實現電壓非接觸穩定測量

　　2.3控制器和模數轉換

　　系統采用16位單片機MSP430F5529作為控制器，該單片機采用了精簡指令集結構，具有較低的供電電壓，并且具有3個時鐘，每個時鐘都可以在指令控制下打開與關閉，這些特點使其具有極低的功耗，非常適合便攜式檢測設備對低功耗的要求。

　　因為檢測的是微弱電壓信號，為了提高系統的分辨率，采用24位寬頻帶AD轉換芯片ADSl271構成模數轉換電路。該芯片通過單電源供電，采用外部參考電壓，輸入端采用差分輸入。因為系統測量的是低頻交流電壓信號，為了使信號滿足AD轉換芯片輸入端電壓的要求，在模數轉換之前設計了一個電壓提升電路。該電壓提升電路由差分驅動芯片AD8131構成，其作用是將測量到的交流信號疊加一個2.5 V的直流偏移。疊加2.5 V的直流偏移不僅使信號滿足了芯片輸入端對電壓的要求，而且增大了電壓的測量范圍。

　　2.4軟件設計

　　系統采用模塊化程序設計，使用了多個子程序，包括AD初始化程序、延時程序、軟件濾波程序、無線傳輸程序、上位機顯示程序等，完成了信號采集、信號處理、信號傳輸，信號顯示等功能。系統流程圖如圖5所示，主控制模塊負責協調控制整個系統的運行，采用調用原則將需要的模塊調入運行;AD轉換模塊負責完成信號的模數轉換;無線傳輸模塊完成單片機與上位機的信號傳輸;上位機顯示模塊完成信號的初步處理及顯示。

　　圖5前置放大電路原理圖

　　3測試結果及分析

　　為了對系統性能進行測試，文中設計了一種電壓測試平臺，如圖6所示。該平臺主要由聚四氟乙烯支撐架、鋁金屬板、絕緣支撐板三部分組成。聚四氟乙烯三根支撐柱上設計了多個等距離的間隙，用于放置極板和支撐板，并且方便板間距離的計算。以2片直徑為80 cm的圓鋁金屬板作為電極極板，連接到信號發生器兩端，用來產生電場。圖中中間3片是絕緣支撐板，測量時將感應電極粘附在支撐板上，因此支撐板到極板的距離就是測量電極到極板的距離。將兩極板相距30cm，上極板接信號發生器正電壓輸出端，下極板接負電壓輸出端并接地，感應電極距離上極板為25 cm，在兩極板上加一個幅值為500mV，頻率為2 Hz的正弦信號，測得的波形結果如圖7所示。由圖中可以看出，利用該系統通過非接觸方式可以測得波形清晰，將測得的數值乘以標定系數后能夠反映極板的電壓。通過改變極板間不同的電壓，可以測得系統的靈敏度和線性度。

　　圖6電壓測試平臺

　　圖7測試結果圖

　　4結束語

　　文中對基于電容耦合原理的非接觸電壓檢測方法進行了闡述，重點介紹了具有超高輸入阻抗的前置放大電路設計，完成了包括敏感電極和信號處理、傳輸、顯示等模塊在內的系統設計。該系統結構簡單、靈敏度高，頻帶寬，實現了對電壓的非接觸測量，在醫療、安全、無損檢測、人機交互等方面擁有廣闊的應用空間。