應(yīng)用于互感器校驗(yàn)儀自動(dòng)檢定的標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)計(jì)

汪應(yīng)龍 翟少磊 朱全聰 劉愛蓮 李川 顧紅波

摘要：為了實(shí)現(xiàn)互感器校驗(yàn)儀自動(dòng)檢定，并滿足一定的高精度和高穩(wěn)定要求，設(shè)計(jì)了一種0.05級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源?采用STM32F205作為核心處理器，EP1K30QC208-3N芯片作為中央執(zhí)行單元，DAC7744芯片作為轉(zhuǎn)換器，

功放電路中分別對(duì)電壓源和電流源進(jìn)行反饋設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的該標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)在輸出信號(hào)的準(zhǔn)確度和失真度兩方面同時(shí)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和最初的設(shè)計(jì)要求。其中電流信號(hào)的最低準(zhǔn)確度為0.0142%，電壓信號(hào)的最低準(zhǔn)確度為0.01758%，兩者均滿足準(zhǔn)確度小于0.05%的要求；電流信號(hào)的最大失真度為0.08%，電壓信號(hào)的最大失真度為0.09%，兩者均滿足失真度小于0.2%的要求。

關(guān)鍵詞：互感器校驗(yàn)儀自動(dòng)檢定；0.05級(jí)標(biāo)準(zhǔn)源；準(zhǔn)確度；失真度

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A DOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.030

引言

目前，我國(guó)大多數(shù)研究院專業(yè)所、高校以及各個(gè)廠商所采用的互感器校驗(yàn)儀整檢裝置都是電工式互感器校驗(yàn)儀整檢裝置。此類整檢裝置選擇采用手動(dòng)調(diào)壓器進(jìn)行升壓，再通過升壓/流器給出測(cè)試信號(hào)，然后通過標(biāo)準(zhǔn)電阻、電容或互感器等器件輸出測(cè)試信號(hào)，輸出的測(cè)試信號(hào)再通過帶標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載或移相電路的方式進(jìn)行差值電壓電流信號(hào)輸出。這種信號(hào)輸出方式主要存在由于手動(dòng)調(diào)節(jié)和運(yùn)用了標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載（阻容、互感器）的形式導(dǎo)致輸出的信號(hào)穩(wěn)定性和精確性不夠的缺陷。

為了提高信號(hào)高穩(wěn)定和高精度的輸出，在實(shí)現(xiàn)互感器校驗(yàn)儀檢定自動(dòng)化過程中設(shè)計(jì)出一種0.05級(jí)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，輸出電壓信號(hào)和電流信號(hào)。完全避免使用傳統(tǒng)的信號(hào)輸出方式，達(dá)到輸出高精度高穩(wěn)定信號(hào)的目的。

1 標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種互感器校驗(yàn)儀檢定專用標(biāo)準(zhǔn)源，解決了現(xiàn)有技術(shù)中需要人工操作的非智能化問題，以及避免使用不穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電阻、電容等器件，使得電源的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性得到很好的提升效果。

1.1 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)源中主要包括有采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、功放模塊以及中央執(zhí)行單元。各模塊連接圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)處理模塊將需要輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行程序計(jì)算，在數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊中，一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換芯片具有四個(gè)通道分別產(chǎn)生電壓、電流、差壓和差流的原始模擬量信號(hào)，然后分別進(jìn)入功放501、502、503和504。這四個(gè)功放分別將模擬量信號(hào)放大推動(dòng)至隔離升壓器701，703和升流器702，704。其中，隔離升壓器701輸出電壓即為互感器校驗(yàn)儀檢測(cè)電壓Up，隔離升流器702輸出電流即為互感器校驗(yàn)儀檢測(cè)電流IP。而隔離升壓器703輸出電壓進(jìn)入精密電壓互感器901隔離輸出，微處理器通過中央執(zhí)行單元和量程切換模塊控制繼電器選擇901輸出的變比，901輸出的信號(hào)即為互感器校驗(yàn)儀檢測(cè)差值電壓AU。同理，精密電流互感器902輸出的信號(hào)即為互感器校驗(yàn)儀檢測(cè)差值電流Ai。

得到4組信號(hào)的幅度大小以及相位關(guān)系，并將4組D/A數(shù)據(jù)列表計(jì)算好后下載到中央執(zhí)行單元；中央執(zhí)行單元根據(jù)幅度大小對(duì)D/A列表進(jìn)行自動(dòng)乘法運(yùn)算，之后根據(jù)相位關(guān)系按照要求的時(shí)序發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊按照時(shí)序數(shù)模轉(zhuǎn)換出4個(gè)正弦波信號(hào)給功放模塊；功放模塊將信號(hào)放大推動(dòng)，通過隔離升壓變壓器/升流器將電壓/電流信號(hào)輸出至被檢互感器校驗(yàn)儀。差值信號(hào)的輸出則需提前通過電壓/電流精密互感器，然后再輸出至互感器校驗(yàn)儀。

更為詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)工作框圖如圖2所示：

1.2 標(biāo)準(zhǔn)源電路板設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)源信號(hào)生成由ARM將量化的正弦波數(shù)據(jù)存放到SDRM模塊中，通過一定的時(shí)序，按一定的時(shí)間間隔，由FPGA自動(dòng)讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)乘以相應(yīng)的信號(hào)幅度數(shù)據(jù)，然后送到16位D/A轉(zhuǎn)換，生成標(biāo)準(zhǔn)源的信號(hào)，輸出至互感器校驗(yàn)儀進(jìn)行檢定。標(biāo)準(zhǔn)源電路板實(shí)物圖如圖3所示，接下來介紹其中主要的硬件電路設(shè)計(jì)。

2 標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微處理器與中央執(zhí)行單元

由于在標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)中，需要達(dá)到一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換芯片具有四個(gè)通道輸出4組原始模擬量信號(hào)的目的，而且這4路原始模擬量信號(hào)需要進(jìn)行多點(diǎn)數(shù)的同步采樣，數(shù)據(jù)計(jì)算量龐大，因此在采用微處理器時(shí)首要考慮的是其性能是否優(yōu)異。ARM架構(gòu)Cortex-M3內(nèi)核、32位處理器STM32F205具有強(qiáng)大的指令運(yùn)算功能和數(shù)據(jù)處理能力，很容易實(shí)現(xiàn)各種控制算法及高速實(shí)時(shí)采樣，可提高系統(tǒng)的工作效率。因此該處理器滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，處理器原理圖如圖4所示。

中央執(zhí)行單元核心元件為FPGA，F(xiàn)PGA是采用Altera公司的EP1K30QC208-3N芯片，擁有30000門電路，頻率達(dá)到80MHz，速度級(jí)數(shù)為3，總比特?cái)?shù)是24576。這樣可以滿足高精度信號(hào)源設(shè)計(jì)的要求，完成所有數(shù)字邏輯運(yùn)算，穩(wěn)定可靠，而且處理速率極快[6_8]。

2.2 D/A轉(zhuǎn)換電路

D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)，在標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)中采用TI公司的成熟芯片DAC7744。該芯片16位高精度四路電壓型模擬量輸出，正好適合本研究項(xiàng)目4路信號(hào)源的需求。它的調(diào)節(jié)細(xì)度1：32768，輸出電壓范圍為-15V?+15V，因而16位D/A轉(zhuǎn)換的幅值分辨率為，可以達(dá)到高精度的要求。DAC7744的電路連接圖如圖5所示。

2.3 功放電路設(shè)計(jì)

高穩(wěn)定、高精度數(shù)字程序控制標(biāo)準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)是互感器校驗(yàn)儀自動(dòng)檢定裝置設(shè)計(jì)的核心，而程控電壓電流源功放電路的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性研究又是高穩(wěn)定、高精度數(shù)字程序控制標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，從而能夠保證自動(dòng)檢定裝置的性能。因此，高穩(wěn)定、高精度數(shù)字程序控制標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)計(jì)的核心就在于其功放電路準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)。在此電路中，無論電壓源設(shè)計(jì)還是電流源設(shè)計(jì)，均采用全閉環(huán)輸出，保證輸出準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定度好。

2.3.1 電壓源設(shè)計(jì)

電壓源功放電路原理圖如圖6所示，電壓源采用線性功放加開關(guān)電源供電，既保持了線性功放失真度低，穩(wěn)定度高的優(yōu)點(diǎn)，又降低了電源功耗，提升了效率。

設(shè)計(jì)的該電壓源具有100V和57.7V兩個(gè)檔位輸出。電壓源在輸出電壓反饋處理中選擇采用全反饋電路，達(dá)到提高電壓輸出準(zhǔn)確度的目的。電壓輸出滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

檔位：57.5V、100V；

調(diào)節(jié)范圍：0?120%RG；穩(wěn)定度：0.01%（2mm）；失真度：<0.2%；準(zhǔn)確度：0.05%RG；

輸出容量：25VA。

2.3.2 電流源設(shè)計(jì)

電流源功放電路原理圖如圖7所示，在高精度大電流標(biāo)準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)過程中，一個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)問題就是電流取樣反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，電流反饋處理采用磁通補(bǔ)償反饋電路提高電流輸出的精度。

該電流源輸出電流5A，通過信號(hào)調(diào)幅外加高精度電流互感器實(shí)現(xiàn)電流多檔位輸出。在電流反饋處理中選擇采用磁通補(bǔ)償反饋電路，提高電流輸出的精度。電流輸出滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

檔位：5A、1A、500mA、100mA、50mA、10mA；穩(wěn)定度：0.01%（2min）；失真度：<0.2%；準(zhǔn)確度：0.05%RG；輸出容量：25VA。

在D/A轉(zhuǎn)換電路輸出4路原始模擬量信號(hào)的過程中，采取大功率的三極管陣列電路推動(dòng)隔離升壓器或升流器輸出的方法，每路測(cè)試信號(hào)容量可達(dá)到30VA。其中，一路為5A或1A標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)i；一路為100V或57.7V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)；一路為pA級(jí)至mA級(jí)標(biāo)準(zhǔn)差值電流信號(hào)Ai；—路為mV級(jí)至V級(jí)標(biāo)準(zhǔn)差值電壓信號(hào)Au。這樣可以確保每路信號(hào)的輸出準(zhǔn)確度均在0.05%，穩(wěn)定度均為0.005%/lmin，波形失真度都是小于0.1%。

3 測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證提出的局精度、局穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的有效性和實(shí)用性，進(jìn)行5組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。采用某公司生產(chǎn)的6位半萬用表檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)源輸出的電壓、電流、差值電壓以及差值電流，在測(cè)試過程中根據(jù)檔位值設(shè)定不同的量程以及記錄信號(hào)輸出幅值，并對(duì)測(cè)試結(jié)果（選取工作電壓和工作電流測(cè)試數(shù)據(jù)）進(jìn)行定量分析。信號(hào)的幅值準(zhǔn)確度可以證明輸出信號(hào)的幅值是否穩(wěn)定，失真度（THD）可以證明輸出信號(hào)是否發(fā)生失真，無限接近于完美波形，同時(shí)借鑒文獻(xiàn)中的失真度研究方法。因此在測(cè)試過程中，米用正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，信號(hào)的幅值準(zhǔn)確度和失真度作為驗(yàn)證對(duì)象。

對(duì)于信號(hào)幅值準(zhǔn)確度的計(jì)算公式為：假設(shè)測(cè)得的數(shù)據(jù)為，準(zhǔn)確度就為值

標(biāo)稱值。對(duì)于失真度的計(jì)算公式為：，其中是基波有效值，是次諧波有效值。

3.1 信號(hào)幅值準(zhǔn)確度

工作電流及丁作電壓的測(cè)試結(jié)果分別如表1和表2所示。當(dāng)輸出電流在5A檔、百分表在10%時(shí)，輸出的電流準(zhǔn)確度最低，為0.0294%；當(dāng)輸出電流在1A檔、百分表在20%時(shí)，輸出的電流準(zhǔn)確度最高，為0.006%。均滿足0.05%的準(zhǔn)確度要求。

在100V檔位輸出的工作電壓準(zhǔn)確度為0.01025%，57.5V檔位輸出的準(zhǔn)確度為0.01758%，這兩個(gè)值也都滿足0.05%的準(zhǔn)確度要求。

3.2 失真度

失真度是輸出信號(hào)中基頻信號(hào)各諧波分量的均方根電壓/電流值與輸出信號(hào)的基波電壓/電流值之比。結(jié)果如下表3所示。

對(duì)于電流源，失真度最大值為0.08%，小于設(shè)計(jì)要求的失真度0.2%；對(duì)于電壓源，失真度最大值是0.09%，同樣小于設(shè)計(jì)要求的失真度0.2%。所以，該標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)的輸出信號(hào)失真度均小于0.2%，都滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，能夠幫助實(shí)現(xiàn)互感器校驗(yàn)儀自動(dòng)檢定，并滿足一定的高精度和高穩(wěn)定要求。對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果表明，在輸出信號(hào)的準(zhǔn)確度和失真度兩方面同時(shí)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。為了進(jìn)一步提高標(biāo)準(zhǔn)源的性能，更加方便及智能地應(yīng)用在互感器校驗(yàn)儀自動(dòng)檢定系統(tǒng)中，接下來的研究重點(diǎn)是：

（1）為能夠使該標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)很好地應(yīng)用于互感器校驗(yàn)儀自動(dòng)檢定裝置，需要根據(jù)體積和重量的考慮對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的電子式設(shè)計(jì)；

（2）加入一個(gè)采樣電路并組成閉環(huán)回路，運(yùn)用某種控制算法比如PID算法，對(duì)輸出的電壓電流信號(hào)實(shí)行反饋控制，以此提高標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度并實(shí)現(xiàn)快速地精度調(diào)整；

（3）為了多方面確認(rèn)該系統(tǒng)能對(duì)互感器校驗(yàn)儀自動(dòng)檢定提供高精度高穩(wěn)定的測(cè)試信號(hào)，需要進(jìn)行更多的系統(tǒng)性能測(cè)試。比如信號(hào)的穩(wěn)定度測(cè)試，頻率的準(zhǔn)確度測(cè)試，信號(hào)諧波含量測(cè)試以及紋波系數(shù)測(cè)試等；

（4）進(jìn)行降低標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)噪聲的研究，可以進(jìn)一步提局信號(hào)穩(wěn)定度。