(鄭州大學(xué)，鄭州 450052)

0 引言

交流采樣與變送器檢定裝置是在交直流指示儀表檢定裝置的基礎(chǔ)上增加了直流電壓、電流測(cè)量功能，除了用來檢定交直流指示儀表外，還可用于交流采樣電測(cè)量變送器、直流電壓變送器和直流電流變送器等設(shè)備的檢定。該裝置廣泛應(yīng)用于電廠、化工、石油等行業(yè)和部門。建立交直流采樣與變送器檢定裝置的計(jì)量校準(zhǔn)體系，對(duì)保證其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確一致，具有十分重要的意義。

交流采樣與變送器檢定裝置的直流電流測(cè)量功能最突出的特點(diǎn)是量程多，測(cè)量范圍寬，有些設(shè)備甚至是從10μA～100A，因此，研究高穩(wěn)定性寬量程的直流電流源對(duì)校準(zhǔn)交流采樣與變送器檢定裝置的直流電流測(cè)量功能具有十分重要的意義。

1 工作原理

高穩(wěn)定性寬量程直流電流源工作原理如圖1所示。主要由微處理器、D/A轉(zhuǎn)換、基準(zhǔn)參考電壓、跨導(dǎo)放大器、采樣反饋和電流比較儀等部分組成。

圖1 直流電流源原理圖

高穩(wěn)定性寬量程直流電流源分為小電流(100mA以下)和大電流(100mA以上)兩部分。對(duì)于小電流輸出部分，由基準(zhǔn)電壓和D/A構(gòu)成的可調(diào)直流電壓源可根據(jù)設(shè)定輸出給定量的直流電壓信號(hào)，根據(jù)所需的電流信號(hào)的大小選擇不同的量程并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)采樣、A/D轉(zhuǎn)換后送微處理器，微處理器根據(jù)采樣結(jié)果，對(duì)由基準(zhǔn)電壓和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的直流電壓源輸出進(jìn)行調(diào)整，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。對(duì)于大電流輸出部分，由基準(zhǔn)電壓和D/A構(gòu)成的可調(diào)直流電壓源可根據(jù)設(shè)定輸出給定量的直流電壓信號(hào)，利用跨導(dǎo)放大器轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后輸出，因直流電流比較儀具有非接觸、功耗小、無溫漂影響和靈敏度高等特點(diǎn)，所以，采用了串接直流比較儀作為反饋、保護(hù)、顯示的采樣元件，以提高直流大電流源的穩(wěn)定性。

直流電流源輸出穩(wěn)定性主要取決于基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性、放大器的靈敏度和直流電流比較儀的靈敏度等。因此，在電路中采用了參考電壓自校準(zhǔn)技術(shù)，用以提高基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性，穩(wěn)定基準(zhǔn)輸出信號(hào)，從而使輸出電流穩(wěn)定在給定值，提高了電路的穩(wěn)定性。

由大功率整流二極管、多繞組變壓器構(gòu)成的多檔位整流濾波電源，根據(jù)電流的檔位向直流功放提供響應(yīng)的電流，使功放在任何檔位都工作在較低的管壓降，降低了對(duì)功放三極管的參數(shù)要求，提高了電流源的工作可靠性。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電流源電路

由于高穩(wěn)定性寬量程直流電流源的輸出范圍較寬，從μA數(shù)量級(jí)到100A數(shù)量級(jí)，要產(chǎn)生如此寬的電流輸出，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中將小電流信號(hào)單獨(dú)設(shè)計(jì)，有獨(dú)立的運(yùn)放電路，直接經(jīng)放大或衰減后輸出。對(duì)于大電流的產(chǎn)生采用跨導(dǎo)放大器，其作用就是把信號(hào)產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。其原理如圖2所示。

圖2 電流源產(chǎn)生電路

2.2 反饋采樣電路

對(duì)小信號(hào)的直流電流源的反饋網(wǎng)路，可以采用箔式電阻組成的采樣電路，大電流直流電流源的反饋網(wǎng)路則采用了調(diào)制-檢測(cè)回路、調(diào)制-解調(diào)電路和初次級(jí)回路構(gòu)成的多量程直流電流比較儀，其原理如圖3所示。

圖3 反饋采樣電路

直流比較儀的結(jié)構(gòu)如圖4所示。I、II是一對(duì)幾何參數(shù)相同、B-H曲線具有對(duì)稱的非線性關(guān)系的軟磁材料構(gòu)成的調(diào)制-檢測(cè)合金環(huán)，繞有激勵(lì)/檢測(cè)繞組W1、W2。用環(huán)形高導(dǎo)磁率的磁屏蔽盒罩住，再分別加繞初次級(jí)繞組W初、W次，形成各自回路。用50～1000Hz的方波激勵(lì)信號(hào)通過激勵(lì)繞組將合金環(huán)激勵(lì)到充分飽和，在I、II中產(chǎn)生對(duì)稱磁通和奇次感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)W初通過電流I初時(shí)，在I、II中產(chǎn)生偶次疊加感應(yīng)電壓，由檢測(cè)繞組和電路檢出該信號(hào)，放大產(chǎn)生I次電流，進(jìn)入W次進(jìn)行比較補(bǔ)償。根據(jù)磁路的克希荷夫第二定律有：W初I初-W次I次=H0l，式中，H0為I、II磁環(huán)中的直流磁場(chǎng)強(qiáng)度，l為平均有效磁路長(zhǎng)度。當(dāng)達(dá)到“理想安匝平衡”時(shí)，H0l=0，有I初=W次I次/W初。“H0l=0”的程度即安匝平衡檢測(cè)靈敏度，決定了比較儀的性能。

圖4 直流電流比較儀結(jié)構(gòu)原理圖

3 測(cè)試結(jié)果及特點(diǎn)

根據(jù)以上直流電流源的設(shè)計(jì)原理，我們預(yù)期設(shè)計(jì)完成的該直流電流源的技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

表1 直流電流源設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

我們采用一組二等標(biāo)準(zhǔn)電阻、直流數(shù)字電壓表及直流標(biāo)準(zhǔn)電位差計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定度寬量程直流電流源(以下簡(jiǎn)稱被測(cè)電流源)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試連接如圖5所示。為了減少測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度，在測(cè)試被測(cè)電流源10A以上及1mA以下輸出電流時(shí)，選用標(biāo)準(zhǔn)電位差計(jì)和一組標(biāo)準(zhǔn)電阻作標(biāo)準(zhǔn)器；在測(cè)試被測(cè)電流源1mA～1A范圍內(nèi)電流時(shí)，選用直流數(shù)字電壓表和一組標(biāo)準(zhǔn)電阻作標(biāo)準(zhǔn)器，這樣測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)化，滿足測(cè)量要求。我們對(duì)高穩(wěn)定度寬量程直流電壓源的測(cè)試結(jié)果見表2，經(jīng)測(cè)試表明設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)于預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)。

圖5 直流電流源測(cè)試連接圖

表2 高穩(wěn)定性寬量程直流電流源測(cè)試結(jié)果

該高穩(wěn)定性寬量程直流電流源主要有以下特點(diǎn)：

1)輸出范圍寬。直流電流范圍1μA～100A，解決了其它直流標(biāo)準(zhǔn)源的小量程和大量程不能同時(shí)存在的難題；

2)程控電源加入數(shù)字反饋處理技術(shù)，使電流的輸出準(zhǔn)確度得到大幅度提高；

3)通過利用屏蔽技術(shù)，內(nèi)部參考電壓進(jìn)行自校準(zhǔn)技術(shù)，采用同種金屬材料連接克服接觸電動(dòng)勢(shì)和熱電偶效應(yīng)的影響技術(shù)，在印刷電路板設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)發(fā)熱區(qū)、恒溫區(qū)隔離技術(shù)，對(duì)溫度敏感的重要電路及元器件置于恒溫區(qū)內(nèi)等技術(shù)，解決了小電流穩(wěn)定性不高的難題，直流電流1mA以下量程可達(dá)0.005%/min；

4)采用高導(dǎo)磁率的磁性材料對(duì)直流標(biāo)準(zhǔn)源的小電流進(jìn)行電磁屏蔽。首先，使用特制屏蔽罩將小電流的生成電路的印制板全部屏蔽起來，然后，再使用屏蔽線將小電流的輸出線路部分全部屏蔽起來，避免系統(tǒng)或者外部的射頻信號(hào)干擾輸出電壓；

5)利用直流比較儀作為大電流反饋電路，解決了大電流穩(wěn)定性低的技術(shù)關(guān)鍵問題，直流電流30A量程的穩(wěn)定性達(dá)到了0.005%/min。

4 結(jié)束語

高穩(wěn)定性寬量程直流電流源由于在硬件和軟件設(shè)計(jì)上得到了最大優(yōu)化，使其在對(duì)交直流采樣與變送器檢定裝置計(jì)量檢定和校準(zhǔn)時(shí)顯示出了較好的性能價(jià)格比，具有廣闊的應(yīng)用和推廣前景。

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