CN103312135A - 用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路，该电路的铁芯T_A和T_B上下叠放组成双铁芯结构，铁芯T_A内置一个霍尔探头，霍尔探头连接低通滤波电路，低通滤波电路连接带增益调节的前置放大电路，带增益调节的前置放大电路连接恒流源电路，恒流源电路连接T_B的N2绕组，N1绕组的一端与N2绕组的另一端直接相连。铁芯T_A的N3绕组连接纹波和噪声提取电路，纹波和噪声提取电路连接带增益和相位调节的前置放大电路，带增益和相位调节的前置放大电路连接功率放大电路，功率放大电路连接铁芯T_B的N4绕组。采用本发明能够使纹波和噪声的含量降低到0.1%以下，产品测量性能一致性、重复性好，产品稳定、可靠，适用于宽范围的大电流源。

Description

用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路及控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路，属于电能计量领域。

背景技术

可调节精密直流大电流源一般分为线性电源和开关电源两种，线性电源因其制造成本高、效率低而很少采用，因此大电流源一般采用开关电源实现，但将开关电源应用于精密测量时最突出的问题是高频噪声、纹波大。纹波和噪声的产生较为复杂，主要来源于以下几方面：输入低频纹波、寄生参数引起的共模纹波与噪声、功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声和闭环调节控制引起的纹波与噪声。目前抑制纹波与噪声的方法主要有：

（1）提高开关电源工作频率，以提高纹波和噪声的频率，有利于滤波网络的抑制效果；

（2）用无源滤波网络；

（3）用多级串联线性调整电路；

（4）合理布线，变压器要适当屏蔽，且屏蔽要接地；

（5）用一些瞬态保护器件。

由于纹波和噪声的大小与开关电源的工作频率有关，通过提高开关电源的工作频率可以减小纹波和噪声，同时电流源的调节细度相应减小，而电能表检定装置要求调节细度优于0.002%*量程值。无源滤波器体积庞大，价格昂贵；对于电感来说，直流大电流很容易使它饱和而使滤波失效；电容所能通过的纹波电流是有限的。直流大电流源如采用线性调整电路，也存在能量损耗大、效率低、成本高和控制复杂等缺点。现有技术基本上是被动适应型的。

发明内容

本发明提供了一种用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路，它能够有效抑制可调节精密直流大电流源的纹波和噪声，使纹波和噪声的含量降低到0.1%以下。

本发明通过采用以下技术方案达到上述目的：一种用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路，该电路的铁芯T_A和T_B上下叠放组成双铁芯结构，铁芯T_A内置一个霍尔探头，霍尔探头连接低通滤波电路，低通滤波电路连接带增益调节的前置放大电路，带增益调节的前置放大电路连接恒流源电路，恒流源电路连接T_B的N2绕组,N1绕组的一端与N2绕组的另一端直接相连。铁芯T_A的N3绕组连接纹波和噪声提取电路，纹波和噪声提取电路连接带增益和相位调节的前置放大电路，带增益和相位调节的前置放大电路连接功率放大电路，功率放大电路连接铁芯T_B的N4绕组。

所述铁芯T_A和铁芯T_B由高导磁率的非晶或纳米晶材料制成。

所述低通滤波电路由电阻R1、电容C1、电阻R2和电容C2组成，电阻R1的一端连接霍尔探头，另一端连接电容C1和电阻R2，电容C1的一端连接电阻R1和电阻R2，另一端接地，电阻R2的一端连接电容C1和电阻R1，另一端连接电容C2和带增益调节的前置放大电路。

所述带增益调节的前置放大电路由电阻R3、电阻R4和运算放大器A1组成，电阻R3一端连接低通滤波电路，另一端连接电阻R4和运算放大器A1的反相输入端，电阻R4连接运算放大器A1的反相输入端和输出端，运算放大器A1的正相输入端接地，输出端连接恒流源电路。

所述恒流源电路由电阻R5、电阻R6和运算放大器A2组成，电阻R5的一端连接带增益调节的前置放大电路，另一端连接运算放大器A2的正相输入端，电阻R6的一端连接运算放大器A2的反相输入端和绕组N1，另一端接地，运算放大器A2的输出端连接绕组N2。

所述纹波和噪声提取电路由电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10和运算放大器A3组成，电阻R7的一端连接绕组N3，另一端连接电阻R9和运算放大器A3的反相输入端，电阻R8的一端连接绕组N3，另一端连接电阻R10和运算放大器A3的正相输入端，电阻R10的一端连接电阻R8和运算放大器A3的正相输入端，另一端接地，电阻R9的一端连接电阻R7和运算放大器A3的反相输入端，另一端连接运算放大器A3的输出端，运算放大器A3的输出端连接带增益和相位调节的前置放大电路。

所述带增益和相位调节的前置放大电路由电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3和运算放大器A4组成，电阻R11的一端连接纹波和噪声提取电路和电容C3，另一端连接电阻R13和运算放大器A4的反相输入端，电容C3的一端连接纹波和噪声提取电路和电阻R11，另一端连接电阻R12和运算放大器A4的正相输入端，电阻R12的一端连接电容C3和运算放大器A4的正相输入端，另一端接地，电阻R13的一端连接电阻R11和运算放大器A4的反相输入端，另一端连接运算放大器A4的输出端，运算放大器A4的输出端连接功率放大电路。

所述功率放大电路由电阻R14、电阻R15和运算放大器A5组成，电阻R14的一端连接带增益和相位调节的前置放大电路，另一端连接电阻R15和运算放大器A5的反相输入端，运算放大器A5的正相输入端接地，输出端连接电阻R15和绕组N4。

所述的用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路的控制方法，包括如下步骤：

直流电流源输出信号I_P同时穿过叠放的材质相同的铁芯T_A和铁芯T_B，I_P在铁芯T_A中感应出磁场B，通过霍尔探头检测到与I_P成正比的电压信号，再通过低通滤波电路分离出磁场B中的直流部分，利用带增益调节的前置放大电路和恒流源电路产生直流电流I₁驱动铁芯T_A的N1和铁芯T_B的N2绕组，当满足N1=N2=I_-÷I₁条件时，铁芯T_A和铁芯T_B中的直流磁场为0，以此有效地防止因直流大电流引起铁芯磁饱和现象发生；铁芯T_A的绕组N3耦合出直流电流源I_P中的纹波和噪声电流，通过带增益和相位调节的前置放大与功率放大，加载到铁芯T_B的N4绕组上，当I_2～=I_～÷N4时，I_P=I_-，直流电流源中的纹波和噪声就消失了，从而达到了抑制纹波、降低噪声的目的。

所述直流大电流源为1mA-600A的可调节电流源，5分钟内电流的变化值小于0.005%，在空载和满负载条件下，纹波和噪声含量应低于0.1%。

本发明的原理是：

直流电流源的输出电流信号（I_P）可表示为：

I_P＝I_－+I_～

I_P为直流电流源的输出电流信号。

I_－为直流电流源的输出电流信号中的直流部分。

I_～为直流电流源的输出电流信号中的交流部分，用有效值电流表征。

$I_{~}=\sqrt{{\left(I_{R~}\right)}^2+{\left(I_{N~}\right)}^2}$

I_R～为直流电流源的输出电流信号中的低频纹波，用有效值电流表征。

Ｉ_Ｎ～为直流电流源的输出电流信号中的高频噪声，用有效值电流表征。纹波与噪声抑制比 $K_{\mathrm{NRR}}=\frac{I_{~}}{I_{-}}\×100\%.$

本发明的突出优点在于：

（1）用主动消除纹波和噪声的办法，使纹波和噪声的含量降低到0.1%以下，大大地提高了大电流稳定度。

（2）产品测量性能一致性、重复性好，稳定、可靠，适用于宽范围的大电流源。

附图说明

图1为本发明所述的用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路。

图2为本发明所述的用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路中N1绕组与N2绕组之间元器件连接关系图。

图3为本发明所述的用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路中N3绕组与N4绕组之间元器件连接关系图。

具体实施方式

以下通过附图和实例对本发明的技术方案进一步说明。

如图1所示，用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路，由铁芯T_A、铁芯T_B、霍尔探头、低通滤波电路、带增益调节的前置放大电路、恒流源电路、N1绕组、N2绕组、N3绕组、N4绕组、纹波和噪声提取电路、带增益和相位调节的前置放大电路以及功率放大电路组成，铁芯T_A和铁芯T_B上下叠放组成双铁芯结构，铁芯T_A内置一个霍尔探头，霍尔探头连接低通滤波电路，低通滤波电路连接带增益调节的前置放大电路，带增益调节的前置放大电路连接恒流源电路，恒流源电路连接T_B的N2绕组,N1绕组的一端与N2绕组的另一端直接相连。铁芯T_A的N3绕组连接纹波和噪声提取电路，纹波和噪声提取电路连接带增益和相位调节的前置放大电路，带增益和相位调节的前置放大电路连接功率放大电路，功率放大电路连接铁芯T_B的N4绕组。

所述铁芯T_A和铁芯T_B由高导磁率的非晶或纳米晶材料制成。

所述低通滤波电路由电阻R1、电容C1、电阻R2和电容C2组成，电阻R1的一端连接霍尔探头，另一端连接电容C1和电阻R2，电容C1的一端连接电阻R1和电阻R2，另一端接地，电阻R2的一端连接电容C1和电阻R1，另一端连接电容C2和带增益调节的前置放大电路。

所述带增益调节的前置放大电路由电阻R3、电阻R4和运算放大器A1组成，电阻R3一端连接低通滤波电路，另一端连接电阻R4和运算放大器A1的反相输入端，电阻R4连接运算放大器A1的反相输入端和输出端，运算放大器A1的正相输入端接地，输出端连接恒流源电路。

所述恒流源电路由电阻R5、电阻R6和运算放大器A2组成，电阻R5的一端连接带增益调节的前置放大电路，另一端连接运算放大器A2的正相输入端，电阻R6的一端连接运算放大器A2的反相输入端和绕组N1，另一端接地，运算放大器A2的输出端连接绕组N2。

所述纹波和噪声提取电路由电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10和运算放大器A3组成，电阻R7的一端连接绕组N3，另一端连接电阻R9和运算放大器A3的反相输入端，电阻R8的一端连接绕组N3，另一端连接电阻R10和运算放大器A3的正相输入端，电阻R10的一端连接电阻R8和运算放大器A3的正相输入端，另一端接地，电阻R9的一端连接电阻R7和运算放大器A3的反相输入端，另一端连接运算放大器A3的输出端，运算放大器A3的输出端连接带增益和相位调节的前置放大电路。

所述带增益和相位调节的前置放大电路由电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3和运算放大器A4组成，电阻R11的一端连接纹波和噪声提取电路和电容C3，另一端连接电阻R13和运算放大器A4的反相输入端，电容C3的一端连接纹波和噪声提取电路和电阻R11，另一端连接电阻R12和运算放大器A4的正相输入端，电阻R12的一端连接电容C3和运算放大器A4的正相输入端，另一端接地，电阻R13的一端连接电阻R11和运算放大器A4的反相输入端，另一端连接运算放大器A4的输出端，运算放大器A4的输出端连接功率放大电路。

所述功率放大电路由电阻R14、电阻R15和运算放大器A5组成，电阻R14的一端连接带增益和相位调节的前置放大电路，另一端连接电阻R15和运算放大器A5的反相输入端，运算放大器A5的正相输入端接地，输出端连接电阻R15和绕组N4。

如图2所示，用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路中N1绕组与N2绕组之间元器件连接关系图。直流电流源输出信号I_P同时穿过叠放的材质相同的铁芯T_A和铁芯T_B，I_P在铁芯T_A中感应出磁场B，通过霍尔探头检测到与I_P成正比的电压信号，再通过R1、C1、R2和C2组成的低通滤波电路分离出磁场B中的直流部分。利用由R3、R4和A1组成的带增益调节的前置放大电路和由R5、R6和A2组成的恒流源电路产生直流电流I₁驱动铁芯T_A的N1和铁芯T_B的N2绕组，当满足N1=N2=I_-÷I₁条件时，铁芯T_A和铁芯T_B中的直流磁场为0，此时可有效地防止因直流大电流引起铁芯磁饱和现象发生。

如图3所示，用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路中N3绕组与N4绕组之间元器件连接关系图。铁芯T_A的绕组N3耦合出直流电流源I_P中的纹波和噪声电流，通过R7、R8、R9、R10和A3组成的纹波和噪声提取电路，R11、R12、R13、C3和A4组成的带增益和相位调节的前置放大电路与R14、R15和A5组成的功率放大电路，加载到铁芯T_B的N4绕组上，当I_2～=I_～÷N4时，I_P=I_-，直流电流源中的纹波和噪声就消失了，从而达到了抑制纹波、降低噪声的目的。

Claims (9)

1.用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路，其特征在于，该电路的铁芯T_A和T_B上下叠放组成双铁芯结构，铁芯T_A内置一个霍尔探头，霍尔探头连接低通滤波电路，低通滤波电路连接带增益调节的前置放大电路，带增益调节的前置放大电路连接恒流源电路，恒流源电路连接T_B的N2绕组,N1绕组的一端与N2绕组的另一端直接相连；铁芯T_A的N3绕组连接纹波和噪声提取电路，纹波和噪声提取电路连接带增益和相位调节的前置放大电路，带增益和相位调节的前置放大电路连接功率放大电路，功率放大电路连接铁芯T_B的N4绕组。

2.根据权利要求1所述的用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路，其特征在于，所述铁芯T_A和铁芯T_B由高导磁率的非晶或纳米晶材料制成。

3.根据权利要求1所述的用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路，其特征在于，所述低通滤波电路由电阻R1、电容C1、电阻R2和电容C2组成，电阻R1的一端连接霍尔探头，另一端连接电容C1和电阻R2，电容C1的一端连接电阻R1和电阻R2，另一端接地，电阻R2的一端连接电容C1和电阻R1，另一端连接电容C2和带增益调节的前置放大电路。

4.根据权利要求1所述的用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路，其特征在于，所述带增益调节的前置放大电路由电阻R3、电阻R4和运算放大器A1组成，电阻R3一端连接低通滤波电路，另一端连接电阻R4和运算放大器A1的反相输入端，电阻R4连接运算放大器A1的反相输入端和输出端，运算放大器A1的正相输入端接地，输出端连接恒流源电路。

5.根据权利要求1所述的用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路，其特征在于，所述恒流源电路由电阻R5、电阻R6和运算放大器A2组成，电阻R5的一端连接带增益调节的前置放大电路，另一端连接运算放大器A2的正相输入端，电阻R6的一端连接运算放大器A2的反相输入端和绕组N1，另一端接地，运算放大器A2的输出端连接绕组N2。

6.根据权利要求1所述的用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路，其特征在于，所述纹波和噪声提取电路由电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10和运算放大器A3组成，电阻R7的一端连接绕组N3，另一端连接电阻R9和运算放大器A3的反相输入端，电阻R8的一端连接绕组N3，另一端连接电阻R10和运算放大器A3的正相输入端，电阻R10的一端连接电阻R8和运算放大器A3的正相输入端，另一端接地，电阻R9的一端连接电阻R7和运算放大器A3的反相输入端，另一端连接运算放大器A3的输出端，运算放大器A3的输出端连接带增益和相位调节的前置放大电路。

7.根据权利要求1所述的用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路，其特征在于，所述带增益和相位调节的前置放大电路由电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3和运算放大器A4组成，电阻R11的一端连接纹波和噪声提取电路和电容C3，另一端连接电阻R13和运算放大器A4的反相输入端，电容C3的一端连接纹波和噪声提取电路和电阻R11，另一端连接电阻R12和运算放大器A4的正相输入端，电阻R12的一端连接电容C3和运算放大器A4的正相输入端，另一端接地，电阻R13的一端连接电阻R11和运算放大器A4的反相输入端，另一端连接运算放大器A4的输出端，运算放大器A4的输出端连接功率放大电路。

8.根据权利要求1所述的用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路，其特征在于，所述功率放大电路由电阻R14、电阻R15和运算放大器A5组成，电阻R14的一端连接带增益和相位调节的前置放大电路，另一端连接电阻R15和运算放大器A5的反相输入端，运算放大器A5的正相输入端接地，输出端连接电阻R15和绕组N4。

9.根据权利要求1所述的用于可调精密直流大电流源的降低纹波和抑制噪声电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

直流电流源输出信号I_P同时穿过叠放的材质相同的铁芯T_A和铁芯T_B，I_P在铁芯T_A中感应出磁场B，通过霍尔探头检测到与I_P成正比的电压信号，再通过低通滤波电路分离出磁场B中的直流部分，利用带增益调节的前置放大电路和恒流源电路产生直流电流I₁驱动铁芯T_A的N1和铁芯T_B的N2绕组，当满足N1=N2=I_-÷I₁条件时，铁芯T_A和铁芯T_B中的直流磁场为0，以此有效地防止因直流大电流引起铁芯磁饱和现象发生；铁芯T_A的绕组N3耦合出直流电流源I_P中的纹波和噪声电流，通过带增益和相位调节的前置放大与功率放大，加载到铁芯T_B的N4绕组上，当I_2～=I_～÷N4时，I_P=I_-，直流电流源中的纹波和噪声就消失了，从而达到了抑制纹波、降低噪声的目的。

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