎖存送至80C196的P3口，這就完成了信號由采樣到存儲、由模擬到數(shù)字的工作，通過對處理器的編程就可完成這個過程。
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2 程序?qū)崿F(xiàn)
2.1 程序設計
如圖4,A/D數(shù)據(jù)通過鎖存器與MCU連接，數(shù)據(jù)由P3口輸入，兩個通道ADC的/BUSY引出線/BUSY1與/BUSY2構(gòu)成輸入事件HSI0，兩個 ADC的BYTE接I/O口P2.6，兩通道 的鎖存器地址由系統(tǒng)給出分為CS1與CS2。MCU的程序就是把兩個A/D通道轉(zhuǎn)換好的數(shù)值讀取到MCU 中，其事件響應為查詢方式，程序框圖如圖5。
2.2 采樣執(zhí)行的子程序片段摘錄
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程序執(zhí)行的結(jié)果是要求512個的數(shù)據(jù)存入處理器指定的RAM內(nèi)，在上程序中CVTWAIT循環(huán)一次就存一個采樣點，/BUSY事件等待查詢響應很快。一個 CVTWAIT循環(huán)周期大概只需要1μs左右（采用20MHz的主頻，不計等待的時間），遠小于19μs單點采樣周期。通過這些程序和在之前介紹的硬件，512點的采樣與A/D就可很好的完成。
3小結(jié)
在儀器使用過程中，此采樣硬件與軟件的設計在速度與精度上都達到了儀器的要求，可以說這一采樣設計是一個既經(jīng)濟又有效的設計，愚以為能給相關開發(fā)者提供一些參考。
參考文獻
[1] 何利民 . 單片機應用系統(tǒng)設計 . 第一版 . 北京航天航空大學出版社
[2] http://www.analog.com/productSelection/pdf/AD976_A_c.pdf C2624c-1-8/99
[3] http://www.intel.com/design/MCS96/MANUALS/27297302.pdf
[4] http://www-s.ti.com/sc/ds/cd74hc4046a.pdf
[5] http://www-s.ti.com/sc/ds/cd74hc4040.pdf
下載文檔
