高精度交直流電流校準源研制

1、高精度交直流電流校準源研制張自長，朱自科，曾舒帆（云南省計量測試技術研究院，云南 昆明 650228）摘要：為滿足交直流電流表量傳/溯源的需要，研制一種源表一體化的高精度、大功率、寬頻響的交直流電流校準源。本文介紹了各部分電路的原理及特點，通過合理配置各部分電源以實現所要求的技術指標。關鍵詞： 反饋；直流電流比較儀；穩(wěn)定度中圖分類號： 文獻標示碼： 文章編號：The development of high-precision AC-DC current calibration sourceZHANG Zi-chang, ZHU Zi-ke, ZENG Shu-fan(Yunnan Techno

2、logical Research Institute of Metrology & Measurement,Kunming 650228,Yunnan,China)Abstract: It is to develop the AC-DC current calibration source of high-precision, high-power and broadband frequency response, that is unification of the source and standard instrument, in order to satisfy the nee

3、d of the traceability and value of a quantity transfer of AC-DC ampere meter. This paper introduces the various parts of the principle and characteristics of the circuit, through the rational allocation of the various parts of the power to achieve the required technical specifications.Key words: Fed

4、dback; DC Current Comparator; Stability0 引言電流量值作為電能源的一個重要參數、電學計量的基本量，廣泛應用于電鍍、電冶、電機制造及檢修、電池電氣機車、航空甚至航天等領域。交直流電流量值從幾安、幾十安至幾百安、幾千安甚至上萬安培。對這些交直流電流值的準確計量，直接關系到系統運行效果，關系到產品質量，甚至關系到整個系統工程的成敗。因此，對這些儀表的計量性能進行量傳/溯源是非常重要和必要的。隨著測量原理不斷突破，隨著材料科學和芯片技術的發(fā)展，隨著對交直流大電流直接測量并不斷提高精度的要求日益迫切，交直流測量技術也飛躍發(fā)展，10A以上大電流測量儀表已廣泛應用于各

5、行業(yè)，精度 到0.2級、0.1級，甚至到0.05級也不鮮見。社會經濟發(fā)展，測量儀表技術進步，對電流量值傳遞標準的量值范圍、準確度、可靠性、快速性也提出了更高要求。我國省市級、大中型企業(yè)及國防工業(yè)的電流量傳/溯源標準大量使用的是六十年代的XF型裝置和進口的FLUKE等標準源和數字儀表。這些裝置和儀表的共同點是：電流量程小、交流參量及擴展頻率后的測量精度低，已不能滿足國民經濟、國防事業(yè)和儀表技術發(fā)展的需要。因此，研制10A以上大電流、高精度量傳/溯源標準裝置是非常有意義的。1 目的及技術指標要求本文介紹的目的是，研制一種新型高精度（0.01級）、高穩(wěn)定度（優(yōu)于0.005%/分鐘）、大電流（50A輸

6、出）、可變頻（45Hz1kHz）的交直流電流校準源。集高穩(wěn)定信號輸出、高精度測量系統及RS232通訊接口于一體的精密電源儀器。1.1 校準源具備的功能（1）具有校驗儀功能，能輸出/測量源 050A交直流電流，校驗各型（0.02級以下）交直流電流表；（2）具有面板編程和上位機程控管理軟件平臺，實現功能、檔位轉換，程控操作、半自動校驗和數據傳輸、存儲、管理等；（3）具有穩(wěn)定度、頻率自測/顯示功能。1.2 校準源達到的技術指標（1）輸出/測量范圍：050A，分0.2A、1A、5A、10A、20A、50A六檔，可連續(xù)可調；（2）輸出穩(wěn)定度（額定值時）優(yōu)于0.005%/分鐘；（3）直流信號的交流紋波1%

7、；（4）交流信號失真度0.5%；（5）輸出信號頻率范圍：45Hz1kHz；（6）測量顯示精度：直流優(yōu)于0.01%；交流45Hz65Hz優(yōu)于0.01%，65Hz1kHz優(yōu)于0.05%；（7）頻率測量顯示：45Hz1kHz精度0.01%。2 整機技術方案交直流電流校準源主要由可調直流基準電壓信號、交流數字合成波形、交直流反饋控制、功率放大、測量/顯示、數字調頻、調幅、量限功能切換、控制電源等部分組成。原理框圖如圖1：圖 1 整機原理框圖交直流電流輸出的穩(wěn)定性及高精度準確測量是研制本裝置的重點和難點，主要環(huán)節(jié)電路的技術關鍵是：保證輸出電流值穩(wěn)定的交直流反饋電路；保證測量精度優(yōu)于0.01%的A/D轉換

8、和乘法累加電路；實現數字波形合成、數字調頻、調幅的相關電路。源的穩(wěn)定性主要取決于輸入控制基準電壓穩(wěn)定性、放大器增益、輸出反饋采樣的穩(wěn)定性。本裝置輸出反饋信號同時也作為測量顯示值的信號，要求具有高精度及高穩(wěn)定性，因此采用了直流電流比較儀作為直流反饋及輸出顯示采樣、雙級電流互感器作為交流反饋及輸出顯示采樣。交流源反饋有交流反饋和直流反饋兩種，交流反饋是將反饋信號與一個穩(wěn)定的交流信號作比較；直流反饋是將交流信號轉換為直流信號與一個穩(wěn)定的直流信號作比較。通常，直流信號的穩(wěn)定度容易做到，比交流信號更穩(wěn)定，所以采用直流反饋能達到更高的穩(wěn)定度。直流反饋克服了交流反饋頻響不好、容易自激的缺點，但直流反饋無法鎖

9、定相位，因為在交直流轉換中，相位信息丟失。而作為 輸出的電流源，無需鎖定相位，滿足了校準源中穩(wěn)定輸出幅值的目的。3 各單元電路分析及特點3.1 可調直流基準電壓校準源的幅值調節(jié)選用美國BB公司生產的十六位數/模轉換器DAC702KH作為主控調節(jié)直流基準電壓。其特性：16位轉換精度，16位并行輸入，雙級性輸出±10V，最大增益溫度漂移為10ppm，最大非線性誤差±0.0015%。通過鍵調節(jié)及電位器保證調節(jié)細度優(yōu)于0.001%，如圖2。圖中R1、R2采用具有低溫度系數、低噪聲的精密電阻；電位器Rp并于R1上調節(jié)，保證調節(jié)細度、穩(wěn)定性，且可以將Rp通過電纜外接，置于外控調節(jié)器中。

10、通過測試，該部分可調直流基準電壓穩(wěn)定性優(yōu)于0.002%/3分鐘。直流基準電壓的穩(wěn)定性直接影響到源輸出的穩(wěn)定性，在此基礎上，源輸出的穩(wěn)定性才得以保證。圖 2 基準電源3.2 交流信號合成交流輸出時采用直流控制（調制）交流信號放大輸出，采用直流數字頻率合成器（DDS）和高速D/A轉換技術，具有頻率穩(wěn)定、頻率分辨率（調節(jié)細度）高、轉換快速等優(yōu)點，如圖3。圖 3 波形合成示意圖頻率信號由AD9850 DDS專用芯片，輸出頻率范圍162kHz3.6MHz，對輸出信號頻率45Hz1kHz（每周期3600點），A/D轉換器采用12位高速DAC轉換器AD565A，滿量程轉換時間為30ns，輸出信號有效值為7V

11、，穩(wěn)定度優(yōu)于0.005%/3分鐘（50Hz），波形失真小于0.05%（50Hz）。由于采用直流控制（調制）交流信號放大，交流信號的穩(wěn)定性不直接影響到輸出穩(wěn)定性，實際輸出信號鎖定在一個穩(wěn)定度更高的直流信號上，可使輸出信號的穩(wěn)定度不依賴于輸入交流信號的穩(wěn)定性，所以輸出交流信號的穩(wěn)定性可以高于合成信號的穩(wěn)定性。3.3 直流反饋控制直流輸出 電路如圖4。輸出電流經比較儀變換成50mA小電流，可采樣出5V反饋信號。圖 4 直流反饋穩(wěn)定性取決于誤差放大倍數K及反饋信號的漂移：在放大倍數 的情況下，采用電壓的漂移及放大器輸入，失調電壓漂移成為了影響穩(wěn)定性的主要因素。在以往采用分流器采用電路中，漂移較大，難以

12、達到高穩(wěn)定輸出，并且分流器采樣出的電壓較低， 調電壓影響較大， 都影響穩(wěn)定性；而比較儀可克服以上缺點。比較儀原理如圖5。I2=50mA，RL=100其功率為，可將 大大降低，同時保證了輸出顯示的穩(wěn)定性，比較儀變換誤差優(yōu)于0.002%。圖 5 比較儀原理3.4 交流反饋控制交流反饋采用兩級電流互感器采樣反饋，如圖6。圖 6 交流反饋CT1為普通單級互感器，反饋信號穩(wěn)定功率輸出電流。CT2為高精度雙級電流互感器，0.002級。Uo輸出一路至標準表顯示交流電流值，另一路輸出至精密交直流轉換電路，轉換成直流后反饋至放大器K1與直流可調基準電壓比較，輸出直流電壓控制乘法調制器輸出交流電壓信號輸入功放。等

13、效工作原理與直流誤差放大器。3.5 采樣顯示該部分包含了測量儀表的各環(huán)節(jié)：電流輸入變換/采樣、A/D轉換及控制、數字乘法累加、運算/顯示、接口及通訊，如圖7。圖 7 A/D轉換測量原理和數學模型：交流測量采用整周期、同步采樣原理對交流信號進行離散。根據連續(xù)周期信號的有效值定義有：f（t）是周期為T的連續(xù)信號，則f（t）的有效值為：（1） 對（1）式進行數字離散，以一個整周期內有限個采樣點的數字量累計逼近（1）式得： （2） 式中，N為單位周期采樣次數；T為信號周期；um為第m-1次的采樣值；T為采樣時間，是一個常數。在信號一個周期內: （3） 將（3）式代入（2）式，得： (4) 因此，交流電流有效值測量數學公式為： .（5） 式中為周期內各采樣點乘法累加值。這些公式源自連續(xù)周期信號，適用于任何電流波形，換句話說該方法已考慮了頻響特性。直流電流測量采用同樣的數學公式。只不過（5）式中的信號周期T在這里由人為設定的采樣周期代替。4 結束語按以上方法制作出的交直流電流校準源，其穩(wěn)定性及準確度指標完全達到設