電阻箱檢定工作中恒流源的作用研究

陳碧琛

佛山市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)中心 廣東佛山 528000

在《直流電阻箱檢定規(guī)程》JJG982-2003 規(guī)定中，引入恒流源的不確定度必須不能超過(guò)擴(kuò)展不確定度U 的十分之一范圍內(nèi)，而對(duì)電壓表的不確定度控制在四分之一，由此可以看出工藝對(duì)恒流源有較高的要求。本文的研究對(duì)象是以《直流電阻箱》附錄 A為依據(jù)，介紹利用數(shù)字電壓表檢定電阻箱的操作原理，闡述了恒流源的工作原理，并對(duì)其中的不確定度進(jìn)行分析。

1 恒流源工作原理

下面圖1 顯示的是恒流源的工作原理示意圖，圖中的NA1、NA2 和NA3 運(yùn)用的是集成運(yùn)算放大器，規(guī)格為ICL7650。該儀器是20 世紀(jì)80 年代某公司研發(fā)出來(lái)的低漂移、高精度、動(dòng)態(tài)校零特點(diǎn)的運(yùn)算放大器，該放大器為CMOS 類(lèi)型的暫波穩(wěn)零式單片集成而成，被業(yè)界視為運(yùn)算放大器的第四代[1]。其載入電壓失調(diào)值Uos 還不到通用運(yùn)算放大器的千分之一，該儀器為F007.Uos=1.1μV，載入偏置電流通常為100pA，而且共模抑制能力很強(qiáng)、增益開(kāi)環(huán)Ad 大于140dB。其中基準(zhǔn)電壓設(shè)定為Uin；功率放大器件設(shè)定為VTR；其限流電阻為R2。

恒流源的工作原理表現(xiàn)為：分壓基準(zhǔn)Uin 之后，利用加法器NA1、反饋放大器NA2，通過(guò)電流放大驅(qū)動(dòng)電路VTR 進(jìn)行Ix。為了更好穩(wěn)定輸出電流，除了負(fù)反饋在各個(gè)環(huán)節(jié)深度反饋外，還要從輸出電流中取樣通過(guò)電壓跟隨器反饋到加法器，呈現(xiàn)大反饋的格局，促使輸出電流更加穩(wěn)定，從而強(qiáng)化了恒流源在負(fù)載變化較大的范圍內(nèi)輸出電流超高的穩(wěn)定度。

1.1 恒流源電流的穩(wěn)定機(jī)理

加法器NA1的電壓輸出U1的公式為U1=Uin-U4，反方向的放大器NA2電壓輸出U2的公式為U2=-U1，跟隨器NA3 的電壓輸出U4的公式為U4=U3，而標(biāo)準(zhǔn)電阻Rn上的電流公式為In=U2-U3/Rn=-Uin/Rn。

1.2 功放驅(qū)動(dòng)原理

在對(duì)直流電阻進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，為了保證其測(cè)量的速度和準(zhǔn)確性，參與測(cè)試的儀表必須具備很大的恒流輸出的能力、極小的波紋以及超高的穩(wěn)定性，才可以實(shí)施110KV 級(jí)別以上的直流電阻的精準(zhǔn)、可靠的檢測(cè)。本文研究的恒流源具備穩(wěn)定輸出能力的極限電流為10A，用檢測(cè)100μΩ 級(jí)別以上的感性負(fù)載直流電阻。因?yàn)槠胀ǖ募蛇\(yùn)算放大器地輸出電流相對(duì)小，難以對(duì)很大的功率管實(shí)施驅(qū)動(dòng)，所以，要想得到10A 恒流源，利用擴(kuò)流技術(shù)是最佳的措施。本文利用的辦法是前級(jí)對(duì)后級(jí)實(shí)施驅(qū)動(dòng)的手段，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流的目標(biāo)。

試驗(yàn)表明，恒流源的功率放大器環(huán)節(jié)，取代電流驅(qū)動(dòng)電路VTR。其中Rx 為被測(cè)感性負(fù)載的直流電阻，Lx 為電感，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)電阻為Rn。VTR1 采用BD237NPN 類(lèi)型的100V，2A；VTR2 采用BD238PNP 類(lèi)型的100V，2A 形成前級(jí)驅(qū)動(dòng)的功率管。而VTR3-VTR6 利用MJ11032NPN 型的120V，50A 形成功率放大管。下面將要介紹恒流源功率放大器的工作原理。

2 測(cè)量不確定度措施

2.1 與計(jì)算相關(guān)的重要指標(biāo)

（1）恒流源的計(jì)算：本文采用的是JH-5 型恒流源，其穩(wěn)定度地輸出為的穩(wěn)定為，依據(jù)分布均勻原則

（2）電壓表的計(jì)算：本文的研究電壓表為2000 規(guī)格，測(cè)量電壓的準(zhǔn)確度為0.005% 依據(jù)分布均勻的原則，求得

（3）標(biāo)準(zhǔn)電阻的計(jì)算：本文設(shè)定為0.01 級(jí)別，設(shè)定k=3，求得

1.△I1 的不確定計(jì)算：u（△I1）=u（I）=4.6×10-5。

2.△I2 的不確定計(jì)算：本研究設(shè)定數(shù)字電壓表電阻輸入為Ri，標(biāo)準(zhǔn)電阻設(shè)定為RN，接入電壓表以后電壓變化的公式為：

電路的分流作用通常在小電流大電阻的情況下才得以發(fā)揮，由此設(shè)定RN=100kΩ，2000 電壓表阻抗輸入為10GΩ，進(jìn)入公式（1）獲得結(jié)果為數(shù)字電壓表輸入電阻對(duì)電壓的影響最大值為1×10-5。把電壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髯兓墓綖椋?/p>

△I 3 的不確定計(jì)算

基于UN、RN 之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)，會(huì)通過(guò)UN、RN 直接合成相對(duì)不確定度，公式為：

值得特別重視的是，在對(duì)UN 不確定度計(jì)算的時(shí)候，不可以單純地以為造成不確切度的原因是數(shù)字電壓表的準(zhǔn)確度，更要考慮電阻上恒流源的不穩(wěn)定對(duì)電壓示值的影響[2]。

3 不確定度的分析結(jié)果

本文對(duì)各不確定度分量進(jìn)行比較得知， I1Δ 、 I2Δ 造成的不確定度可以不計(jì)，如此可以視作I=IN，可以推出下面公式：

公式（4）顯示采用手段檢測(cè)電阻箱的相對(duì)不確定度，完全取決于標(biāo)準(zhǔn)電阻本身和電壓表的準(zhǔn)確度，并不受電流和電阻的阻值的影響[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)電阻箱的檢定工作中，恒流源作用和影響的分析，不難看出，如果想徹底消解恒流源的穩(wěn)定度對(duì)電壓示值的影響，在利用數(shù)字電壓表對(duì)電阻箱測(cè)定的過(guò)程中，必須選擇高穩(wěn)定的恒流源以及高輸入阻抗，數(shù)字電壓表的選擇標(biāo)準(zhǔn)是具備很小的零電流，而且恒流源的扥定性必須高于電壓表的準(zhǔn)確度。為了充分發(fā)揮恒流源穩(wěn)定性的作用，對(duì)電流和電阻的選擇時(shí)，必須把恒流源的負(fù)載電壓控制在最大負(fù)載電壓之內(nèi)。