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高精度交直流电流校准源研制张自长，朱自科，曾舒帆（云南省计量测试技术研究院，云南 昆明 650228）摘要：为满足交直流电流表量传/溯源的需要，研制一种源表一体化的高精度、大功率、宽频响的交直流电流校准源。本文介绍了各部分电路的原理及特点，通过合理配置各部分电源以实现所要求的技术指标。关键词： 反馈；直流电流比较仪；稳定度中图分类号： 文献标示码： 文章编号：The development of high-precision AC-DC current calibration sourceZHANG Zi-chang, ZHU Zi-ke, ZENG Shu-fan(Yunnan Technological 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 need 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: Feddback; DC Current Comparator; Stability0 引言电流量值作为电能源的一个重要参数、电学计量的基本量，广泛应用于电镀、电冶、电机制造及检修、电池电气机车、航空甚至航天等领域。交直流电流量值从几安、几十安至几百安、几千安甚至上万安培。对这些交直流电流值的准确计量，直接关系到系统运行效果，关系到产品质量，甚至关系到整个系统工程的成败。因此，对这些仪表的计量性能进行量传/溯源是非常重要和必要的。随着测量原理不断突破，随着材料科学和芯片技术的发展，随着对交直流大电流直接测量并不断提高精度的要求日益迫切，交直流测量技术也飞跃发展，10A以上大电流测量仪表已广泛应用于各行业，精度 到0.2级、0.1级，甚至到0.05级也不鲜见。社会经济发展，测量仪表技术进步，对电流量值传递标准的量值范围、准确度、可靠性、快速性也提出了更高要求。我国省市级、大中型企业及国防工业的电流量传/溯源标准大量使用的是六十年代的XF型装置和进口的FLUKE等标准源和数字仪表。这些装置和仪表的共同点是：电流量程小、交流参量及扩展频率后的测量精度低，已不能满足国民经济、国防事业和仪表技术发展的需要。因此，研制10A以上大电流、高精度量传/溯源标准装置是非常有意义的。1 目的及技术指标要求本文介绍的目的是，研制一种新型高精度（0.01级）、高稳定度（优于0.005%/分钟）、大电流（50A输出）、可变频（45Hz1kHz）的交直流电流校准源。集高稳定信号输出、高精度测量系统及RS232通讯接口于一体的精密电源仪器。1.1 校准源具备的功能（1）具有校验仪功能，能输出/测量源 050A交直流电流，校验各型（0.02级以下）交直流电流表；（2）具有面板编程和上位机程控管理软件平台，实现功能、档位转换，程控操作、半自动校验和数据传输、存储、管理等；（3）具有稳定度、频率自测/显示功能。1.2 校准源达到的技术指标（1）输出/测量范围：050A，分0.2A、1A、5A、10A、20A、50A六档，可连续可调；（2）输出稳定度（额定值时）优于0.005%/分钟；（3）直流信号的交流纹波1%；（4）交流信号失真度0.5%；（5）输出信号频率范围：45Hz1kHz；（6）测量显示精度：直流优于0.01%；交流45Hz65Hz优于0.01%，65Hz1kHz优于0.05%；（7）频率测量显示：45Hz1kHz精度0.01%。2 整机技术方案交直流电流校准源主要由可调直流基准电压信号、交流数字合成波形、交直流反馈控制、功率放大、测量/显示、数字调频、调幅、量限功能切换、控制电源等部分组成。原理框图如图1：图 1 整机原理框图交直流电流输出的稳定性及高精度准确测量是研制本装置的重点和难点，主要环节电路的技术关键是：保证输出电流值稳定的交直流反馈电路；保证测量精度优于0.01%的A/D转换和乘法累加电路；实现数字波形合成、数字调频、调幅的相关电路。源的稳定性主要取决于输入控制基准电压稳定性、放大器增益、输出反馈采样的稳定性。本装置输出反馈信号同时也作为测量显示值的信号，要求具有高精度及高稳定性，因此采用了直流电流比较仪作为直流反馈及输出显示采样、双级电流互感器作为交流反馈及输出显示采样。交流源反馈有交流反馈和直流反馈两种，交流反馈是将反馈信号与一个稳定的交流信号作比较；直流反馈是将交流信号转换为直流信号与一个稳定的直流信号作比较。通常，直流信号的稳定度容易做到，比交流信号更稳定，所以采用直流反馈能达到更高的稳定度。直流反馈克服了交流反馈频响不好、容易自激的缺点，但直流反馈无法锁定相位，因为在交直流转换中，相位信息丢失。而作为 输出的电流源，无需锁定相位，满足了校准源中稳定输出幅值的目的。3 各单元电路分析及特点3.1 可调直流基准电压校准源的幅值调节选用美国BB公司生产的十六位数/模转换器DAC702KH作为主控调节直流基准电压。其特性：16位转换精度，16位并行输入，双级性输出10V，最大增益温度漂移为10ppm，最大非线性误差0.0015%。通过键调节及电位器保证调节细度优于0.001%，如图2。图中R1、R2采用具有低温度系数、低噪声的精密电阻；电位器Rp并于R1上调节，保证调节细度、稳定性，且可以将Rp通过电缆外接，置于外控调节器中。通过测试，该部分可调直流基准电压稳定性优于0.002%/3分钟。直流基准电压的稳定性直接影响到源输出的稳定性，在此基础上，源输出的稳定性才得以保证。图 2 基准电源3.2 交流信号合成交流输出时采用直流控制（调制）交流信号放大输出，采用直流数字频率合成器（DDS）和高速D/A转换技术，具有频率稳定、频率分辨率（调节细度）高、转换快速等优点，如图3。图 3 波形合成示意图频率信号由AD9850 DDS专用芯片，输出频率范围162kHz3.6MHz，对输出信号频率45Hz1kHz（每周期3600点），A/D转换器采用12位高速DAC转换器AD565A，满量程转换时间为30ns，输出信号有效值为7V，稳定度优于0.005%/3分钟（50Hz），波形失真小于0.05%（50Hz）。由于采用直流控制（调制）交流信号放大，交流信号的稳定性不直接影响到输出稳定性，实际输出信号锁定在一个稳定度更高的直流信号上，可使输出信号的稳定度不依赖于输入交流信号的稳定性，所以输出交流信号的稳定性可以高于合成信号的稳定性。3.3 直流反馈控制直流输出 电路如图4。输出电流经比较仪变换成50mA小电流，可采样出5V反馈信号。图 4 直流反馈稳定性取决于误差放大倍数K及反馈信号的漂移：在放大倍数 的情况下，采用电压的漂移及放大器输入，失调电压漂移成为了影响稳定性的主要因素。在以往采用分流器采用电路中，漂移较大，难以达到高稳定输出，并且分流器采样出的电压较低， 调电压影响较大， 都影响稳定性；而比较仪可克服以上缺点。比较仪原理如图5。I2=50mA，RL=100其功率为，可将 大大降低，同时保证了输出显示的稳定性，比较仪变换误差优于0.002%。图 5 比较仪原理3.4 交流反馈控制交流反馈采用两级电流互感器采样反馈，如图6。图 6 交流反馈CT1为普通单级互感器，反馈信号稳定功率输出电流。CT2为高精度双级电流互感器，0.002级。Uo输出一路至标准表显示交流电流值，另一路输出至精密交直流转换电路，转换成直流后反馈至放大器K1与直流可调基准电压比较，输出直流电压控制乘法调制器输出交流电压信号输入功放。等效工作原理与直流误差放大器。3.5 采样显示该部分包含了测量仪表的各环节：电流输入变换/采样、A/D转换及控制、数字乘法累加、运算/显示、接口及通讯，如图7。图 7 A/D转换测量原理和数学模型：交流测量采用整周期、同步采样原理对交流信号进行离散。根据连续周期信号的有效值定义有：f（t）是周期为T的连续信号，则f（t）的有效值为：（1） 对（1）式进行数字离散，以一个整周期内有限个采样点的数字量累计逼近（1）式得： （2） 式中，N为单位周期采样次数；T为信号周期；um为第m-1次的采样值；T为采样时间，是一个常数。在信号一个周期内: （3） 将（3）式代入（2）式，得： (4) 因此，交流电流有效值测量数学公式为： .（5） 式中为周期内各采样点乘法累加值。这些公式源自连续周期信号，适用于任何电流波形，换句话说该方法已考虑了频响特性。直流电流测量采用同样的数学公式。只不过（5）式中的信号周期T在这里由人为设定的采样周期代替。4 结束语按以上方法制作出的交直流电流校准源，其稳定性及准确度指标完全达到设计要求，实测直流稳定度0.004%/分钟、交流稳定度0.02%/分钟；测量 误差：