（电气工程专业论文）直流高阻箱数字式检定系统的研究.pdf

江苏大学t 程硕l 学位论文 摘要 目前对直流高阻箱进行检定的主要设备是高压电桥装置，它的主要缺点是检 定人员工作强度大、操作繁琐，检定速度慢、效率低，如果被检的直流高阻箱发 生短路，很容易造成设备损坏和人员伤害，检定人员反响较大，因此开发出一种 新的设备来取代高压电桥势在必行。 在综述目前国内外在高阻测量方面的研究现状的基础上，提出了直流高阻箱 数字式检定系统的总体设计思想，通过建立相应的数学模型和具体的电路实现， 解决了检定系统在高压高阻测量准确度以及在过流过压保护、抗干扰等方面的难 题。 在模拟电路部分，详细阐述了前级放大回路的实现细节，分析了回路采样电 阻的选择原则、方法及参数和结构要求；设计了过流过压保护实现电路，并给出 了具体的实现方法；为满足系统准确度的要求，研究了对o p a l 2 8 运放进行温度 补偿的方法、等电位技术在本系统中的应用以及一点接地技术在制作印刷电路板 时的具体实现方案等。在数字电路部分，阐述了数字部分的抗干扰技术以及为保 证系统的响应速度采用的双c p u 架构。为提高系统的自适应性。设计了自校准。 按照国家对计量器具的相关规定，在中国计量科学研究院对直流高阻箱数字 式检定系统进行了量值溯源，取得了满意的结果：对量值传递进行了不确定度评 定，通过温度、湿度变化对检定系统影响实验，得出了温度、湿度影响变化图。 大量的实际使用表明，本检定系统安全、稳定、可靠，准确度年稳定性较好， 年漂移在最大允许误差限的l 5 以内，能直接替代直流高阻电桥而成为新的标准 检定设备。 关键词：直流高阻箱，检定系统，溯源，o p a l 2 8 江荞大学1 = 程顾 学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h em a i ne q u i p m e n tf o rv e d f i c a t i n gt h eh i g l iv o l t a g ed c r e s i s t a n c e b o xi sh j 曲v o l t a g eb r i d g e i t sm a i nd i s a d v a n t a g ei sh i g i li n t e n s i t yo fv e r i f i c a t i o n , l o w e f f i c i e n ta n dc o m p l e x u n f o r t u n e t l y , i f t h eh i g l lv o l t a g ed c r e s i s t a n c ei ss h o r t e n , i ti s p r o b a b l yt od a m a g et h eb r i d g ea n dt oh u r tt h eo p e r a t o r b e c a u s eo ft h e s er e a s o n q a b o v e ，an e wt y p eo f t h ee q u i p m e n ti sn e e d e du r g e n t l y t h ed i s s e r t a t i o nd e s e r i b st h en a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hr e c e n t l y , a n da f r a r n e d w o r ko ft h ed i g i t a lv e r i f i c m i o ns y s t e mi sp u tf o r w a r d b yb u i l d i n gt h em a t h m o d e la n dd e s i g n i n gt h ec i r c u i t , t h ep r o b l e m so fm e a s u r i n gp r e c i s i o n ，o fp r o t e c t i n g f o ro v e rc u r r e n to ro v e rv o l t a g ea n do fd i s t u r b i n ga r e s o l v e d i nt h ep a r to fa n a l o gc i r c u i t ，t h ed e t a i lo fp r e - a m p l i f i c a t i o nc i r c u i ti sd e s c r i b e d , t h ec b o i c i n gp r i n c i p l e ，m e t h o da n dt h er e q u e s to fp a r a m e t e ra n ds t r u c t u r ei sa n a l y z e d a l s oi nt h i sp a r t ，t h ep r o t e c t i o nc i r c u i to f o v e rc u r r e n to rv o l t a g ei sd e s i g n e d ，a n dt h e n t h ec o n c r e t em e t h o di se x p l m n e d i no r d e rt om e e tt h en e e do fp r e c i s i o n ，t h e r ea r ea i o to fd e t a i l s s u c ha st h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nf o ro p a l 2 8a m p l i f i e r , t h e e q u i p o t e n t i a lv o t m g ec i r c u i tu s e di nt h em e a s u r i n gl o ws i g n a l ，t h er e a l i z a t i o no fa l l g r o u n dv o l t a g el i n e dt oo n ep o i n tu s e di np c b i nt h ep a r to f d i g i t a lc i r c u i t , t h ed i g i t a l n o i s er e s i s t a n c et e c h n o l o g yi sd e s c r i b e d t oa d v a n c er e s p o n s es p e e d ，ad u a lc p u f r a m e w o r ki su s e di nt h es y s t e m 。a tl a s t , b u tn o tt h el e a s t , as u b - s y s t e mn a m e d s e l f - c a l i b r a t i o nt oe n h a n c et h ed i g i t a lv e r i f i c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d a tl a s t ，t h et e s t i n gp r o j e c to ft h ed i g i t a lv e r i f i c a t i o ns y s t e md e s i g n e da b o v ei s g i v e no u t a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a lr e g u l a t i o nf o rm e t r i ci n s t r u c t i o n ，t h en a t i o n a l i n s t i t u t eo fm e a s u r e m e n tt e s t e dt h es y s t e ma n dh a das a t i s f a c t i n gr e s u l t t h e nt h e d e g r e eo fu n c e r t a i n t yi sv e r i f i e d i nt h ee n d ，t h ee x p e r i m e n to ft e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yi n f l u e n c eh a sd o n e ，a n dt h eo 1 i n ed i a g r a mi sa l s og i v e no u t al o to fa p p l i c a t i o n si n d i c a t et h ec o n c l u s i o n st h a tt h ev e r i f i c a t i o ns y s t e mh a s m 瞅t h ec o m m a n di nt h e s ea s p e c t s s u c ha ss e c u r i t y , s t a b i l i t y , t r u s t i n e s sa n da n n u a l a c c u r a c y e s p e c i a l l y , a n n u a ld r i f t i sl e s st h a no n ef i f t ho fa c c e p t a b l ee 订o rl i m i t b a s i n gt h er e a s o n sa b o v e ，w ec a ns a yt h a tt h es y s t e mc a ni n s t e a dt h ev e r i f i c a t i o n n 垩蔓盔兰三墨堡! 兰堡丝苎 s y s t e mb a s e do nh i g hv o l t a g eb r i d g e k e y w o r d s ：h i g hv o l t a g ed c r e s i s t a n c eb o x ，v e r i f i c a t i o ns y s t e m ，t r a c et ot h e 8 0 u 1 c 圮，o p a l 2 8 i i | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口 学位论文作者签名： 乃蹙髦 指导教师签名：弓讼孝聿五 江苏丈学1 = 程颂l 学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 目前，国内对直流高阻箱进行量值溯源的设备主要是高压高阻电桥。高压高 阻电桥的原理与普通精密电桥q j 3 6 等接成单臂电桥原理相同，通过外加适当的 高压，由比例臂和被检电阻箱的电阻、可变标准电阻构成简单的惠斯顿电桥，通 过调节比例臂一个臂电阻值来调节电桥平衡，用检流计来观察电桥平衡，因而检 定人员工作强度大、操作繁琐，检定速度慢、效率低。当操作不当或被检高阻箱 发生短路时，高压直接施加在检流计两端，容易造成检流计和电桥彻底损坏，而 且全国范围内在用的高压高阻电桥都不同程度地存在着多种问题，广大检定人员 反应较为强烈。 因此，迫切需要开发一种操作简便、检定速度快、效率高、无需重复调节平 衡，能直接用数字方式显示被测电阻值，而且性能优越的检定系统。为此，我们 研制了一种新型的高压高阻检定系统，它很好地满足了上述要求，是一种理想的 升级换代产品，对减轻检定人员的工作难度，提高工作效率，保证检定准确度等 方面都有着无比的优越性，且具有相当的先进性和新颖性。 为了确保该检定系统的整体性能，必须做大量的实验验证，这就需要有一套 高标准的高压高阻标准。我所申报了江苏省十五科研项目一高压高阻标准，该项 目已由笔者主持完成。它的主要指标是最大电压5 0 0 0 v ，1 0 0 q l o o o g q 的阻值 范围，准确度达0 0 1 5 ，完全满足验证本系统所需的各项指标要求。高压高阻标 准项目已于2 0 0 3 年9 月通过江苏省质量技术监督局组织的全国范围内计量专家组 的鉴定，并获得了江苏省质量技术监督科技成果一等奖和全国质监系统“科技兴 检”三等奖。这些都为成功开发直流高阻箱数字式检定系统提供了必要的技术和 标准支持。 1 2 高阻测量的研究现状和发展方向 1 2 1 国际高准确度高阻测量 b v d ( b i n a r yv o l t a g ed i v i d e r ) 在1 9 7 4 年由美国的c u t k o s k y 提出并设计出框 图如图1 1 。在其方案中，将若干节二进制电阻分压器通过开关并联，使输入 扛苏大学t 程硕士学位论文 输出电压得以按二进制衰减。各节分压器的主辅分压电阻为l ：2 可以通过开关 互换，互换前后主辅分压电阻额定工作电压不变，而输出电压的差值与主辅分压 电阻( 及其后边并联的分压器总电阻) 的差值有关。这就为各节分压器的自校准 提供了可能。 图i i c u t k o s k yn 位二进制电阻分压器( b v d ) 自校原理图 由于b v d 的组合较多，校准结果计算公式复杂，直到2 0 世纪9 0 年代计算机 的普及，才由加拿大的m i 公司推出商用产品。 图1 2 基于b v d 的自动高阻电桥原理图 m 1 6 0 0 0 b 自动电桥( 图1 2 ) 通过分别测量足和r 串联的四个电压端，得到 其电龇，= 冬= v , - v 2 = 器端= r i - r 2 。基于b v n 的电桥m 1 6 0 0 0 b 与 计算机结合，可以快速地在使用前对各节分压器进行自校准，获得并储存修正值， 并根据测量选择代入每一个测量结果进行修正。这就克服了传统电桥各测量臂电 阻元件多，校准过程长、无法在测量结果中修正的缺点( 尤其是校准温度和使用 温度不一致时) ，获得了较高准确度。 2 l 江苏大学1 = 程硕 学位论文 测量高阻时，测量不确定度主要受到d v m 测差的限制，特别是d v m 的失调电 流l 在被测线路等效输出电阻上产生的失调电压，以及d v m 低端存在共摸电压 使用中通过一个特殊的测量序列，即对每个被测端k 。分别测量开关k 置0 和置 l 下的输出电压，两者的差值将有效克服了d v m 失调电流l 和共摸电压p 纛的影 响，也减小了泄漏电阻和d v m 输入阻抗的影响。 m 1 6 0 0 0 b 电阻测量范围是l o kq 1 gq ，电压小于i o o v m 。 1 2 2 国内超高阻测量装置的现状 尽管原理上m 1 6 0 0 0 b 也可以用于更高阻值( 大于i gq ) 的测量，实际上受 到一些限制。包括电压指零仪的失调电流、输入阻抗等，电桥设计的接线端子结 构、高f , l l m 联( 疋和墨) 的中间点绝缘保护等。此外，高阻条件下测量时间长， 易受外界干扰，测量i o o gq 及以上时很困难。为此中国计量科学研究院研制了 高阻测量专用的双电压源( 电压比) 电桥。 电阻测量可以采用加电流测电压法( s i m v ) 或加电压测电流法( s v i v l l ) 。从 实际电源和表的性能考虑高阻测量更适合采用后者。 选择的电压比电桥法实际是w h e a t s t o n e 电桥的一种变形，它用两个可程控 双极性电压源代替电阻电桥的两个测量臂，用静电计测量电桥的不平衡电流。由 于直流电压源的内阻较小，测量i o m q 及以上阻值时影响可以忽略。 由于两个电压源输出极性相反、与所连电阻值成比例的电压，流过静电计的 电流4 ，将很小，即静电计工作在电流指零仪状态。 世：肇一擘( i - i ) 尺，r 被测电阻足可表示为： 铀琶即+ 最， c t 也， 当电桥完全平衡时： 墨= 争足 ( 1 3 ) 江苏大学工程硕t 学位论文 然而，由于静电计具有失调电流，并随环境温度和时间漂移，实际测量中需 要对双电压源重复反向，才能调节电桥到平衡状态。 该电桥具有如下优点：双电源和指零仪的低端连接在一点接地，不需要保持 电源或指零仪浮地；电源和指零仪带g p i b 接口，便于自动测量，这对耗时较长 的高阻测量很重要；被比较的电阻低端工作在零电位不需要高绝缘措施，且与 高阻的多数使用状态一致。 1 9 8 2 年，为满足市场对l m q 以上高值电阻的溯源要求，中国计量科学研究 院研制了基于“带瓦格纳等电位保护支路”直流高阻电桥。 图1 3 具有瓦格纳等电位保护支路的直流高阻电桥 根据瓦格纳支路原理，当任意一对桥顶a - a ( b - b ) 对地泄漏电阻和吩与桥臂 电阻置和是有如下关系时，即 r 2 = 置是 ( 1 4 ) 桥顶a ，a ，b ，b 对地泄漏将不引起误差。 计量院研制的高阻电桥采用双层屏蔽方案如图1 3 所示，图中略去了外层屏 蔽。1 。和局，吒和是的调节机械同步，比例误差小于1 x 1 0 1 ，使得电桥平衡只 需通过一次调节获得。电桥采用串联的蓄电池供电，供电电压可达4 5 0 v 。建立 时还研制了h a m o n 高电阻量具，通过过渡传递，实现从l o k 0 1 g q 、不确定度 小于0 5 x 1 0 1 1 1 0 “的电阻定标。1 g q 到1 t q 的电阻测量则直接采用比例扩 展。 4 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 3 发展方向 目前国际国内对直流高阻的检定设备主要还是采用平衡电桥方式，此类特殊 功能设计的电桥有测量准确度高的优点，但一般此类半自动或自动电桥造价均达 到6 0 万元以上且量程范围有限，一般不适合省级及以下计量检定部门用于直流 高阻箱的检定，他们普遍采用的仍是1 0 万元左右的普通直流高阻电桥。 微控制器技术的迅速发展和它在测量领域的成功应用，为对直流高阻箱的检 定采用数字化、自动化或半自动化提供了必要条件。所以，在直流高阻箱的检定 方面，数字化、稳定性、高可靠、操作简便性等是其发展的主要方向。 1 3 研究内容 前面简要介绍了国际国内在高阻、超高阻标准及其测量方面的现状。它们主 要特点是高准确度及小于1 0 0 0 v 电压基于国家实验室条件下电阻溯源方面的研 究，而非基于省级及以下计量部门用于向下电阻标准的传递，因而在使用的简便 性、实用性、量程的覆盖范围及专用性方面都存在着较大的不适应性。 从2 0 0 4 年7 月进入课题开始，作者在导师的悉心指导下，确定了课题研究 的主要内容。在二年多的时间里，作者完成了以下工作： ( 1 ) 按照既定的技术要求，设计并实现了直流高阻箱数字式检定系统，其 电阻测量量程范围宽( 1 0 0 q 1 0 0 0 g q ) ，电压变化范围大( 5 v 5 0 0 0 v ) ，操作 简单，性能稳定可靠。 ( 2 ) 对直流高阻箱数字式检定系统进行了量值溯源和量值传递，并对用直 流高阻箱数字式检定系统进行了不确定度评定。 1 4 关键技术 本文的关键技术在于： ( 1 ) 在国内首次实现了直流高阻箱检定的数字化，且准确度达到了0 0 5 。 ( 2 ) 检定系统具有测量电路短路保护功能，避免了在实际测量中当被检直 流高阻箱发生短路时，检定仪器被高压击穿的危险，保证了检定仪器的正常安全 使用及检定人员的人身安全。 江苏大学硕士论文 第二章直流高阻箱数字式检定系统的原理 检定系统测量高阻箱电阻值的基本原理是用已知电压值的电压源施加在被 测电阻的两端，通过一定的技术手段测出流过电阻的电流值，再用电压值除以电 流值，得到被检电阻的阻值，即s v i i 方法。 2 1 检定系统的前级原理图 直流高阻箱数字式检定系统的前级原理框图，如图2 1 所示： r u 幽2 11 i 矿级原理圈 其中：u 一测量电压 r t 一放大器平衡电阻，要求墨= r ；也 r 一放大器平衡电阻，要求恐= r s r b 口一放大器u 输出电压值经基准的a d 变换值 m 一放大器输出电压值经基准的a d 变换值 ( o a d 转换器的电压基准，为输入信号的上限值 在理想状态下，则有 t t d = - r a j ( ， ( 2 1 ) 6 江苏大学硕 论文 u 。= n ，x u , , s u ：一生【， 9 玛 u b = n b x u 呵 由式( 2 - 1 ) 式( 2 - 4 ) 可导出：急2 惫鲁，因此 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 砖2 老瓮r a 协s ， 如图2 1 所示，a d 转换电路前的四只电阻组成的桥路可理解为单臂电桥 中的四只电阻，其中：比例臂由r i 、r 8 组成，比较臂中r 。是被检电阻，f i 为标准 电阻。设计中电阻材料保证了各档电阻r 、r b 、r 。值的稳定性和准确度，并通 过外接标准r l 电阻来消除系统误差，从而保证设计性能。 将被测电阻接在r 。位置，通过选择合适的l l 、如、r 。，产生的阮、玩经 a d 转换后就能得到虬、m ，经式( 2 1 ) 就能得到被测电阻值。 2 2 测量系统主要误差分析 2 2 1 运算放大器的直流参数 主要是偏流，。、输入失调电压吃和输入失调电流l 及其温度漂移所引起的 误差。图2 2 是本文所采用的反向输入放大器考虑厶，厶：，圪等直流参数的 等效电路啪。 r n + l - 。j u ： k ：_ 1 。 l ，v i 一上叫。 i ；1 m 艮6 + 图2 2 反相输入放大器等效电路 7 江苏大学硕士论文 因为实际运放的输出阻抗与凰相比一般都很小，所以分析时忽略了运放的 输出电阻。由图2 2 可列出下列方程： i l + l 刊m + 鼍 = i r m i f = y f r p 圪= 一圪a o = u + 砟一屹一吃 = 屹+ 砟一屹一 纠k 耳 其中：4 为运算放大器的开环增益。由式( 2 6 ) 一式( 2 1 2 ) 可得： 圪=笔一rf p “ + 去叶瓦+ 等+ 0 + 鲁，鲁， p “。 由式( 2 1 3 ) 看出t 输出电压u 不仅与输入电压u 有关，还与厶，厶：，吃 有关，且以，r 。，r f ，b 等都有影响，这些影响都给运算放大器的输出带来 误差，从而影响着电路测量的准确度。 对式( 2 1 3 ) 进一步分析可知，分母中方括号内的式子正是将运放输入阻抗 r 考虑在内后的反馈系数的倒数。 由图2 2 可知： = 考为去 j r f + r n | | t r 。+ r ) r l + r r 古= 半”邱编i i ( r , 帆) ) 】 8 ( 2 一1 4 ) ) ) ) ) o 1 2 6 7 8 9 l 1 l 一 一 一 一 一 一 一 2 2 2 2 2 2 2 江苏太学硕士论文 ：l + 拿+ 皂+ ( 1 + 生) 拿 ( 2 1 5 ) r vr lr nr i 于是，式( 2 1 3 ) 可改写成： 纠一鲁u + _ ( 1 + 扣钳( 1 + 专心m + 方( 2 _ 1 6 ) 若能取足= r n r p ，则式( 2 一1 3 ) 又可写成： 圪= 卜去矽+ 都名+ ( 1 + 夸吃】，( 1 + 之矽 口- 1 7 ) 其中：l = ( 厶，一) 为运放的输入失调电流，一般地，甜比厶。或l 2 小1 个数量 级。考虑到实际使用中，丘 1 ，则有 圪= 一惫【，+ 郾+ ( 1 + 瓦r f ) 吃 ( 2 一1 8 ) 式( 2 - 1 8 ) 等号右边的第一项就是理想运算放大器的电压输出，后两项即为 7 1 进的输出误差项。 在实际的使用过程中，可以采取一些有效措施( 如电压自动消零和电流补偿 技术等) 消除l 和吃初始值的影响。但由于l 和吃存在着时漂和温漂的影响 实际的输出影响主要表现为l 和吃随着温度和时问变化的影响这些影响井 不能通过一般的补偿抵消。从而带来输出电压的误差。 表2 i 为0 p a l 2 8 部分参数“。 表2 io p a l 2 8 部分参数 l 运放型号 名( 2 5 c )( 2 5 )1 8 ( 2 5 c )t t ( u v k ) o p a l 2 83 0 f a 5 m v4 0 f a2 令 眈一惫拈一鲁u 9 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) a 专争 砸 一 l 彤 生 一厂 缸 江苏大学硕士论文 = l + ( 1 + 惫) 吃 ( 2 2 2 ) 设r x 接被测电阻，a t 取3 ，电阻量程为1 0 1 0 q 1 0 1 1 q ，前级原理图 2 1 中，因存在l 和吃而带来的误差眈，分别由式( 2 - 2 0 ) 、式( 2 - 2 2 ) 得出。见表2 2 。 表2 2 误差值表 电阻量程 疋也尽如 虬 1 0 1 0 0 1 0 1 1o 1 0 l i q3 1 0 7 01 0 7 07 5 x1 0 4 q 1 2 xi o - s v6 x 1 0 8 v 2 2 2 运算放大器随机噪声所引起的误差分析 1 、热噪声( t h e r m a ln o i s e ) 热噪声是由带电子或电荷的载流子( 电子或空穴) 在导体中不规则地运动产 生的。它对温度有很强的依赖性。电阻值及产生的热噪声有效电压由奈奎斯特 ( n a g u s i s t ) 公式表示满意为：彳= 4 k t r b ，其中，k 是玻尔兹曼常数 ( 1 3 8 x 1 0 。2 3 j k ) ，t 为绝对温度，b 为测量带宽( h z ) 。 取 b = 2 5 h z ，r f = r ，= 3 0 m o ，t _ 2 5 则 e , 2 ( 3 0 m n ) = 4 x 1 3 8 x 1 0 - ”x ( 2 7 3 1 5 + 2 5 ) x 3 0 x 1 0 6 x 2 5 = 1 2 3 4 1 0 1 2 e , ( 3 0 m f l ) = 3 5 u v 2 、散粒噪声( s h o tn o i s e ) 当电压超过一定的阀值且电流流出时，由于其流动方式的随机性产生的噪 声。半导体由穿越中转的载流子的随机扩散面生成。噪声电流的有效值为 ，= 止沥万。其中：q 为电子的电荷( 1 6 x 1 0 。1 9 c ) ，匕为平均电流( a ) ，b 为测 量带宽( h z ) 1 2 2 x 1 6 x 1 0 “9 x 2 5 x ，出 1 0 江苏大学颂f ：论文 也2 等 2 3 ) 取r n = i o o g q ，m = 1 0 0 0 v 则： ，2 0 0 0 0 v 。l o o g q ) = 2 x 1 6 1 0 1 9 x 2 5 x l o 。= 8 x 1 0 - ” 所以， ，= 2 8 x 1 0 。3 ( 彳) 红( 3 0 m o ) = i x r r = 2 8 x 1 0 1 3 x 3 0 x 1 0 6 = 8 4 u v 热噪声和散粒噪声在任何频率中都均匀分布，这个特性被称为白噪声。 e = 露+ 吐= 3 5 2 + 8 4 2 = 8 2 9 即： 吒= 9 1 u v 3 、材料的接触噪声 它是由材料的不完全接触造成电阻变化而产生的噪声。这种噪声的电力密度 分布为手的比例，所以又称为“手噪声”。 其中，三领域的成分为： ， 一，乒万石 z t ， ( 2 - 2 5 ) 下面以。p a l 2 8 计算乡噪声( 取o i h z i o h z ) ： 一乒万忑 硼肌厣再 = ；：和= 。，6 ：i i ：再= ，s 皿 江苏大学硕士论文 酃= x 3 0 m q = 6 2 1 0 “5 x 3 0 x 1 0 6 = o 1 8 6 u v 墨= ( 3 0 m f m 足) * 3 0 m q = o 1 8 6 u v 放大电路总噪声： = + 磊+ z + + ( 砟) 2 + ( r ，) 2 篇3 5 2 + 3 5 2 + 9 1 2 + 1 7 2 + o 1 8 6 2 + o 1 8 6 2 = 1 0 5 “v 其中、q ：分别是砰、墨上产生的热噪声。 2 2 3 由a d 7 7 1 0 引起的误差 从实际使用的情况来看，2 4 位的a d 转换器4 1 只能使用到有效位数为2 1 位。 考虑到基准参考电压为2 5 v ，则a d 量比误差为：1 2 5 i r v 。i 1 = o 6 “矿；非线性误 差2 5 v x o 0 0 0 3 = 7 5 u v ：所以a d 7 7 1 0 的合成误差为： u 7 7 1 0 = 4 0 6 2 + 7 5 2 = 7 5 u v 2 2 4 合成误差 = c a u 2 0 + e 二+ a u t 0 7 , m = 厄罚丽= 1 7 6 “v 由以上误差分析可知，要使测量1 0 0 g q 准确度控制在0 1 以内，输入电压 至少要达到： 2 急i n x2 。1 7 叭6 u v ! 等= ”6 矿 也就是说，在输入电压大于1 7 6 v 的情况下，能保证测量到的电阻值准确度 在0 1 以内。 2 3 本章小结 本章阐述了直流高阻箱数字式检定系统的工作原理，并从理论上分析了系统 的误差来源，详细计算了误差值，说明系统设计指标在理论上是有保证的。 1 2 江苏大学硕士论文 第三章直流高阻箱数字式检定系统的设计与实现 检定系统可分独立工作的主机和测控上位机两大部分。主机可单独对直流高 阻箱进行检定，也可与上位机联机进行半自动测控，从而达到电阻值、电压值、 电流值等数据的实时采集、处理、保存和输出。 主机的硬件部分主要是由直流可调电压源、电压精密测量回路、电流精密测 量回路及相关控制部分组成。 上位机测控软件使主机的使用更方便，使整个检定系统更符合现代计量发展 的要求。图3 1 为本系统测量直流高阻箱连线结构图。 直哟郦群鼎婿吲指定系统 口一 画訇 亘匦照i l 凰习 i f 一 ： v i 一| 4 一_ 一一一 一 一翁；稚：糟：一7 0、i 、 i it：o 一- 上_ 图3 i 直流高阻箱测量连线图 检定系统中量程选择开关各量限都对应直流高阻箱的各个检定盘。检定某个 盘的电阻时，将检定系统“量限选择”开关设定到对应的位置，就可以检定高阻 箱对应盘的各待检电阻，被检电阻的电阻值、电压值及电流值可从相应显示位直 接读取。 3 1 模拟电路的设计 模拟电路部分是本检定系统的核心，它主要负责得到被测电阻的电压电流信 号，是保证测量数据准确可靠的关键，也是本系统的要点所在。 江苏大学硕士论文 u r 图3 2 直流高阻箱数字式检定系统原理图 系统可实现恒定电压和恒定电流_ 两种检定方式。在图3 2 中，u 是受弪两雎 电源输出电压，r 。是被测电阻。当开关接通到s 1 时，u l 、r x 和r a 电路接入整 个回路控制系统，u o 【r 了a u 经乩r l 、r 2 组成的单位反相器接到比较器u 与基准电压u r 进行比较，以输出经控制电路调节受控高压源输出，当电路达到 平衡后，u 。- - - u r ，被测电阻r x 电流2 瓦u = 专= 酱，即此时l 由以及心决 定，在系统处于某量程时，蜀不变，调节u ，即可改变输出电流，从而实现恒流 检测：同理，当开关接通到s 2 时，u 2 、r s 、r b 电路接入整个回路控制系统， u 。= - r 磁s u 经以反相后接到比较器u 与基准电压u 进行比较，以输出经控 制电路调节受控高压源输出，当电路达到平衡后，= 一u 有 u = 一老x 瓯= + 老x u r 基于同样的原因，此时璐、如不变，改变珥即可改 变高压电源电压，从而实现检定系统恒压输出。 本系统中，p - s 都取同样的值1 0 mf l 2 0 w ，而r a 、r b 则随着不同的电阻量 程作同步相应改变，要求在对应电阻量程内。保证输出u 、u t , 不高于2 5 v 。不 1 4 扛苏大学硬士论文 同的量程对应的最高输出电压或电流也不同，如表3 1 所示。 表3 1直流高阻箱数字式检定系统参数及指标袭 推荐 测试电流范测试电压 分辨力测量电阻量程准确度岛 融 工作 围范围 状态 0 1 0 0 0 0 k q i 0 0 0 0 0 k o 5 0 0 k q5 0 0 i m a 一5 0 m a1 0 9 0 i k q 一1 0 o o k 0 1 2 5 k q1 2 5 q i m a 2 0 m a0 i o 恒流 1 0 0 0 0 k q 一1 0 0 c o o k q ( 0 0 5 r d + 0 0 0 3 f s ) 2 5 k q2 5 0 0i m a l o m a l a 1 0 0 o o k o 1 0 0 0 0 i l k on l m a 矗，m a l o o 1 0 k ql k q 1 0 0 0 0 m q 一1 0 0 0 0 0 m q5 0 v 2 5 0 0 v 0 1 k o 1 0 0 0 0 m 0 一1 0 0 0 0 0 m q士( 0 i r d + 0 0 0 6 f s ) 5 k q l k q 1 0 0 0 0 m 0 1 0 0 0 0 0 m 0 ( 0 2 r d4 - 0 0 0 5 f s )5 0 k 0 1 0 k q t0 0 0 0 ( 3 0 - 3 3 3 3 3 g 05 0 0 k 0o 1 m q ( 0 5 t r d + 0 0 3 f s ) 恒压 3 3 3 3 g 0 1 0o o o ( 3 0 5 k q5 0 v 5 0 v l m a 1 0o o o ( 3 0 - 3 3 3 3 0 g q 土( i r d + 0 0 5 稍) 5 m q 3 3 3 3 g 0 3 3 33 0 g 01 0 m q 3 3 33 g o 一1 0 0 0 0 g 0士( 2 r d + 0 0 5 f s )0 1 g a 为叙述方便，后文将如、毛、以组成的电路称为电阻采样电路，将墨、 u ，组成的电路称为电压采样电路。 3 1 1 采样电阻的选择 如图3 2 所示，电路采用的是电压反馈输出的工作方式，电压量程分为5 0 v 、 2 0 0 v 、1 0 0 0 v 、2 5 0 0 v 及5 0 0 0 v 五档，随着量程的变化电压采样回路中取样电阻 r s 、r b 的比例关系也随之变化。例如电压量程5 0 v 档的r b 阻值为4 8 0 k q ，当电压 输出额定电压5 0 v 后a d 采样端的实际电压值即为 v b = v x 冬= 5 0 1 4 8 丽0 x 1 0 3 = 2 4 y ，a d 采样的最高输入电压可到2 5 v ，为了保 证一定的电压余量，r 8 阻值的设置要作相应的考虑。取样电阻准确度直接关系到 电压的输出准确度，因此该电阻的准确度必须在0 0 2 以内。r s 的选择除了准确 江苏大学硕士论文 度因素外，还必须考虑输出电压最高达5 0 0 0 v 时的功率影响，l 园i l tt o m 电阻玛选 择采用1 m x1 0 电阻串联，同时该电阻做了等电位屏蔽保护处理，可保证其在各 种电压条件下的阻值稳定可靠。 3 1 2 测量准确度的保证 除了3 1 1 节所叙述的电阻选择外，还要考虑以下因素： ( 1 ) 放大器的选择 在电压采样回路中，取样电阻最大值为4 8 0 k q ，a i ) 采样端电压范围为o 2 5 v ，取该量程最大输出电压的l o 考核，即采样电压为0 2 5 v ，由偏置电流i b 引入的误差 0 0 1 ，则厶 丽丽万0 矿2 5 而i a ，t i p5 0 p a ，就可满足要求。可用偏置 电流在1 0 p a 以下自稳零的斩波运放i c l 7 6 5 0 。该运放温度对失调电压的影响为 0 0 2 u v ，5 的变化在十分之一的额定输出电压下( 对应于此时的a d 采样 电压0 2 4 v ) 的影响大概在i p p m 左右( 可忽略不计) 。 在电阻采样回路中。电阻采样端要求较高。由于电阻阻值大到1 0 0 0 g q ，偏 流是最主要的因素，同时还必须兼顾失调电压、温漂、偏置电流等多种参数，采 用静电计运放o p a l 2 8 ，它的输入失调只有6 5 f a ，共模输入阻抗在i 0 “q 以上， 差模输入阻抗在1 0 ”o 以上，温度漂移小于5 u v ，经过温度补偿电路后，温漂 能小于0 5 u v 。在额定电压的十分之一即5 0 0 v 下测量最高阻值1 0 0 0 g q 计算， 5 的变化，温漂导致来的误差为： y = 亏6 ：要羞等* o 2 1 0 0 0 l o 远远小于该量程的准确度2 9 6 ，而标准设备一般放置于温度变化很小的恒温 室，因此该数值应会更小。 o p a l 2 8 非常适合于高阻、小电流信号的测量，但其最大的缺点是温度漂移 较大，为了克服这个弱点，提高系统的准确度，经过大量环境实验得到了一批该 类运放的温度曲线。 1 6 江苏大学硕士论文 图3 3o p a l 2 8 温度变化曲线图 图3 3 为某一o p a l 2 8 一周内温度变化2 5 1 2 5 ，零点输出电压随温度变 化的曲线，其中横坐标为环境温度，纵坐标为o p a l 2 8 零点输出电压。采用最小 二乘法对图中的数据进行数据拟合后，可得式( 3 - i ) 所示的温度补偿公式。 y = o 0 1 8 1 x - o 0 2 6 7 ( 3 1 ) 其中，x 表示o p a l 2 8 相对于o c 的温度值，y 为o p a l 2 8 的补偿电压( m v ) 。 根据式( 3 - i ) ，为o p a l 2 8 设计了图3 4 所示的温度补偿电路。 j 一 图3 4o p a l 2 8 温度补偿电路 l n 3 5 为温度传感器，温度每升高i x ? 输出电压增加l o m v 。设l m 3 5 输出电压 为u 。，经过u 2 反相后输出为一u 。，则r w ：的电压调节范围为卜u 。，u 。 。调 节r w 。后的输出电压与r 、如、r w 分压后的电压经运放u ，进行加法运算后输出到 o p a l 2 8 的正向输入端，对o p a l 2 8 按式( 3 一1 ) 实现温度补偿。 1 7 江苏大学硕士论文 如图3 5 所示，o p m 2 8 最大输出电流小于3 0 l l l a ，不能满足系统最大输出电流 5 0 m a 的要求。因此，电路增加了由q l 、q 2 、q 3 、q 4 等组成的电流放大电路，满 足在低阻测量时对输出电流的要求。q 2 、q 3 分别对q l 、q 4 进行温度补偿，并为 其提供静态电压偏置。 图3 5 电流放大电路 为了更好的保证运放不受环境温度的剧烈变化，我们将前级运放电路密封在 一个金属屏蔽罩内，一方面能起到电磁屏蔽的作用，另一方面能防止对流、热传 导对器件的影响。 ( 2 ) 工艺 引线的穿芯技术 本系统工作在高电压状态，因此测试线的选择和设置必须综合考虑屏蔽和耐 压、泄漏等问题。高压端选用体积电阻达1 0 ”0 c m 的聚四氟乙烯材料制成的四 氟屏蔽线，为了减小引入干扰在引线上串上铁氧体，实验证明能有效提高系统的 抗电阻开关切换时的干扰。 等电位屏蔽 用屏蔽上的电位与被保护点上的电位相等来消除测量误差的办法称为等电 位屏蔽旧。 1 8 江苏大学硕士论文 幽3 6 ，寺电位屏敝原埋幽 等电位屏蔽原理图如图3 6 所示，它模拟了标准电阻砖。和艮2 串联的高压泄 漏，耳、耳：串联构成等电位屏蔽辅助电路，如为图中u ，、u 间的泄漏电阻 ( 或绝缘电阻) 。设不存在如泄漏时尽。和b ：串联电阻为也，存在泄漏时的总 电阻为疋，口为啡点电位与虮电位相对误差值。则： 疋2 等 c s z ， u p = ( 1 + 口) ( 3 3 ) 厶啪，l2 警+ 等 仔a ， l ：盟( 3 5 ) 2 砖2 由式( 3 2 ) 式( 3 - 5 ) 得： 疋喁岷一警 ( 3 _ 6 ) 地= 疋一疋一警 ( 3 _ 7 ) 由式( 3 7 ) 可以看出，当与以电位完全相同，即口2 0 时，眦= 0 ：当 江苏大学硕士论文 口= 1 时，相当于绝缘电阻如提高了( 二一1 ) 倍，即9 9 倍。 本装置中引入了等电位保护的方法，目的在于防止泄漏电流对测量产生的误 差。在原理图3 2 中，电压采样回路电阻由于受电阻功率及准确度要求高等的影 响，砖由1 0 只1 m 的精密锰铜电阻丝制成的线绕电阻构成，在高压情况下如不 做等电位屏蔽保护，这组电阻的各机械安装点会对地产生泄漏电流。为此，设计 了等电位保护以消除其影响，如图3 7 所示。 等电位电阻 r p 2 一一一_ 卜 r s 2 一一二) 图3 7 的等电位保护原理 一点接地 由于测量高阻时电流很微小，线路对干扰很敏感。本系统中均是直流信号， 不能采用隔离变压器形式对信号进行隔离传输，要注意模拟地和数字地的一点接 地处理。若采用一般的二线式传输输入方式的反相放大电路，如图3 8 方式，则 为电路地线阻抗产生的电压降，：为信号线的阻抗产生的电压降，放大器的 正输入端为a 点，则输出e o = g ( 巳+ 厶2 ) + i ：若采用图