高精度交直流电流校准源研制

1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Thedevelopmentofhigh-precisionAC-DCcurrentcalibrationsour__ZHANGZi-changZHUZi-keZENGShu-fanYunnanTechnologicalResearchInstituteofMetrologyMeasurementKunming650228YunnanChinaAbstract:ItistodeveloptheAC-DCcurrentcalibrationsour__ofhigh-precisionhigh-powerandbroadbandfrequencyresponsethatisunificationofthesour__andstandardinstrumentinordertosatisfytheneedofthetra__abilityandvalueofaquantitytransferofAC-DCamperemeter.Thispaperintrodu__sthevariouspartsoftheprincipleandcharacteristicsofthecircuitthroughtherationalallocationofthevariouspartsofthepowertoachievetherequiredtechnicalspecifications.Keywords:Feddback;DCCurrentComparator;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、__甚至__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____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____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（45Hz～1kHz）的交直流电流校准源集高稳定__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0～50A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0～50A，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__的交流纹波≤1%；

（4）交流__失真度≤

0.5%；

（5）输出__频率范围45Hz～1kHz；

（6）测量显示精度直流优于

0.01%；交流45Hz～65Hz优于

0.01%，65Hz～1kHz优于

0.05%；

（7）频率测量显示45Hz～1kHz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__、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

①保证输出电流值稳定的交直流反馈电路；

②保证测量精度优于

0.01%的A/D转换和乘法累加电路；

③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__同时也作为测量显示值的__，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__与一个稳定的交流__作比较；直流反馈是将交流__转换为直流__与一个稳定的直流__作比较通常，直流__的稳定度容易做到，比交流__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R

1、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__合成交流输出时采用直流控制（调制）交流__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__由AD9850DDS专用芯片，输出频率范围162kHz～

3.6MHz，对输出__频率45Hz～1kHz（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__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__放大，交流__的稳定性不直接影响到输出稳定性，实际输出__锁定在一个稳定度更高的直流__上，可使输出__的稳定度不依赖于输入交流__的稳定性，所以输出交流__的稳定性可以高于合成__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50__小电流，可采样出5V反馈__图4直流反馈稳定性取决于误差放大倍数K及反馈__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5I2=50__，RL=100Ω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__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__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7A/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__进行离散根据连续周期__的有效值定义有f（t）是周期为T的连续__，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__周期；um为第m-1次的采样值；ΔT为采样时间，是一个常数在__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__，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__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；测量误差直流≤

0.01%，交流60Hz≤

0.01%、400Hz≤

0.01%、1kHz≤

0.02%；其余指标均优于设计要求经过__使用，工作可靠、性能良好、量值稳定参考文献

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[3]吴敏赵金康.50A高稳定度直流稳流器.电测与仪表

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