450A接觸電流測試儀測試網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)

　　1.引言

　　隨著社會的發(fā)展，人們使用的家用電器越來越多，品種和范圍也越來越廣，家用電器安全的重要性不言而喻。而防觸電是所有安全標(biāo)準(zhǔn)中最基本也是最重要的要求，家電產(chǎn)品的接觸電流就是關(guān)于電器安全方面要求的內(nèi)容之一，在中國強(qiáng)制認(rèn)證(簡稱CCC認(rèn)證)中也是產(chǎn)品安全型式認(rèn)可試驗(yàn)的主要測試項(xiàng)目，以及生產(chǎn)企業(yè)確認(rèn)檢查的測試項(xiàng)目。450A接觸電流測試儀就是一款專業(yè)用于測量接觸電流的儀器。

　　2.定義

　　接觸電流：當(dāng)人體或動物接觸一個或多個裝置的或設(shè)備的可觸及零部件時，流過他們身體的電流。

　　模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)：模擬人接觸裝置時的一個等效阻抗網(wǎng)絡(luò)。

　　虛擬示波器：基于計(jì)算機(jī)的波形數(shù)據(jù)采集儀器。

　　3.模擬人體阻抗測試網(wǎng)絡(luò)

　　產(chǎn)品的接觸電流信號波形是非正弦波，諧波頻率超過1 00Hz，見圖1所示。對于是非正弦的波形，測量其峰值電流相對人體阻抗更準(zhǔn)確。

　　由于接觸電流是指當(dāng)人接觸到產(chǎn)品時流過人體的電流，而人體可以看成是一個阻抗網(wǎng)絡(luò)，這個阻抗網(wǎng)絡(luò)由電阻電容通過一定的連接方式組成。等效來看接觸電流就是流過這個阻抗網(wǎng)絡(luò)的電流，這樣我們就可以模擬一個等效的測試環(huán)境來對接觸電流進(jìn)形測量。

　　在接觸電流的測試過程中，有兩個關(guān)鍵點(diǎn)：等效的人體阻抗網(wǎng)絡(luò)和流過這個網(wǎng)絡(luò)電流的峰值。等效的人體阻抗網(wǎng)絡(luò)即模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，在國際上通行的比較能模擬真實(shí)情況的有7種，如圖2為其中比較常用的5種模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，測量流過阻抗網(wǎng)絡(luò)的電流也就是接觸電流。450A接觸電流測試儀是中國賽寶實(shí)驗(yàn)室研制的一款測量流過模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)電流的測試儀器，它內(nèi)部集成了以上5種用于測試的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間可自由進(jìn)行切換，網(wǎng)絡(luò)的切換通過單片機(jī)進(jìn)行控制。

　　由于要對人體的阻抗進(jìn)行模擬，所以對模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)參數(shù)要求較高，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時所使用的電阻為無感電阻且較高的熱穩(wěn)定性，精度在1%以內(nèi)，電容也使用品質(zhì)較好的而且精度為1%的。如圖2網(wǎng)絡(luò)1，45OA測試儀器中，設(shè)計(jì)該網(wǎng)絡(luò)用電阻采用的是國外進(jìn)口的無感高功率電阻，精度為1%，電容采用是PHILIP公司的，精度為1%。在450A內(nèi)部的其他測試絡(luò)的設(shè)計(jì)上也選用同標(biāo)準(zhǔn)的元的件，達(dá)到較高的技術(shù)要求。

　　除了滿足元器件精度要求外，網(wǎng)絡(luò)的頻率特性在設(shè)計(jì)也是非常重要的，只有在一定的頻率范圍內(nèi)滿足輸入輸出要求的網(wǎng)絡(luò)才算是合格的。由于在設(shè)計(jì)電路時，電路板走線的長短和方向會對高頻信號產(chǎn)生影響，還有元器件的放置位置也會有影響，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，當(dāng)信號頻率去到幾百千赫茲甚至上兆赫茲時，信號將出現(xiàn)比較大的衰減。如圖2網(wǎng)絡(luò)1，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時，通過向該網(wǎng)絡(luò)輸入不同頻率的信號，測量u2的輸出值來校驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的特性。當(dāng)頻率比較低的時候，還能滿足頻率特性參數(shù)要求，但U2端的輸出值是通過一個RC低通濾波器輸出的，隨著輸入信號頻率的升高(頻率超過200kHz)，信號被快速的衰減，此電路設(shè)計(jì)不能達(dá)到測試網(wǎng)絡(luò)的特性參數(shù)要求。此時要對元件的安裝位置及參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并采用其它元件進(jìn)行補(bǔ)償，以滿足該測試網(wǎng)絡(luò)的頻率特性要求，見表1。在設(shè)計(jì)其它網(wǎng)絡(luò)時也要根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。

　　網(wǎng)絡(luò)切換的設(shè)計(jì)上使用單片機(jī)進(jìn)行控制切換，單片機(jī)通過串口與上位機(jī)主控程序進(jìn)行交互，在主控程序中通過按鍵或鼠標(biāo)進(jìn)行控制選擇。

　　4.接觸電流的測量

　　流過以上模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的電流稱為接觸電流。接觸電流的波形為非正弦波(如圖1)，標(biāo)準(zhǔn)要求測量的接觸電流值為最大的峰值電流，所以使用一般的有效值電流表無法進(jìn)行準(zhǔn)確測量。為了較為準(zhǔn)確的測量接觸電流的峰值，在設(shè)計(jì)上采用波形測量法測量接觸電流波形的電壓峰值，再通過計(jì)算得出接觸電流(Id)值。

　　注：表1是IEC60990-1999標(biāo)準(zhǔn)或GB12113標(biāo)準(zhǔn)附錄中?！邦l率”項(xiàng)為輸入正旋波信號的頻率“輸入阻抗”為輸入網(wǎng)絡(luò)信號的有效值，單位為毫伏，“轉(zhuǎn)換阻抗”為測試端U2的電壓值，單位為毫伏。網(wǎng)絡(luò)特性滿足上表要求的合格。其他的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)要求也如此，具體可參考該儀器的說明。

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　　在采用波形測量法獲取波形的峰值，先可通過將整個波形數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，然后換算得出波形最大的峰值，再利用公式計(jì)算出接觸電流的峰值，圖2網(wǎng)絡(luò)1的接觸電流峰值Id=U 2峰值/5 0 0。為了能實(shí)時采集接觸電流的波形數(shù)據(jù)，并方便的處理采集的數(shù)據(jù)，450 A采用PC加虛擬示波器的方案。在這個方案中，波形數(shù)據(jù)被實(shí)時的采集，加上PC在數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)勢，實(shí)時采集的數(shù)據(jù)被迅速轉(zhuǎn)換成測量需要的數(shù)據(jù)。通過在PC上執(zhí)行的主控程序，將硬件控制和數(shù)據(jù)處理顯示集中到一起，由外部進(jìn)行統(tǒng)一的控。圖3為450A的功能方框圖 接觸電流的波形數(shù)據(jù)首先通過虛擬示波器進(jìn)行采集，虛擬示波器硬件數(shù)據(jù)采集模塊通過USB接口和PC相連，將實(shí)時采集的數(shù)據(jù)通過USB接口傳送給PC，PC端通過虛擬示波器的USB底層驅(qū)動程序與外部硬件模塊進(jìn)行通信。PC端數(shù)據(jù)處理軟件借助PC快速的數(shù)據(jù)處理能力，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出峰值，并還原實(shí)時的波形。

　　由于虛擬示波器只能提供波形數(shù)據(jù)，并不能直接計(jì)算出接觸電流的值，在PC端用VB編寫了主控制程序進(jìn)行接觸電流的換算，主控程序通過虛擬示波器PC端動態(tài)連接庫函數(shù)對其進(jìn)行操作。

　　虛擬示波器PC端提供了用作二次開發(fā)的動態(tài)連接庫，通過該動態(tài)庫訪問虛擬示波器，獲取采集的實(shí)時數(shù)據(jù)。在V B開發(fā)主控程序中加入該動態(tài)連接庫，調(diào)用動態(tài)連接庫中的函數(shù)操作示波器。在程序設(shè)計(jì)中用到的函數(shù)是OpenDSO(打開示波器)，ShutDSO(關(guān)閉示波器)，StartDSO(開始采集數(shù)據(jù))，StopDSO(停止采集數(shù)據(jù))，ReadDSOData(數(shù)據(jù)讀取)等。

　　在VB中通過數(shù)據(jù)讀取函數(shù)ReadDSOData將數(shù)據(jù)讀人到一個數(shù)組中，通過數(shù)據(jù)比較的方式查找出其中的最大值，這個最大值即接觸電流波形電壓峰值，在根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)代用不同的計(jì)算公式技術(shù)接觸電流值，在圖2網(wǎng)絡(luò)1中，接觸電流峰值Id=U2峰值/500。通過VB中的CSng()函數(shù)將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成字符，在一個Label框中顯示出來。在VB中調(diào)用Line函數(shù)，將數(shù)據(jù)還原成波形。以下為主控程序中的部分源代碼;

　　程序1：控制示波器的程序段

　　//自動獲取虛擬示波器連接端口

　　5.結(jié)束語

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是電子技術(shù)的飛速方展、在測試儀器的設(shè)計(jì)上越來越向高精度、高智能方向發(fā)展。同時測試的產(chǎn)品對測試儀器的要求也越來越高，為了滿足不斷提升的要求，這款接觸電流測試儀器450A也就應(yīng)運(yùn)而生，不過隨著技術(shù)的發(fā)展，再先進(jìn)的測試儀器也有不足的地方，這就有待于我們進(jìn)行更進(jìn)一步的改進(jìn)和提升，以滿足產(chǎn)品測試的要求。