高阻测量电路兆欧表Word格式.docx
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电阻分压器作为输出信号采样电路；
运放及相应器件构成控制器等。
技术要求：
1、设计放大器所需的直流稳压电源。
2、采用直流低压供电。
3、量程为1～1000MΩ。
4、测量阻值分三档在表头显示，即1～10MΩ、10～100MΩ、100～1000MΩ。
5、利用Multisim（或EWB）进行电路仿真与调试。
指导教师评语及成绩
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注：
平时成绩占20%，答辩成绩占20%，论文成绩占40%，作品成绩20%。
摘要
兆欧表用来测量电气设备绝缘电阻的可携式仪表,也可用来测量某些元件的性能参数及质量好坏。
主要用来检查电气设备、家用电器或电气线路对地及相间的绝缘电阻，以保证这些设备、电器和线路工作在正常状态，避免发生触电伤亡及设备损坏等事故。
根据直流变压和开关稳压电源的原理先将直流电压变为方波信号，再通过脉冲变压器把电压升高，再经过滤波获得直流电压。
为了稳压，对输出电压采样信号去控制方波的占空比，从而实现稳定输出电压。
有了直流电压后，将微安表和被测电阻串入回路，便可测出流过电阻的电流，将流过的电流换算出对应的刻度，则可直接读出电阻的阻值。
故首先将直流低电压（设用9V电池供点）升压为1000V的直流高压，然后通过整流滤波、控制电路和采样电路实现对电阻的测量。
本文的设计实现的功能为能够稳定测量大电阻的电路。
关键词:
兆欧表；
高电压；
脉冲变压器；
开关稳压电源；
稳定输出电压
目录
第1章绪论1
1.1高阻测量电路——兆欧表的应用1
1.2本文研究内容1
第2章高测量电路—兆欧表总体设计方案2
2.1高阻测量电路—兆欧表设计思路2
2.2总体设计方案框图及分析2
第3章兆欧表单元电路设计4
3.1控制器电路设计4
3.2方波产生电路设计5
3.3脉冲升压电路设计5
3.4整流滤波电路6
3.4.1级数的选择6
3.4.2运放的要求6
3.4.3滤波器的要求7
第4章兆欧表电路仿真与调试9
4.1Multisim仿真与调试9
4.2电路参数计算10
4.3整体电路性能分析11
第5章兆欧表实物制作12
5.1兆欧表实物焊接12
5.2兆欧表作品12
第6章总结14
参考文献15
附录I16
附录Ⅱ17
第1章绪论
1.1高阻测量电路——兆欧表的应用
兆欧表又称绝缘摇表,是用来测量电气设备绝缘电阻的可携式仪表,也可用来测量某些元件的性能参数及质量好坏。
一般只有500伏或1000伏的兆欧表，当测量高压电气设备绝缘时，经常会感到兆欧表的输出电压不足，灵敏度较低，甚至达不到查出局部性绝缘缺陷的目的。
因有时用500伏兆欧表测被试品绝缘值电阻值较高，而用2500伏兆欧表测其绝缘电阻值时已低到不能使用的程度。
绝缘是相对的，基本绝缘体对低压是绝缘的，但对高压不一定是绝缘的，因此，用不同电压兆欧表测出的绝缘电阻值是不同的。
1.2本文研究内容
本文研究内容为设计一款能够稳定测量大电阻的电路。
兆欧表的选择，主要是选择它的电压及测量范围。
高压电气设备绝缘电阻要求高，须选用电压高的兆欧表进行测试；
低压电气设备内部绝缘材料所能承受的电压不高，为保证设备安全，应选择电压低的兆欧表。
选择兆欧表的原则是不使测量范围过多地超出被测绝缘电阻的数值，以免因刻度较粗而产生较大的读数误差。
5、利用Multisim或（EWB）进行电路仿真与调试。
第2章高测量电路—兆欧表总体设计方案
2.1高阻测量电路—兆欧表设计思路
要测量高阻物体的阻值，需要有稳定的直流高压，故首先将直流低电压（设用9V电池供点）升压为1000V的直流高压，同时采取稳压措施。
根据直流电压和开关稳压电源的原理，可先将电池供电的直流电压变为方波信号，再通过脉冲变压器升压，然后经过整流，滤波，可获得直流高压。
为了稳压，可对输出电压采样，利用采样信号去控制方波的占空比，从而实现未定输出电压。
有了直流高压后，将微安表与被测电阻串联回路，便可测出流过电阻的电流，将流过表头的电流换算成对应电阻的刻度，则可直接读出被测电阻的阻值。
2.2总体设计方案框图及分析
图2.1总体设计方框图
电源接通后，线圈
的两端产生上正下负的感应电动势，以阻止T的集电极电流i的增加。
通过耦合线圈也产生上正下负的电动势，电动势经电容的C的耦合通过R是T的基极电流
加大，则i进一步增加，再次通过
使
增加，该正反馈过程使三极管迅速饱和。
此后C经
、T逐渐放电，C左端电位下降，又在
中产生下正上负的感应电动势，
也产生下正上负的感应电动势，通过C使
减小，I进一步减小，此正反馈过程使三极管迅速截止，E通过D、R2对C充电，使T的基极电位升高，当
升到使T导通时，又重复上述过程。
以上就是周而复始地进行，产生振荡，得方波输出。
改变电容的充放电时间常数，可改变其占空比。
方波信号电压通过脉冲变压器升压（
/
＞＞1），是输出信号
再经过整流、滤波，得到支流高压输出信号V0。
被测电阻与微安表串于输出回路中，则有相应的电流流过表头，采用切换开关切换表头不同的并联电阻，使表头满刻度值分别校正为1000μA、100μA和10μA，即可得到三档不同量程。
为了防止表头损坏，可在表头两端并联两个反向的二极管。
在输出端串联一保护电阻，防止R小于1M时损坏器件。
第3章兆欧表单元电路设计
3.1控制器电路设计
图3.1控制器电路
用电阻分压器对输出信号V0采样，用运算放大器A和三极管Q1构成控制器。
当V0上升时，VF也上升，使三极管Q1的集—射级电阻r减小，时间常数τ减小,则加快电容C的放电速度，加速振荡电路中Q由饱和变截止，E变成下正上负，使V0减小，起到稳定输出电压的作用。
3.2方波产生电路设计
图3.2方波产生电路电路图
在原理上讲，凡具有放大能力的集成器件或三极管都可用来组成振荡器，目前已有按照振荡器工作特点设计的集成电路供选用。
例如，用集成振荡器E1648能方便地组成振荡频率的振荡器，集成多功能振荡器5G8083能输出低频正弦波，方波，三角波信号，用集成定时器555/666能灵活地组成数百千赫以内的多谐振荡器等。
用上述集成器件组成波形产生电路时，具有电路简单，调试方便，性能优良等一系列优点，在相应的频率范围内，可优先选用此类器件。
选用具有放大能力的集成器件时，首先应考虑器件的工作频率范围。
为了满足振荡器的起振条件，放大器的单位增益带宽BW至少应比振荡频率大（1—2）倍。
为保证振荡器有足够高的频率稳定度，一般取3dB带宽（对集成宽带放大器）因此，在几百千赫以下时，可选用集成功放等，在兆赫以上时，可选用集成带宽放大器，射频带宽放大器，射频/中频放大器，双差分放大器等。
其次应考虑器件的最大输出电压幅度和负载特性能否满足要求。
当振荡器要求低噪声性能时，应选用噪声系数小的器件。
3.3脉冲升压电路设计
升压就是将电池提供的较低的直流电压，提升到需要的电压值，其基本的工作过程都是：
高频振荡产生低压脉冲——脉冲变压器升压到预定电压值——脉冲整流获得高压直流电，因此升压电路属于DC/DC电路的一种类型。
在使用电池供电的便携设备中，都是通过升压电路获得电路中所需要的高电压。
、
图3.3升压电压电路图
3.4整流滤波电路
一个理想的滤波器，应在要求的频率带内均匀而稳定的增益，而在通带外，则具有无穷大的衰减。
用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器，具有许多独特的特点。
因为不用电感元件，所以免除了电感所固有的非线性特性，磁场屏蔽，损耗，重量和体积过大等缺点。
3.4.1级数的选择
滤波器的级数主要根据对带外衰减特性的要求来确定。
每一阶低通或高通电路可获得一12dB倍频的衰减。
多级滤波器串接时，传输函数总特征的阶数等于各级数之和。
当要求外带衰减特征为-Mbd倍频时，则所取级数N应满足>
>
M/6。
3.4.2运放的要求
在无特殊要求的情况下。
可选用通用型运算放大器。
为了获得足够深的反馈，以保证所需滤波特征，运放的开环增益应在80dB以上。
对运放频率特性的要求，由其工作频率的上限确定，设工作频率的上限为Fh，则运放的单位增益频率应满足下式：
BWg>
（3~~5）AfFh,式中Af为滤波器通带的传输系数。
如果滤波器的输入信号较小，例如在10mV以下，以选用低漂移运放为宜。
如果滤波器工作于超低频，以至使RC网络中电阻元件的值超过100k时，则应选用低漂移，高输入阻抗的运放。
3.4.3滤波器的要求
对一阶滤波器，其特征由通带传输系数和截止频率确定。
至于二阶滤波器，对高通和低通滤波器，其特征由通带传输系数，自然频率Wn和阻尼系数确定。
如图3.4和3.5所示，对带通和带阻波波器，则是由通带传输系数，中心频率Wo和品质因数Q决定。
通常是根据技术指标的要求确定这些参数，然后再由这些参数计算电路的元件值在设计时，经常出现待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数的数目。
例如，压控电压源型滤波器待确定其值的元件有六个，而限制元件取值的参数只有三个，即通带传输系数，自然频率，阻尼系数。
因此，有许多个元件组可满足给定特性的要求。
一般从选定电容器入手，因为电容标称值的分档数比较少，电容难配，而电阻易配。
图3.4二阶无限增益多环反馈型有源滤波器电路
图3.5压控电压源型低通滤波器
第4章兆欧表电路仿真与调试
4.1Multisim仿真与调试
图4.1整体电路图
如图4.1，兆欧表由直流电源和磁电系比率计两大部分组成。
其中直流电源可以是手摇直流发电机，也可以是能输出直流高压的电子变换器。
仿真后的结果如图4.2所示。
万用表的读数如下：
图4.2模拟结果
4.2电路参数计算
电流I1和I2分别通过两个可动线圈时，都会受到永久磁铁磁场电磁力的作用。
兆欧表的结构和内部接线应保证两个可动线圈所受电磁力矩方向相反，M1是转动力矩，M2是反作用力矩。
由于磁场不均匀，M1和M2的大小不仅与电流有关，还与比率计可动部分（包括指针6）的偏转角α有关，即
当可动部分偏转到M1=M2位置时，由于
磁电系比率计指针的偏转角
可见，磁电系比率计的指针偏转角α是I1与I2的比值的函数，这也是它被称为“比率计”的主要原因。
兆欧表的测量原理电路，点划线框内的部分是兆欧表的内部电路。
可动线圈1与电阻R1、被测量绝缘电阻Rx串联，可动线圈2和电阻R2串联，之后两个支路都并接到手摇发电机的两端。
当被测绝缘电阻不同时，在相同的电源电压U的作用下，I1的数值不同，而I2的数值始终一样。
也就是说，不同的被测电阻Rx，使得兆欧表中I1/I2的比值不同，指针的偏转角α不同。
所以，可以根据指针偏转角α的大小确定被测绝缘电阻的大小。
当被测绝缘电阻Rx=∞时，I1=0，M1=0，可动部分在M2作用下逆时针偏转，直至可动线圈2转到圆柱形铁心缺口处，线圈2受到的电磁力方向通过转轴，M2=0。
此时，指针停在标尺左端“∞”。
当被测绝缘电阻Rx=0时，电流I1最大，可动部分偏转角α也最大，指针指在标尺右端“0”处。
兆欧表的标尺刻度是反向不均匀的。
由于没有机械游丝，磁电系比率计在不通电时其指针可以停留在任一位置。
4.3整体电路性能分析
1.测试电压可选1～10MΩ、10～100MΩ、100～1000MΩ.
2.测量时间15秒、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30分钟可选.
3.高压源输出电流能力≥5Ma.
4.测量量程1～1000MΩ.
5.绝缘电阻值测量精度5%（20GΩ）、10%（200GΩ）
6.测试电压精度5%.
7.内附可充电电池连续工作时间达到2小时以上.
8.内部可保存100个测量结果.
9.工作条件：
环境温度：
0～40℃相对湿度：
30％～80%.
第5章兆欧表实物制作
5.1兆欧表实物焊接
具体电路的布线与焊接，为了防止电路分布参数影响工作状态产生误差，应该尽量避免飞线，尽量缩短导线长度。
为防止测试操作过程中将运放芯片的电源反接导致芯片烧毁导致安全事故。
应该合理布置电源接口，并予以标注各接地点应该牢固连接并接出接口。
信号输出接口应予以符号标出。
焊接布线图如图5.1所示。
图5.1兆欧表电路焊接布线图
5.2兆欧表作品
为缩小版面尺寸，应合理紧密选择器件位置，并考虑到电位器在实际使用中需要频繁的调节，应安放在方便调节的位置，各输出端应合理布置测试点，电源和接地线应留出接口。
为方便测试，应用图示标出各测试接口的功能。
尤其是正负电源接口，测试过程中一旦反接会导致芯片击穿烧毁造成安全事故。
如图5.2所示。
图5.2兆欧表电路实物图
第6章总结
本次课程设计的题目是高阻测量电路—兆欧表。
在设计过程中，从任务要求的分析、系统框架的建立、分系统的设计到总体设计，从原理图设计到软件仿真、电路板布线焊接到实物测试，这其中遇到许多的问题，有的是设计上考虑的不够周全，有的是电路实现上的，在解决这些问题的过程中，我深深的领悟到了电子设计、制作、调试的奥妙，也使我对电子技术有了浓厚的兴趣。
要测量高阻物体的阻值，需要有稳定的支流高压，故首先将直流低电压升高为直流高压，同时需采取稳压措施。
根据直流变压和开关稳压电源的原理，可先将电池供电的直流电压变为方波信号，再通过脉冲变压器升压，然后经过整流、滤波，可获得直流高压。
为了稳压，可对输出电压采样，利用采样信号去控制方波的占空比，从而实现稳定输出电压。
开发设计的初级阶段，由于对Multisim电路仿真软件使用不够熟练，通过上网查阅相关教程和查阅相关书籍，我对Multisim电路仿真软件的使用有了进一步的认识。
随着设计的深入，逐步加深对该软件的认识和对修改元件库内元件参数的熟悉和理解。
同时，我也阅读大量的资料了解振荡电路设计工作的一些特点。
课程设计是对所学知识的应用，理论联系实际让我对学过的知识有了更加深刻的理解。
通过电路的设计、仿真、修改、制作、测试。
调试的过程，不但掌握了基本的电子设计制作调试技术，也掌握了相关仿真软件的操作。
通过这段时间里的学习，我学习到了很多新知识，也对电子设备开发的过程有了更深的了解，并且对电路设计的基本思路有了较深的认识，学会并掌握了仿真软件的使用与调整电气参数的技术，加深了对仿真软件使用的熟练程度，对晶体管器件的参数理解和使用有了更深的认识，对电路的设计方法也照以前有了很大改进。
本人签字：
参考文献
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（2）:
10-21
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西安交通大学出版社,2012
附录I
整体电路图
附录Ⅱ
元器件清单
元器件名称
参数
数量
可调电位器
1K
2
电解电容
10
50
3
三极管
9014
电阻
12
二极管
1N4735
1N4148
运放
LM324
导线
若干
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