CN101308166B - 一种用于测试霍尔器件电性能的信号发生电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测试霍尔器件电性能的信号发生电路，包括主电路电源单元，正弦波振荡单元，正弦波信号发生单元，电流信号发生单元，电压信号发生单元，正弦波振荡单元输出正弦波，正弦波振荡单元由单片机控制其输出的正弦波预定频率，正弦波信号发生单元产生幅值可调的电压控制正弦波信号以及电流控制正弦波信号，电流信号发生单元和电压信号发生单元分别输出测试霍尔CT、PT所需要的具有预定频率(频率范围为0-1KHz)且幅值可调的电流和电压信号。本发明还包括可调直流电源单元，可以输出稳定可调的直流电压，以供传动设备过电流或过电压保护整定试验所用。本发明能保证输出平滑的正弦波，并且体积与重量相对较小，所以便于携带并降低了成本。

Description

一种用于测试霍尔器件电性能的信号发生电路

技术领域

本发明涉及电力、电子设备的测试领域，更具体地说，涉及一种用于测试霍尔器件电性能的信号发生电路。

背景技术

越来越多的交直流数字化电控装置在工业控制中得到应用，霍尔Current Transformer(霍尔电流变换器，以下简称霍尔CT)、PotentialTransformer(霍尔电压变换器，以下简称霍尔PT)作为电控装置的主要的检测器件，由于具有精度高、响应快、频率高、体积小及功率消耗低的特点，得到了广泛的应用。霍尔CT、PT内包含霍尔元件和霍尔集成电路两大部分，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大，后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。绝大多数现场调速设备没有工作在工频范围，当设备工作在低频与中频时，相应的霍尔CT、PT也工作在低频与中频范围之间。由于现场环境常常较恶劣，霍尔CT、PT内的磁场检测与信号处理集成回路容易发生异常，现场已多次发生由于霍尔CT、PT工作不稳定而造成相关设备异常。为此，迫切需要研制霍尔CT、PT测试仪，满足数字化电气传动装置的系统静态特性和保护特性的调试要求，提高掌控设备状态的能力。

目前市场上有一种工频测试仪器，原理见图1，它通过调压器及升压器进行工频电压调节，以进行工频PT的测试；它通过调压器及电抗器进行工频电压调节，从而输出工频电流以进行工频CT的测试，它特点是仪器结构简单，但只能测试工频信号，低频信号及中频信号均不能测试。我们对更换下来的不稳定的部分霍尔CT、PT用市场上工频信号测试仪进行测试时，没有发现异常，这是由于当工频信号测试仪工作在低频与中频时，由于内部磁路饱和以及仪器的采样时间不够，导致工频信号测试仪的测试准确度不够，不能有效判断霍尔CT、PT的状态是否正常。另外还有一种中高频信号发生器，其原理见图2，由频率设定选择脉冲频率，通过PWM调制，以及隔离驱动回路驱动功率器件，产生脉冲输出。通过调查和测试，目前市场上的上述两种信号发生测试仪具有以下缺点：1)用于CT、PT测试用信号发生器的输出信号的频率为工频50Hz且不可调，不能有效反映霍尔CT、PT在低频与中频状态工作性能，导致其应用范围有限；2)中高频信号发生器的频率虽然可调，但输出电压以及功率较低，不能用于测试霍尔PT、CT信号；3)市场上的高电压发生器一般通过升压变压器或泵升压电路实现，其体积大、重量大，功耗也大，携带不方便，相关成本高；4)市场上信号发生器一般只能输出交、直流电压信号，不能输出交、直流电流信号。

发明内容

针对上述常见的信号发生测试仪的输出信号的频率与幅值不可调、输出电压较低以及不能既输出交流又输出直流电压、电流信号等缺点，本发明提供一种用于测试霍尔器件(霍尔CT、PT)电性能的信号发生电路，采用所述电路的霍尔CT、PT信号发生及测试仪可以输出频率与幅值可调的信号，可以输出高电压以及分别能输出交流电压电流信号和直流电压电流信号。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于测试霍尔器件电性能的信号发生电路，包括：

主电路电源单元，所述主电路电源单元用以将交流电转换为所述电路相关单元所需要的直流电，所述主电路电源单元两个输出端分别输出高压直流电源和低压直流电源；

正弦波振荡单元，所述正弦波振荡单元的输入端与单片机连接，所述正弦波振荡单元产生振荡信号，所述信号经所述单片机控制处理后由所述正弦波振荡单元输出端输出具有预定频率的正弦波；

正弦波信号发生单元，所述正弦波信号发生单元的输入端与所述正弦波振荡单元的输出端连接，所述信号经过所述正弦波信号发生单元滤波、幅值处理及隔离，所述正弦波信号发生单元的两个输出端分别输出可调的电流控制正弦波信号以及电压控制正弦波信号；

电流信号发生单元，所述电流信号发生单元与所述主电路电源单元输出的低压直流电源连接，所述电流信号发生单元由运放芯片以及与所述运放芯片输出端连接的推挽放大电路组成，所述运放芯片的输入端与所述正弦波信号发生单元的电流控制正弦波信号输出端连接，所述电流信号发生单元经所述推挽放大电路输出端输出电流正弦波信号；

电压信号发生单元，所述电压信号发生单元与所述主电路电源单元输出的高压直流电源连接，所述电压信号发生单元包括驱动回路和主回路，所述驱动回路的输入端与所述正弦波信号发生单元的电压控制正弦波信号输出端连接，所述驱动回路由高压运放芯片及反向器组成，所述主回路由功率晶体管组成的桥式差动放大电路组成，所述驱动回路的输出端与所述主回路的输入端连接，所述主回路的输出端经电压传感器输出电压正弦波信号；

可调直流电源单元，所述可调直流电源单元将交流电源变换为可调的直流稳压电源，包括两个开关电源以及与所述开关电源连接的两个稳压器，两个选择开关分别与所述两个稳压器连接，可调电阻位于一个所述选择开关与一个所述稳压器之间。

所述主电路电源单元包括电流和电压信号选择开关以及与所述选择开关连接的电流开关电源和电压开关电源，所述电流开关电源的输出端输出低压直流电源到所述电流信号发生单元，所述电压开关电源的输出端输出高压直流电源到所述电压信号发生单元。

所述正弦波振荡单元包括振荡电路，锁相环分频电路及滤波电路，所述振荡电路输出端与所述锁相环分频电路输入端连接，所述锁相环分频电路输出端与所述滤波电路输入端连接，所述锁相环分频电路与所述单片机端口相连接；

所述单片机包括频率设定单元，所述频率设定单元设定所述信号发生电路所输出信号的频率。

所述正弦波信号发生单元包括滤波电路和交流信号调节器以及隔离放大电路，所述滤波电路与所述交流信号调节器串联，所述隔离放大电路输入端连接在所述滤波电路与所述交流信号调节器之间。

所述正弦波信号发生单元还包括一个交直流信号选择开关，所述交直流信号选择开关输入端分别与所述可调直流电源单元的15V直流电源输出端以及所述正弦波信号发生单元的滤波电路输出端连接，所述交直流信号选择开关输出端与所述正弦波信号发生单元的隔离放大电路输入端连接。所述电流信号发生单元的推挽放大电路由两个低压功率晶体管串联而成。

所述电压信号发生单元主回路的桥式差动放大电路是四个功率晶体管串联而成的一个矩形闭环，所述矩形闭环对角线方向的两个功率晶体管分别组成两个差动电路。

所述电压信号发生单元驱动回路包括两个高压运放芯片和一个反向器，所述一个高压运放芯片驱动与其连接的所述矩形闭环中的差动电路，所述反向器和另一个高压运放芯片输入端连接，所述另一个高压运放芯片驱动与其连接的所述矩形闭环中的另一个差动电路，所述电压信号发生单元的桥式差动放大电路的两个输出端与所述电压传感器的两个输入端连接。

采用本发明所述的信号发生电路的信号发生及测试仪，由于所述信号发生电路具有正弦波振荡单元，所述正弦波振荡单元在单片机的控制下可以输出预定频率的正弦波信号，所述正弦波信号通过信号调节器调节后输入所述发生及测试电路的电压信号发生单元以及电流信号发生单元，最后可输出频率和幅值可调的电压和电流信号，所述电压信号是高电压信号，可以作为用于测试霍尔PT的信号发生器，所述输出的电流信号配合相关的插件可以满足霍尔CT的测试精度要求；由于所述电压信号发生单元采用了高压运放芯片，并成功搭建高电压驱动回路和差动回路，简化了大功率晶体管的驱动回路，避免采用独立驱动回路造成的驱动控制的不同步，保证输出平滑的正弦波，并减小了所述发生及测试仪的体积与重量，便于携带，降低了成本。

附图说明

图1是工频测试仪器的原理简图；

图2是中高频信号发生器的原理简图；

图3是本发明与单片机连接的工作原理图；

图4是本发明所述的主电路电源单元示意图；

图5是本发明所述的正弦波振荡单元及单片机控制示意图；

图6是本发明所述的正弦波发生单元示意图；

图7是本发明所述的电流信号发生单元示意图；

图8是本发明所述的电压信号发生单元示意图；

图9是本发明所述的可调直流电源单元示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

参考图3，本发明所述用于测试霍尔器件(霍尔CT、PT)电性能的信号发生电路包括主电路电源单元10，正弦波振荡单元20，正弦波信号发生单元30，电流信号发生单元40，电压信号发生单元50，可调直流电源单元60，其中正弦波振荡单元20由单片机204控制其输出的预定频率，所述预定频率由与单片机204连接的频率设定单元205设定，主电路电源单元10为电流信号发生单元40及电压信号发生单元50供电，正弦波振荡单元20，正弦波信号发生单元30以及单片机204由另外的电源供电。

参考图4，主电路电源单元10用以将220V交流电转换为所述霍尔CT、PT信号发生电路相关单元所需要的直流电，主电路电源单元10包括电流和电压信号选择开关103以及与选择开关103连接的电流开关电源101和电压开关电源102，电流开关电源101的输出端输出正负12V的低压直流电源，电压开关电源102的输出端输出正负400V的高压直流电源，输出的正负12V的低压直流电源供电流信号发生单元40使用，输出的正负400V的高压直流电源供电压信号发生单元50使用。

参考图5，正弦波振荡单元20包括振荡电路201，锁相环分频电路202及滤波电路203，振荡电路201包括一个芯片IC1，芯片IC1的第14引脚作为输出端，锁相环分频电路202包括一个锁相环芯片IC2和三个分频芯片IC4，IC5及IC6组成的3级分频器2021，芯片IC2的第14引脚和第3引脚作为输入端，第4引脚作为输出端，芯片IC1的第14引脚与锁相环分频电路202中的芯片IC2的第14引脚连接，芯片IC2的第3引脚与3级分频器2021的输出端连接，芯片IC2的第4引脚分别与3级分频器2021以及滤波电路203的输入端连接。3级分频器2021与单片机204端口相连接并受单片机204控制，单片机204还包括频率设定单元205，频率设定单元是一个有10个键的键盘，用来设定所述霍尔CT、PT信号发生电路所输出信号的频率。滤波电路203的输出端将经过滤波后的正弦波信号传给正弦波信号发生单元30。

参考图6，正弦波信号发生单元30包括滤波电路301，交流信号调节器302，隔离放大电路303以及交直流信号选择开关304，选择开关304输入端分别与15V的直流电源305的输出端以及滤波电路301的输出端连接，选择开关304的输出端与隔离放大电路303输入端连接，交流信号调节器302与滤波电路301串联，隔离放大电路303输入端连接在滤波电路301与交流信号调节器302之间，直流电源305有一个直流信号调节器306。隔离放大电路303的两个输出端分别输出可调的电压正弦波信号以及电流正弦波信号。

参考图7，电流信号发生单元40由运放芯片IIC1A以及与运放芯片IIC1A输出端连接的推挽放大电路401组成，推挽放大电路401由两个低压功率晶体管Q6和Q7串联而成，电流信号发生单元40经推挽放大电路401输出端输出电流信号；

参考图8，电压信号发生单元50包括驱动回路501和主回路502，驱动回路501的输入端与正弦波信号发生单元30的电压正弦波信号输出端连接，驱动回路501由两个高压运放芯片ICD5、ICD4和一个反向器ICD3组成，主回路502是由UD1，UD2，，UD3及UD4功率晶体管串联而成的一个矩形闭环状的桥式差动放大电路，矩形闭环对角线方向的2个功率晶体管分别组成两个差动电路。高压运放芯片ICD5驱动UD1和UD4功率晶体管，高压运放芯片ICD4驱动UD2和UD3功率晶体管，主回路502的两个输出端与电压传感器503的两个输入端连接，经电压传感器输出电压信号。

参考图9，可调直流电源单元60提供可调的直流稳压电源，并为霍尔CT、PT提供工作电源。可调直流电源单元60通过U1、U2两个开关电源把交流220V变换为正负35V的直流电源，通过两个LM317稳压器W1和W2进行稳压，再通过选择开关K1B和K1A来选择输出±12V、±15V、±24V的电源。还可以通过选择开关K1B与可调电阻601的调节来输出幅值可调的稳定电压来进行电控装置过流或过压的保护试验。

下面以输出一个正弦波的高电压信号来描述一下具体过程：

首先使主电路电源单元10中的电流和电压信号选择开关103选择电压信号，此时主电路电源单元10通过电压开关电源102的输出端输出正负400V的高压直流电源，输出的正负400V的高压直流电源供电压信号发生单元50使用。

在正弦波振荡单元20中，振荡电路201输出频率为128Hz的基准波进入锁相环芯片IC2第14引脚，经锁相环芯片IC2中的压控振荡器输出端第4引脚输出到3级分频器2021中，此时单片机204根据频率设定单元205(10键键盘)设定好的频率向3级分频器2021输出相应的分频系数n，那么输入3级分频器2021中的128Hz的基准波经3级分频器2021处理后频率为128×nHz，将此频率波作为反馈信号输入锁相环芯片IC2的第3引脚，于是锁相环芯片IC2中的压控振荡器输出端便输出了128×nHz的方波，再经过128分频，便得到了频率为nHz的方波，此方波输入滤波电路203中，在OUT-1输出端输出频率为nHz的正弦波信号。

正弦波信号发生单元30接收到所述nHz的正弦波信号，使交直流信号选择开关304选择交流信号，所述正弦波信号通过滤波电路301和选择开关304到达隔离放大电路303，在隔离放大电路303的输出端输出电压控制正弦波信号，由于存在交流信号调节器302，所以通过交流信号调节器302可以调节输出的电压控制正弦波信号的幅值。

电压信号发生单元50通过输入端口KD1-7输入电压控制正弦波信号，一路电压控制正弦波信号通过450V的高压运放芯片ICD5，一路电压控制正弦波信号通过反向器ICD3到达450V的高压运放芯片ICD4，高压运放芯片ICD5驱动UD1和UD4功率晶体管组成的差动电路，高压运放芯片ICD4驱动UD2和UD3功率晶体管组成的差动电路，所述两个差动电路的输出端将信号输入电压传感器503，电压传感器503输出所需要的电压信号。

注意，本发明可通过与正弦波振荡单元20连接的单片机204的频率设定单元205设定预定的频率，还可以通过正弦波信号发生单元30的交流信号调节器302调节所输出的电压、电流控制正弦波信号的幅值，所以本发明可以输出频率为0-1KHz，幅值为0-500V/20mA的高电压信号，可以作为用于测试霍尔PT的信号发生器，本发明可以输出频率为0-1KHz、幅值为0-5A的电流信号，对于电流信号可以采用一种特制插头，模拟霍尔CT一次侧幅值为0-100A的信号，满足霍尔CT的测试精度要求。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种用于测试霍尔器件电性能的信号发生电路，其特征在于，包括：

主电路电源单元，所述主电路电源单元用以将交流电转换为所述电路相关单元所需要的直流电，所述主电路电源单元两个输出端分别输出高压直流电源和低压直流电源；

正弦波振荡单元，所述正弦波振荡单元的输入端与单片机连接，所述正弦波振荡单元产生振荡信号，所述信号经所述单片机控制处理后由所述正弦波振荡单元输出端输出具有预定频率的正弦波；

正弦波信号发生单元，所述正弦波信号发生单元的输入端与所述正弦波振荡单元的输出端连接，所述信号经过所述正弦波信号发生单元滤波、幅值处理及隔离，所述正弦波信号发生单元的两个输出端分别输出可调的电流控制正弦波信号以及电压控制正弦波信号；

电流信号发生单元，所述电流信号发生单元与所述主电路电源单元输出的低压直流电源连接，所述电流信号发生单元由运放芯片以及与所述运放芯片输出端连接的推挽放大电路组成，所述运放芯片的输入端与所述正弦波信号发生单元的电流控制正弦波信号输出端连接，所述电流信号发生单元经所述推挽放大电路输出端输出电流正弦波信号；

电压信号发生单元，所述电压信号发生单元与所述主电路电源单元输出的高压直流电源连接，所述电压信号发生单元包括驱动回路和主回路，所述驱动回路的输入端与所述正弦波信号发生单元的电压控制正弦波信号输出端连接，所述驱动回路由高压运放芯片及反向器组成，所述主回路由功率晶体管组成的桥式差动放大电路组成，所述驱动回路的输出端与所述主回路的输入端连接，所述主回路的输出端经电压传感器输出电压正弦波信号；

可调直流电源单元，所述可调直流电源单元将交流电源变换为可调的直流稳压电源，包括两个开关电源以及与所述开关电源连接的两个稳压器，两个选择开关分别与所述两个稳压器连接，可调电阻位于一个所述选择开关与一个所述稳压器之间。

2.如权利要求1所述信号发生电路，其特征在于，所述主电路电源单元包括电流和电压信号选择开关以及与所述选择开关连接的电流开关电源和电压开关电源，所述电流开关电源的输出端输出低压直流电源到所述电流信号发生单元，所述电压开关电源的输出端输出高压直流电源到所述电压信号发生单元。

3.如权利要求1所述信号发生电路，其特征在于，所述正弦波振荡单元包括振荡电路，锁相环分频电路及滤波电路，所述振荡电路输出端与所述锁相环分频电路输入端连接，所述锁相环分频电路输出端与所述滤波电路输入端连接，所述锁相环分频电路与所述单片机端口相连接。

4.如权利要求1或3所述信号发生电路，其特征在于，所述单片机包括频率设定单元，所述频率设定单元设定所述信号发生电路所输出信号的频率。

5.如权利要求1所述信号发生电路，其特征在于，所述正弦波信号发生单元包括滤波电路和交流信号调节器以及隔离放大电路，所述滤波电路与所述交流信号调节器串联，所述隔离放大电路输入端连接在所述滤波电路与所述交流信号调节器之间。

6.如权利要求1或5所述信号发生电路，其特征在于，所述正弦波信号发生单元还包括一个交直流信号选择开关，所述交直流信号选择开关输入端分别与所述可调直流电源单元的15V直流电源输出端以及所述正弦波信号发生单元的滤波电路输出端连接，所述交直流信号选择开关输出端与所述正弦波信号发生单元的隔离放大电路输入端连接。

7.如权利要求1所述信号发生电路，其特征在于，所述电流信号发生单元的推挽放大电路由两个低压功率晶体管串联而成。

8.如权利要求1所述信号发生电路，其特征在于，所述电压信号发生单元主回路的桥式差动放大电路是四个功率晶体管串联而成的一个矩形闭环，所述矩形闭环对角线方向的两个功率晶体管分别组成两个差动电路。

9.如权利要求8所述信号发生电路，其特征在于，所述电压信号发生单元驱动回路包括两个高压运放芯片和一个反向器，所述一个高压运放芯片驱动与其连接的所述矩形闭环中的差动电路，所述反向器和另一个高压运放芯片输入端连接，所述另一个高压运放芯片驱动与其连接的所述矩形闭环中的另一个差动电路，所述电压信号发生单元的桥式差动放大电路的两个输出端与所述电压传感器的两个输入端连接。

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