0 引 言
為保證高壓開關(guān)安全運行，必須用高壓開關(guān)機械特性測試儀對其機械特性進行測試，了解高壓開關(guān)的各種參數(shù)是否正常，從而進行相應(yīng)的維護檢修。高壓開關(guān)機械特性測試儀能夠?qū)Ω邏洪_關(guān)的合、分閘時間、彈跳時間、速度、行程等參數(shù)進行測量[1]。由于行程便于校驗，速度則是根據(jù)行程和時間參數(shù)來確定的，所以測試儀*主要的技術(shù)指標(biāo)就是時間參數(shù)的準(zhǔn)確度。目前，測試儀沒有專用標(biāo)準(zhǔn)器，各生產(chǎn)廠家所用的校驗方法也不盡相同[2-3]。
針對這種現(xiàn)狀研制了高壓開關(guān)機械特性測試儀的校驗裝置，可對高壓開關(guān)機械特性測試儀的各時間參數(shù)進行校準(zhǔn)。本裝置應(yīng)用 CPLD 和 MCU 聯(lián)合控制機制，通過 MCU 控制高速切換開關(guān)來模擬、高壓開關(guān)合閘、分閘以及彈跳動作，同時利用 CPLD高速計時的特點，對整個合、分閘及彈跳時間等進行校準(zhǔn)。
1 原理及功能概述
本裝置由 AVR 微控制器、CPLD 控制電路、人機接口電路（鍵盤和液晶）、觸頭動作模擬器電路和動作觸發(fā)隔離電路等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。AVR 微控制器將設(shè)定好的動作方式與時間通過SPI總線方式傳遞給 CPLD，由 CPLD 內(nèi)部的邏輯來控制觸頭動作模擬器進行動作。當(dāng)高壓開關(guān)機械特性測試儀啟動測試信號后，通過隔離單元觸發(fā) CPLD依據(jù)設(shè)定時間控制觸頭動作模擬器做預(yù)定動作，然后 CPLD 依據(jù)反饋信號開始計時，同時高壓開關(guān)特性測試儀檢測觸頭電壓信號從而進行校準(zhǔn)。下面以合、分閘時間和彈跳時間分析裝置的工作過程。
1.1 合、分閘時間校驗
當(dāng)校驗裝置模擬合閘動作時，具體工作時序如圖 2 所示。觸頭初始狀態(tài)處于開路狀態(tài)，即兩觸頭（A+、A-）間為高電平；當(dāng)測試儀發(fā)出合閘信號時，測
試儀產(chǎn)生一個正脈沖，從脈沖的上升沿 T0 時刻開始計時，當(dāng)設(shè)置的合閘時間 T1 時刻到來時，由 CPLD 發(fā)出控制信號 CPLD_A，控制觸頭模擬器兩觸頭（A+、A-）導(dǎo)通，使得兩觸頭間電平處于邏輯低電平，從而觸發(fā)測試儀完成合閘時間測試。由于觸頭模擬器電路有一定的延時，實際合閘時間不是 T1-T0 而是T2-T0，所以必須利用觸頭合閘反饋信號 CPLD_FA 對合閘時間進行回測，利用 CPLD 門電路的特點，依據(jù)時序在 CPLD 中設(shè)計計數(shù)邏輯，對高精度的有源晶振進行計數(shù)，從而得到標(biāo)準(zhǔn)合閘時間。分閘時間校準(zhǔn)過程與上述原理一樣。
1.2 彈跳時間校驗
校驗裝置模擬彈跳動作時，具體工作時序如圖 3所示。觸頭間初始狀態(tài)處于開路狀態(tài)，即兩觸頭（A+、A-）間為高電平；當(dāng)測試儀發(fā)出合閘信號，從脈沖的上升沿 T0 時刻開始計時，當(dāng)設(shè)置的合閘時間 T1時刻到來時，由 CPLD 發(fā)出控制信號 CPLD_A 產(chǎn)生一個脈沖抖動信號，控制觸頭模擬器兩觸頭（A+、A-）先導(dǎo)通，再閉合，*后再導(dǎo)通，使得兩觸頭（A+、A-）間電平從 T2 時刻的高電平變?yōu)榈碗娖?，T3 時刻又變?yōu)楦唠娖剑琓5 時刻又變?yōu)檫壿嫷碗娖?，從而觸發(fā)測試儀完成合閘時間測試。由于觸頭模擬器電路有一定的延時，實際彈跳時間不是 T5-T2 而是 T4-T1，所以必須利用觸頭合閘反饋信號 CPLD_FA 對合閘時間進行回測。裝置模擬了從校準(zhǔn)正脈沖上沿出現(xiàn)時開始的開關(guān)觸頭閉合的接觸振蕩，至正脈沖下沿出現(xiàn)時刻的觸頭*后一次分離后的重新接觸，符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對合閘彈跳時間的定義。
測試儀可對被測開關(guān)的合、分閘時間、三相不同期時間、彈跳時間等參數(shù)進行測量，基本量是合閘分閘時間和彈跳時間，其他量可通過基本量運算后得
出。因此該校驗裝置設(shè)計了 A、B、C 三路觸頭模擬電路和相應(yīng)的時間測量電路，根據(jù)設(shè)置三路不同的合閘時間，便可以得到三相不同期的時間參數(shù)。
2 關(guān)鍵單元電路的設(shè)計分析
2.1 觸頭動作模擬器和隔離單元
合、分閘和彈跳時間都是根據(jù)高壓開關(guān)觸頭電平變化得到的，觸頭電壓是由測試儀提供的（一般為12VDC），本裝置的觸頭動作模擬器通過控制光繼電
器 AQV221 的通斷來模擬高壓開關(guān)觸頭電平的變化，從而模擬高壓開關(guān)的合、分閘及彈跳的動作，具體電路如圖 4 所示。AQV221 具有動作迅速（0.1ms）、導(dǎo)通電阻?。?.1Ω）、隔離度高（1 000MΩ）而且沒有機械振動等特點，特別適合模擬高壓開關(guān)觸頭電壓的變化。
當(dāng) CPLD_A 為低電平時，AQV221 輸出端子（3、4 管腳）間開路，測試儀兩觸頭（A+、A-）間為高電平；當(dāng) CPLD_A 為高電平時，AQV221 輸出端子 （3、4 管腳）間短路，同時觸發(fā)高速光耦 6N137 導(dǎo)通，測試儀兩觸頭（A+、A-）間為低電平。圖 4 中的 6N137 用來實測模擬觸頭電平變化的反饋信號。
測試儀觸發(fā)計時信號采用高速光耦 6N137 進行隔離，由于采用高速光耦 6N137，該光耦導(dǎo)通時間是納秒級，所以對于 0.01 ms 的校準(zhǔn)可以忽略不計。這
樣不僅不會影響測量的精度，同時還實現(xiàn)了校準(zhǔn)裝置與測試儀的電氣隔離。具體電路如圖 5 所示。
2.2 CPLD 邏輯設(shè)計
CPLD 的邏輯設(shè)計主要包括兩部分，一是 CPLD與 MCU 控制器的邏輯設(shè)計，二是 CPLD 對觸頭模擬器以及合、分閘時間與彈跳時間等的計時控制邏輯。
2.2.1 CPLD 與 MCU 的邏輯設(shè)計
MCU 和 CPLD 采用 SPI 總線方式進行通信，其中 AVR 單片機作為主設(shè)備，CPLD 作為從設(shè)備，當(dāng)MCU 主動去向 CPLD 寫命令參數(shù)時，CPLD 采用移位寄存器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)，然后經(jīng)過 D觸發(fā)器將 MCU 的命令傳遞給 CPLD；當(dāng) MCU 主動去讀取 CPLD 的計時參數(shù)時，在 CPLD 內(nèi)部的邏輯其實是先將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)然后通過 SPI總線傳遞給 MCU[4-5]。
2.2.2 CPLD 控制和計時邏輯
CPLD 控制和計時邏輯的邏輯電路框圖如圖 6所示。從 MCU 傳遞來的命令控制字存入命令寄存器，命令寄存器中的工作方式控制字與時間設(shè)定控制字一方面通過譯碼控制觸頭模擬器電路按照設(shè)定時間動作；另一方面對 3 種使能邏輯（合閘、分閘及彈跳的計時使能邏輯）進行譯碼，*終得到計數(shù)的使能信號；命令寄存器的復(fù)位控制字在每次計數(shù)前對計數(shù)模塊清零。計數(shù)模塊時鐘輸入端采用帶溫度補償?shù)母呔染д?，計?shù)使能信號的上升沿鎖存*終的計數(shù)值，然后輸出到時間寄存器中供 MCU 讀取顯示。
3 測試結(jié)果及不確定度評定
3.1 測試結(jié)果
用一臺 413D 型毫秒儀對高壓開關(guān)機械特性測試儀校驗裝置合閘時間進行校驗，測試數(shù)據(jù)如表 1所示，測試**誤差≤±0.02 ms。
3.2 不確定度評定
因篇幅所限，本文僅對合閘時間校準(zhǔn)的測量不確定度作評定。開關(guān)特性測試儀合閘時間校準(zhǔn)的測量不確定度來源主要有：測量值不重復(fù)引入的不確定度；標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的不確定度；開關(guān)特性測試儀分辨率引入的不確定度[6-9]。合閘時間的數(shù)學(xué)模型為
EX = ES+δ1+δ2 （1）
式中：EX——校驗裝置的示值；
ES——毫秒儀示值；
δ1——測量重復(fù)性引入的誤差；
δ2——校驗裝置分辨率引入的誤差。
重復(fù)性引入的不確定度分析：在相同條件下，對毫秒儀 100 ms 進行 10 次穩(wěn)定性合閘時間測量，所得的數(shù)據(jù)如表 2 所示。
所得標(biāo)準(zhǔn)差為
u（δ1）=s= 1n- 1nΣi = 1（xi- x軃）2姨 = 0.007 38 ms（2）
毫秒儀引入的不確定度分析：毫秒儀在誤差限在 100 ms 時為±0.01 ms，即 a=0.01 ms，屬于均勻分布，覆蓋因子 k=姨3 ，其不確定度為了音樂的再放還原效果。因此，這兩個頻率段也是樣車混響時間優(yōu)化的重點所在。
鑒于 EASE 軟件在車載揚聲器聲場中模擬的準(zhǔn)確性，可以借助 EASE 軟件指導(dǎo)車輛內(nèi)飾設(shè)計，在減少實驗周期的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對車載揚聲器聲場的準(zhǔn)確預(yù)測和有效控制，提高工作效率。以樣車為例，增加紡織材料表面密度或地毯針刺密度[7]、將絨布座套更換為亞麻座套[8]或三明治面料座套、使用玻璃纖維
含量相對較高的纖維紡織物[9]等方法，可以實現(xiàn)駕駛室聲場的優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示：通過將薄地毯更換為針刺密度為 116.7 針/cm2 的針刺地毯、將絨布
座套更換為亞麻座套、將纖維紡織物中玻璃纖維含量從 100 g/m2 增加到 200 g/m2 的方法，500 Hz 的混響時間降低了 0.22 s，1 000 Hz 以上的高頻聲混響時間*多增加了 0.14 s。
當(dāng)然，使用 EASE 進行車載揚聲器聲場的模擬還存在以下需要改進的問題：**的車載揚聲器聲場實驗需要考慮乘員的存在，而 EASE 在分析封閉小空間聲場的時候還不能將人的因素考慮進來；EASE 模擬的準(zhǔn)確性建立在對材料吸聲系數(shù)準(zhǔn)確掌握基礎(chǔ)上，而目前還沒有國產(chǎn)內(nèi)飾材料系統(tǒng)準(zhǔn)確的吸聲數(shù)據(jù)庫。
4 結(jié)束語
本文采用 EASE 軟件建模仿真和實驗研究相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了某型轎車車載揚聲器聲場混響時間的仿真和測量，通過對比分析，驗證了利用 EASE軟件指導(dǎo)內(nèi)飾設(shè)計的可行性。通過對混響時間的分析研究，分析了樣車混響時間在低頻和 1 000 Hz 以上高頻對音樂效果的影響，提出了內(nèi)飾優(yōu)化設(shè)計的可行措施，對汽車車載揚聲器聲場的研究和優(yōu)化具有一定的借鑒意義。
