0 引 言

為保證高壓開關安全運行，必須用高壓開關機械特性測試儀對其機械特性進行測試，了解高壓開關的各種參數(shù)是否正常，從而進行相應的維護檢修。高壓開關機械特性測試儀能夠對高壓開關的合、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，速度則是根據行程和時間參數(shù)來確定的，所以測試儀*主要的技術指標就是時間參數(shù)的準確度。目前，測試儀沒有專用標準器，各生產廠家所用的校驗方法也不盡相同[2-3]。

針對這種現(xiàn)狀研制了高壓開關機械特性測試儀的校驗裝置，可對高壓開關機械特性測試儀的各時間參數(shù)進行校準。本裝置應用 CPLD 和 MCU 聯(lián)合控制機制，通過 MCU 控制高速切換開關來模擬高壓開關合閘、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。

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)結構如圖 1 所示。AVR 微控制器將設定好的動作方式與時間通過SPI總線方式傳遞給 CPLD，由 CPLD 內部的邏輯來控制觸頭動作模擬器進行動作。當高壓開關機械特性測試儀啟動測試信號后，通過隔離單元觸發(fā) CPLD依據設定時間控制觸頭動作模擬器做預定動作，然后 CPLD 依據反饋信號開始計時，同時高壓開關特性測試儀檢測觸頭電壓信號從而進行校準。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；當測試儀發(fā)出合閘信號時，測

試儀產生一個正脈沖，從脈沖的上升沿 T0 時刻開始計時，當設置的合閘時間 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，依據時序在 CPLD 中設計計數(shù)邏輯，對高精度的有源晶振進行計數(shù)，從而得到標準合閘時間。分閘時間校準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，當設置的合閘時間 T1時刻到來時，由 CPLD 發(fā)出控制信號 CPLD_A 產生一個脈沖抖動信號，控制觸頭模擬器兩觸頭（A+、A-）先導通，再閉合，*后再導通，使得兩觸頭（A+、A-）間電平從 T2 時刻的高電平變?yōu)榈碗娖剑琓3 時刻又變?yōu)楦唠娖?，T5 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。裝置模擬了從校準正脈沖上沿出現(xiàn)時開始的開關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，符合有關標準對合閘彈跳時間的定義。測試儀可對被測開關的合、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。因此該校驗裝置設計了 A、B、C 三路觸頭模擬電路和相應的時間測量電路，根據設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 關鍵單元電路的設計分析

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高壓開關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觸頭電平的變化，從而模擬高壓開關的合、分閘及彈跳的動作，具體電路如圖 4 所示。AQV221 具有動作迅（0.1ms），導通電阻?。?.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觸頭電壓的變化。

當 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 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，該光耦導通時間是納秒級，所以對于 0.01 ms 的校準可以忽略不計。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 邏輯設計

CPLD 的邏輯設計主要包括兩部分，一是 CPLD與 MCU 控制器的邏輯設計，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 單片機作為主設備，CPLD 作為從設備，當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)據轉變?yōu)椴⑿袛?shù)據，然后經過 D觸發(fā)器將 MCU 的命令傳遞給 CPLD；當 MCU 主動去讀取 CPLD 的計時參數(shù)時，在 CPLD 內部的邏輯其實是先將并行數(shù)據轉換為串行數(shù)據然后通過 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定控制字一方面通過譯碼控制觸頭模擬器電路按照設定時間動作；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 測試結果及不確定度評定

3.1 測試結果

用一臺 413D 型毫秒儀對高壓開關機械特性測試儀校驗裝置合閘時間進行校驗，測試數(shù)據如表 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的測量不確定度作評定。開關特性測試儀合閘時間校準的測量不確定度來源主要有：測量值不重復引入的不確定度；標準裝置引入的不確定度；開關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——測量重復性引入的誤差；

δ2——校驗裝置分辨率引入的誤差。

重復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)據如表 2 所示。

所得標準差為

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確性，可以借助 EASE 軟件指導車輛內飾設計，在減少實驗周期的基礎上實現(xiàn)對車載揚聲器聲場的準確預測和有效控制，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 模擬的準確性建立在對材料吸聲系數(shù)準確掌握基礎上，而目前還沒有國產內飾材料系統(tǒng)準確的吸聲數(shù)據庫。

4 結束語

本文采用 EASE 軟件建模仿真和實驗研究相結合的方法，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軟件指導內飾設計的可行性。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，提出了內飾優(yōu)化設計的可行措施，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。