CN106130534A - 用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器，包括预滤波电路A和B、仪用差分放大电路A和B、低通滤波电路A和B、驱动电路A和B、模数转换器A和B、基准电路、时钟电路、数字信号处理器DSP、外触发电路。本发明采用双模数转换器（ADC）的结构，结合数字信号处理器（DSP）的积分算法，在测量直流长脉冲电流时，能够减小积分结果中的漂移。采用外触发的工作模式，能够保证在更长时间跨度下，积分结果的准确性。

Description

用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器

技术领域

本发明涉及数字式积分器领域，具体是一种用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器。

背景技术

罗氏线圈根据电磁感应原理，将导线均匀缠绕在无磁性圆环形骨架上，当线圈结构一定时，线圈互感为定值，线圈所交链的磁链与穿过罗氏线圈限定面的电流成正比，线圈两端输出的感应电动势与一次侧电流成正比，相位相差90度。对该信号积分后，即可得到一次电流幅值的相关信息，积分器是罗氏线圈测量的关键部分。根据积分器的形式，可以将罗氏线圈测量系统分为三种：1、模拟式，2、模拟数字混合式，3、数字式。目前，采用模拟积分器的罗氏线圈研究较多，且较为成熟，但由于积分器采用的元器件并非理想器件，运算放大器自身存在的失调电压、电流，偏置电压、电流，分立器件的温漂等，都容易引起模拟积分器的输出漂移，尤其在长时间工作情况下，此类误差更为明显；模拟数字混合式的罗氏线圈，积分器仍采用模拟积分器，积分后的信号通过模数转换器（ADC）变换成数字信号后，再通过数模转换器（DAC）变换成模拟信号，数字控制处理器仅仅完成模拟积分器中，积分电容泄放及信号切换控制，以及简单的结果累加，核心仍为模拟积分器。采用的电容泄放控制策略，能够在一定程度上改善漂移的误差；数字式的研究主要集中在最近几年，其硬件中的模拟部分，对微分信号不做积分，仅仅进行放大滤波处理， 然后通过模数转换器（ADC）采样成数字信号，再在数字芯片中，结合相应的积分算法进行积分，最后通过数模转换器（DAC）输出。数字式能够克服模拟式积分器中存在的不足，性能稳定。目前在东方超环（EAST）托卡马克放电实验中，放电电流呈现直流长脉冲的形式，脉冲宽度至少为60秒。由于是脉冲电流，并非纯粹直流，因此可以采用罗氏线圈测量。但长时间积分，会导致积分后的输出结果出现漂移，严重影响测量精度。另外，放电现场电磁环境恶劣，采用模拟式或模拟数字混合式积分器很容易受到电磁干扰，以至输出结果容易产生漂移。

目前，数字式积分器的研究，大多集中在对交流电流的测量及保护，用于直流长脉冲测量的研究较少。直流长脉冲测量中，存在的主要问题就是积分漂移，导致该漂移产生的原因有三点：1、线圈处于强电磁环境，由于自身结构不完善，受到干扰，在输出信号中叠加了直流信号或直流脉冲噪声。2、硬件部分，由于器件自身为非理想参数，使得信号中引入直流偏置噪声。3、由于温度变化，导致硬件部分的器件参数变化，引入缓变的直流噪声。以上三种直流噪声在经过积分器后，使得输出结果产生漂移。

对于积分漂移，有研究内容采用斩波的工作方式，以此消除数模转换器（ADC）的量化误差、非线性误差带来的影响。斩波工作方式虽然有其优点，但信号在斩波边缘存在较大的抖动，因此只能选取后续平稳段的数据，进行积分计算，造成数据点丢失，特别在真实信号快速变化时，容易导致失真。量化误差对积分结果的漂移并不会产生严重影响，即使存在该误差，由于其为固定值，可以通过后期补偿进行修正。

中国发明专利公布了实时积分漂移补偿交替式积分器及其误差控制方法（刘冬梅，万宝年，陈波，赵卫忠，实时积分漂移补偿交替式积分器及其误差控制方法，申请号：201310094898.9，申请日：2013.03.22）。该发明专利中所涉及的积分器为模拟数字混合式，即积分器仍采用模拟积分方式，积分后的信号通过模数转换器（ADC）变换成数字信号后，再通过数模转换器（DAC）变换成模拟信号。数字控制处理器控制单刀双掷开关，对微分信号进行交替积分，并完成对两路信号的保持和累加功能，核心仍为模拟积分器，并非数字积分积分器。虽然有两路信号采集电路，存在两个模数转换器（ADC），但从专利中可以看到，这两个模数转换器（ADC）并非同时进行采样工作，仅仅完成交替积分过后的交替采样，且在采样过后进行累加拼接。该方案在开关切换瞬间，容易引起信号抖动，从而导致输出结果在拼接处出现毛刺噪声，同时方案中对两个模数转换器（ADC）的处理并不能保证采样结果的一致性，即对同一信号采样的结果相近或相同。

发明内容 本发明主要是为了解决上述现有技术中存在的不足，特别针对产生积分漂移原因的第二、第三点，提出了一种可用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器，其特征在于：依次包括有：

作为第一级的预滤波电路A和预滤波电路B，预滤波电路A和预滤波电路B的电路结构和电气参数完全相同，均为低通滤波电路，且均采用多种无源滤波器的拓扑结构，其中预滤波电路A的输入端与罗氏线圈相连，由预滤波电路A输入端采集罗氏线圈输出的微分信号，预滤波电路B的输入端与一个电阻相连，该电阻具有与罗氏线圈相同的阻值，且该电阻对地短接，由预滤波电路B的输入端采集对地短接后该电阻的输出信号；

作为第二级的仪用差分放大电路A和仪用差分放大电路B，仪用差分放大电路A和仪用差分放大电路B的电路结构和电气参数完全相同，均由仪用放大器构成，仪用差分放大电路A的输入端与预滤波电路A的输出端连接，仪用差分放大电路B的输入端与预滤波电路B的输出端连接，由仪用差分放大电路A、仪用差分放大电路B分别对应对前级预滤波电路输出的微弱信号进行放大，以提高信噪比；

作为第三级的低通滤波电路A和低通滤波电路B，低通滤波电路A和低通滤波电路B的电路结构和电气参数完全相同，均由运算放大器构成，低通滤波电路A的输入端与仪用差分放大电路A的输出端连接，低通滤波电路B的输入端与仪用差分放大电路B的输出端连接，由低通滤波电路A、低通滤波电路B分别对应对前级仪用差分放大电路输出的信号进行滤波，以滤除高于截止频率的噪声；

作为第四级的驱动电路A和驱动电路B，驱动电路A和驱动电路B的电路结构和电气参数完全相同，均由差分运算放大器构成，驱动电路A的输入端与低通滤波电路A的输出端连接，驱动电路B的输入端与低通滤波电路B的输出端连接，由驱动电路A、驱动电路B分别对应对前级低通滤波电路输出信号的形式和幅值进行转换，转换为可被后级采样的信号；

作为第五级的模数转换器A和模数转换器B，模数转换器A和模数转换器B的电路结构和电气参数完全相同，均由模数转换芯片构成，模数转换器A的输入端与驱动电路A的输出端连接，模数转换器B的输入端与驱动电路B的输出端连接，由模数转换器A、模数转换器B分别对应将前级驱动电路输出的模拟信号转换为数字信号；

基准电路，其由基准电平芯片和运放构成，基准电路分别与驱动电路A和B、模数转换器A和B连接，由基准电路产生供驱动电路A和B、模数转换器A和B用的基准电平Vmid、Vrefp、Vrefn；

时钟电路，其由有源晶振芯片、施密特触发器构成，有源晶振芯片输出端与施密特触发器输入端连接，施密特触发器输出端分别与模数转换器A和B连接，由时钟电路中有源晶振芯片产生供模数转换器工作用的时钟信号，时钟信号经过施密特触发器后，分别输出给模数转换器A和B；

数字信号处理器DSP，其使用自身外设的McbspA、McbspB模块分别对应与模数转换器A和B的输出端通讯连接，数字信号处理器DSP内部的SYNC信号控制模数转换器A和B的同步采样，同时采样得到的数据在数字信号处理器DSP内相减后，再通过积分算法进行积分，最后积分结果通过数字信号处理器DSP上SPI模块与一个数模转换器通讯连接，完成模拟信号的输出；

外触发电路，其由继电器和D数字信号处理器DSP上通用输入输出口GPIO构成，外触发电路接收外部积分控制信号，该控制信号控制积分的开始与截止，外触发电路可与控制放电实验的上位机配合工作，另外，该外触发电路结合相应的控制算法，进一步降低积分漂移的影响，

所述的用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器，其特征在于：由预滤波电路A、仪用差分放大电路A、低通滤波电路A构成调理电路A，由预滤波电路B、仪用差分放大电路B、低通滤波电路B构成调理电路B。

所述的用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器，其特征在于：驱动电路A和B使用基准电路输出的同一中间基准电平Vmid。

所述的用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器，其特征在于：模数转换器A和B，使用基准电路输出的与驱动电路相同的中间基准电平Vmid，使用基准电路输出的同一个正基准电平Vrefp、同一个负基准电平Vrefn，使用时钟电路输出的同一个时钟信号，使用DSP输出的同一个同步信号。

所述的用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器，其特征在于：外触发电路，可以配合合适的控制算法，进一步降低漂移量，该控制算法具体内容如下：积分截止信号到达时，停止积分，系统输出设定为零值，停止积分期间进行自校准，即获取此后一段时间内，采样相减后的数值的平均值，并不断实时更新该数值，直至下个开始积分信号到达时，在进入积分算法前，将该数值作为偏移量减去。

本发明的设计思想是：使用两个模数转换器（ADC）分别同时采样两路信号，其中一路为线圈输出的微分信号叠加硬件中直流噪声的模拟混合信号，另一路为硬件中模拟直流噪声信号，采样后，数字化的混合信号减去数字化的直流噪声信号，得到有用的数字微分信号，然后利用数字积分算法积分运算，积分后的结果即为待测电流信号。为了保证两路信号耦合的直流噪声相同，应该使得两个信号通路具有相同的结构、器件和参数，同时，两个相同的模数转换器应采用相同的基准电平和时钟。

本发明的工作过程为：待采集的两路信号，一路为罗氏线圈输出的微分信号，另一路为在信号输入接口，将与罗氏线圈具有同等阻值的电阻对地短接后的输出信号。首先，使用两个相同的信号调理电路，分别对两路信号进行放大、滤波。然后，驱动电路将前级调理后的信号，转换成可被模数转换器（ADC）正确采样的幅值信号。两个驱动电路和两个模数转换器，使用基准电路产生的相应同一基准电平。最后，使用两个相同的模数转换器（ADC）对两路信号分别采样。两个模数转换器使用基准电路产生的相应同一基准电平，并且使用同一时钟。两条信号通路均采用相同的结构、器件、参数，不仅可以保证它们的直流偏置噪声相同，而且可以保证由温度变化引起的缓变直流噪声也相同。采样后的两路数字信号通过数字信号处理芯片（DSP）中的两路多通道缓冲串行口（McbspA与McbspB）同时获取，然后在芯片内部，两个信号做相减运算，以消除硬件自身参数和温度变化导致的直流噪声，相减得到的信号即为线圈输出的真实微分信号，最后使用积分算法进行积分运算，即可得到准确的积分结果。另外，通过外触发电路，可以人为地控制积分的开始与截止时间，例如，在多次测量直流脉冲电流时，电流输出前，触发积分电路，系统开始积分，在脉冲电流结束后，触发停止积分并校零，直到下次脉冲电流到达时，再重复之前的动作，这种工作方式，更适用于两次直流脉冲时间间隔，较长的应用场合，能够保证积分器在长时间运行下，积分输出结果漂移小，精度高。

本发明使用两个信号调理电路，分别对两路信号进行放大、滤波。两个驱动电路分别将前级调理后的信号，转换成可被模数转换器（ADC）正确采样的幅值信号。使用两个模数转换器（ADC）对两路信号分别同时采样。采样后的两路数字信号通过数字信号处理芯片（DSP）同时获取。数值在DSP内部相减后，使用DSP内部编写的积分算法进行积分运算。计算结果通过数模转换器（DAC）输出。使用外触发电路，可以人为地控制积分的开始与截止时间。

本发明采用双模数转换器（ADC）的结构，结合数字信号处理器（DSP）的积分算法，在测量直流长脉冲电流时，能够减小积分结果中的漂移。采用外触发的工作模式，能够保证在更长时间跨度下，积分结果的准确性。

附图说明

图1为本发明结构框图。

具体实施方式

本发明的系统结构如图1所示，由以下几个部分组成：预滤波电路A与B、仪用差分放大电路A与B、低通滤波电路A与B、驱动电路A与B、模数转换器（ADC）A与B、基准电路、时钟电路、数字信号处理器（DSP）、数模转换电路（DAC）及外触发电路。

预滤波电路A与B。该电路为待测信号输入系统的第一级，由电阻、电容和电感构成低通滤波电路，可采用多种无源滤波器的拓扑结构，主要对原始待测信号进行初级低通滤波处理，提高位于其后级的仪用差分放大电路的工作性能。图1中，预滤波电路A与罗氏线圈相连，为了消除共模噪声，预滤波电路采用差分结构，即罗氏线圈输出的信号经过预滤波电路转换后，输出为一对差分信号。预滤波电路B与A结构、器件、参数均一致，只不过，其输入信号为电阻两端的信号，该电阻的阻值与罗氏线圈内阻一致。

仪用差分放大电路A与B。该电路主要由仪用放大器和电阻组成，主要对前级微弱信号进行放大，提高信噪比。A与B的仪用放大器与电阻均采用同种型号和参数，且仪用放大器选用低噪声、高模数抑制比、低偏置电压电流、低失调电压电流，电阻选用高精度（如1‰），低温漂（如10ppm及以下）。

低通滤波电路A与B。该电路主要由运算放大器和电阻、电容组成，主要对前级信号进行滤波，滤除高于截止频率的噪声，避免后级的模数转换器（ADC）的采样结果出现混叠现象。A与B的运算放大器与电阻、电容均采用同种型号和参数，且运算放大器选用低噪声、低偏置电压电流、低失调电压电流，电阻选用高精度（如1‰），低温漂（如10ppm及以下），电容选用高精度（如1％及以下），NPO规格。

驱动电路A与B。该电路主要由差分运算放大器、电阻和中间基准电平Vmid组成，主要对前级信号的形式和幅值进行转换，转换成可以被后级模数转换器（ADC）差分采样的信号。A与B的差分运算放大器、电阻均采用同种型号和参数，且差分运算放大器选用低噪声、高模数抑制比、低偏置电压电流、低失调电压电流类型，电阻选用高精度（如1‰），低温漂（如10ppm及以下）。A与B的基准电平，均采用基准电路出的同一个电平Vmid。

模数转换器（ADC）A与B。该电路主要由模数转换芯片，和用于配置芯片的电阻电容构成，主要将前级输出的模拟信号转换为数字信号。A与B的模数转换芯片、电阻电容均采用同种型号和参数，且模数转换芯片选用高采样率、高分辨率和低非线性类型，电阻选用高精度（如1‰），低温漂（如10ppm及以下）。A与B的正基准电平Vrefp、负基准电平Vrefn、中间基准电平Vmid，均采用基准电路相应输出的同一电平，其中Vmid与驱动电路A与B中的基准电平相同，工作用的时钟信号均采用时钟电路输出同一时钟。

基准电路。该电路主要由基准电平芯片和运放构成，主要产生供驱动电路和模数转换器用的基准电平Vmid、Vrefp、Vrefn。基准电平芯片产生基准电平，运放对该基准电平跟随后输出，增强带负载能力。基准电平芯片和运放均选用低温漂特性的器件。

时钟电路。该电路主要由有源晶振芯片、施密特触发器构成，主要产生供模数转换器工作用的时钟信号。有源晶振芯片产生时钟信号，该信号经过施密特触发器后，输出给两个模数转换器。施密特触发器可将原信号整形，并增强负载能力。

数字信号处理器DSP。采用Texas Instrument公司的TMS320系列DSP。DSP完成以下功能：使用片上外设McbspA、McbspB模块与两个ADC通讯，该模块内部的SYNC信号控制两个ADC的同步采样，同时采样得到的数据相减后，再通过积分算法进行积分，最后积分结果通过DSP片上SPI模块与DAC通讯，完成模拟信号的输出。

外触发电路。该电路主要由继电器和DSP片上通用输入输出口（GPIO）构成，主要接收外部积分控制信号，该信号控制积分的开始与截止，外触发电路可与控制放电实验的上位机配合工作。另外，该外触发电路可结合相应的控制算法，进一步降低积分漂移的影响，例如，积分截止信号到达时，停止积分，系统输出设定为零值，停止积分期间进行自校准，即获取此后一段时间内，采样相减后的数值的平均值，并不断实时更新该数值，直至下个开始积分信号到达时，在进入积分算法前，将该数值作为偏移量减去。

Claims (5)

1.用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器，其特征在于：依次包括有：

作为第一级的预滤波电路A和预滤波电路B，预滤波电路A和预滤波电路B的电路结构和电气参数完全相同，均为低通滤波电路，且均采用多种无源滤波器的拓扑结构，其中预滤波电路A的输入端与罗氏线圈相连，由预滤波电路A输入端采集罗氏线圈输出的微分信号，预滤波电路B的输入端与一个电阻相连，该电阻具有与罗氏线圈相同的阻值，且该电阻对地短接，由预滤波电路B的输入端采集对地短接后该电阻的输出信号；

作为第二级的仪用差分放大电路A和仪用差分放大电路B，仪用差分放大电路A和仪用差分放大电路B的电路结构和电气参数完全相同，均由仪用放大器构成，仪用差分放大电路A的输入端与预滤波电路A的输出端连接，仪用差分放大电路B的输入端与预滤波电路B的输出端连接，由仪用差分放大电路A、仪用差分放大电路B分别对应对前级预滤波电路输出的微弱信号进行放大，以提高信噪比；

作为第三级的低通滤波电路A和低通滤波电路B，低通滤波电路A和低通滤波电路B的电路结构和电气参数完全相同，均由运算放大器构成，低通滤波电路A的输入端与仪用差分放大电路A的输出端连接，低通滤波电路B的输入端与仪用差分放大电路B的输出端连接，由低通滤波电路A、低通滤波电路B分别对应对前级仪用差分放大电路输出的信号进行滤波，以滤除高于截止频率的噪声；

作为第四级的驱动电路A和驱动电路B，驱动电路A和驱动电路B的电路结构和电气参数完全相同，均由差分运算放大器构成，驱动电路A的输入端与低通滤波电路A的输出端连接，驱动电路B的输入端与低通滤波电路B的输出端连接，由驱动电路A、驱动电路B分别对应对前级低通滤波电路输出信号的形式和幅值进行转换，转换为可被后级采样的信号；

作为第五级的模数转换器A和模数转换器B，模数转换器A和模数转换器B的电路结构和电气参数完全相同，均由模数转换芯片构成，模数转换器A的输入端与驱动电路A的输出端连接，模数转换器B的输入端与驱动电路B的输出端连接，由模数转换器A、模数转换器B分别对应将前级驱动电路输出的模拟信号转换为数字信号；

基准电路，其由基准电平芯片和运放构成，基准电路分别与驱动电路A和B、模数转换器A和B连接，由基准电路产生供驱动电路A和B、模数转换器A和B用的基准电平Vmid、Vrefp、Vrefn；

时钟电路，其由有源晶振芯片、施密特触发器构成，有源晶振芯片输出端与施密特触发器输入端连接，施密特触发器输出端分别与模数转换器A和B连接，由时钟电路中有源晶振芯片产生供模数转换器工作用的时钟信号，时钟信号经过施密特触发器后，分别输出给模数转换器A和B；

数字信号处理器DSP，其使用自身外设的McbspA、McbspB模块分别对应与模数转换器A和B的输出端通讯连接，数字信号处理器DSP内部的SYNC信号控制模数转换器A和B的同步采样，同时采样得到的数据在数字信号处理器DSP内相减后，再通过积分算法进行积分，最后积分结果通过数字信号处理器DSP上SPI模块与一个数模转换器通讯连接，完成模拟信号的输出；

外触发电路，其由继电器和D数字信号处理器DSP上通用输入输出口GPIO构成，外触发电路接收外部积分控制信号，该控制信号控制积分的开始与截止，外触发电路可与控制放电实验的上位机配合工作，另外，该外触发电路结合相应的控制算法，进一步降低积分漂移的影响。

2.根据权利要求1所述的用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器，其特征在于：由预滤波电路A、仪用差分放大电路A、低通滤波电路A构成调理电路A，由预滤波电路B、仪用差分放大电路B、低通滤波电路B构成调理电路B。

3.根据权利要求1所述的用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器，其特征在于：驱动电路A和B使用基准电路输出的同一中间基准电平Vmid。

4.根据权利要求1所述的用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器，其特征在于：模数转换器A和B，使用基准电路输出的与驱动电路相同的中间基准电平Vmid，使用基准电路输出的同一个正基准电平Vrefp、同一个负基准电平Vrefn，使用时钟电路输出的同一个时钟信号，使用DSP输出的同一个同步信号。

5.根据权利要求1所述的用于直流长脉冲电流测量的数字式积分器，其特征在于：外触发电路，可以配合合适的控制算法，进一步降低漂移量，该控制算法具体内容如下：积分截止信号到达时，停止积分，系统输出设定为零值，停止积分期间进行自校准，即获取此后一段时间内，采样相减后的数值的平均值，并不断实时更新该数值，直至下个开始积分信号到达时，在进入积分算法前，将该数值作为偏移量减去。