CN108490373B

CN108490373B - 一种全自动调零电子式冲击电流计及其调零方法

Info

Publication number: CN108490373B
Application number: CN201810120989.8A
Authority: CN
Inventors: 何森; 张旭峰; 王志斌; 曹美珍; 高永全; 何迪和
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2038-02-07
Also published as: CN108490373A

Abstract

一种全自动调零电子式冲击电流计及其调零方法，目的是具有自动纠正补偿偏差的能力而且调零过程简单；本发明包括积分器、数据采集和调零电路、信号检测器和显示器；积分器包括高开环增益低漂移运算放大器AD708和积分电阻、积分电容；AD708的反相输入端接积分电阻R₁一端，R₁另一端作为该积分器输入端；数据采集和调零电路包括单通道的双极性电压输入串行输出的A/D转换器、串行输入单通道的双极性电压输出的D/A转换器、2选1双向模拟开关CD4053和单片机；信号检测器包括跟随器、双比较器LM319和用CD4013做成的单稳态触发器；单稳态触发器的输出端接单片机的中断请求输入端，显示器通过串口接收并显示单片机发来的数据；积分器零漂就是整个装置的零漂。

Description

一种全自动调零电子式冲击电流计及其调零方法

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，涉及一种电子式冲击电流计及其全自动准确调零的方法。

背景技术

用集成线性运算放大器组成的积分器在电磁测量领域的应用已非常广泛。用这种积分器组成的电子式冲击电流计可直接对探测线圈的感应电动势进行积分，可测量磁场的瞬时变化，可用于测量恒定磁场、交变磁场和脉冲磁场，且容易实现其测量自动化和测量结果数字化。当积分器的输入电压为零时，理想积分器的输出电压应保持不变。由于运算放大器存在输入偏置电流、输入失调电流、输入失调电压和温漂等的影响,使实际制作的积分器在输入电压为零时其输出电压会随时间不断地向一个方向漂移(上升或下降)，即产生所谓的“零漂”。严重时，会使积分器的输出达到饱和使其完全不能工作。组成电子式冲击电流计的积分器的零漂就是电子式冲击电流计的零漂。现在市面销售的电子式冲击电流计产品，工作前要对积分器进行手动调零。手动精确调零的过程不仅费时费事，而且当积分器工作时间较长或者环境温度变化较大时，其输出电压仍然会有明显的漂移。这类产品还经常发生误触发现象，工作不够稳定。文献《HT-7中长时间低漂移模拟积分器的研制》（中国标准刊号：CN 11-2016/TL，核电子学与探测技术，2007年5月第27卷第3期）报道的方法，认为在同一芯片上制作的两个运算放大器的失调电压、输入偏置电流、输入失调电流和温漂等性能彼此会很接近，用它们分别制作成结构相同的两个积分器，其中一个对被测信号进行积分，用另一个对地进行积分的结果来动态地抵消前者输出电压的漂移，即所谓的“实时积分动态补偿”的方法。但实际检测表明，制作在同一芯片上的两个运算放大器，其各种失调和温漂等的实际性能彼此仍然相差较大，甚至其失调的极性还相反，实际上很难挑选出性能精确匹配的一对运算放大器，单一用这种方法很难取得很好的补偿效果。文献《长时间无零漂积分器中的单元积分电路》（中国标准刊号：CN 31-1342/TL，核技术，2006年6月第29卷第6期）报道的方法，采用静态粗补偿和动态细补偿两种方法。静态粗补偿需要手动调节，而且需要精心选配一对运算放大器。动态细补偿是采用模拟的采样/保持(S/H)电路来实现：首先对经过静态粗补偿之后的积分器的残余失调用比例放大法进行采样并保存在采样/保持电路中；在积分状态时，采样/保持电路将其保持的电压通过开关和补偿电阻反馈到积分器的输入端进行补偿，以减小零漂。这种动态细补偿方法要求采样电阻与补偿电阻其阻值和温度特性等都完全一样，实际上这很难办到；而且这种模拟的S/H电路保持的电压的绝对值会随时间逐渐下降，补偿效果也逐渐下降，补偿效果不够好。文献《自动补偿低零漂积分器设计》（中国标准刊号：CN 11-4762/TP，计算机测量与控制，2006年第4期）报道的方法，采用动态采样/保持反馈补偿和实时积分动态补偿两种办法。其动态采样/保持也是基于比例放大法对运算放大器的失调进行采样，但采用A/D转换器采集运算放大器失调输出电压的数据并保存在存储器中；在积分态时，通过D/A转换器和补偿电阻将该电压反馈到积分器的输入端进行补偿，以减小零漂。这种数字化采样/保持动态补偿的方法比用模拟采样/保持电路要好，但仍然要求采样电阻与补偿电阻其阻值和温度特性完全一样，实际上很难办到，这仍然是制作长时间积分器的一个不可忽视的零漂误差源；而且在其方案中没有自动纠正补偿偏差的机制。它的实时积分动态补偿的方法，是用在一个芯片上制作的两个运算放大器，制作成具有动态采样/保持反馈补偿功能的结构相同的两个积分器，其中一个对被测信号积分，用另一个对地积分的结果来动态抵消前者的零漂。因为其动态采样/保持反馈补偿的方法不完善，使这两个积分器残余的失调不相同，也难取得很好的补偿效果。上述几种补偿方法都要求有关元件必需经过精心选配，还难免会有偏差，而且其方案中又没有自动纠正补偿偏差的机制，很难取得很好的补偿效果，还为生产制造带来很大困难，很难实现批量生产和普及应用。

发明内容

本发明的目的是为克服上述已有技术的不足，提供一种电路结构简单、具有自动纠正补偿偏差的能力而且调零过程简单的全自动调零电子式冲击电流计及其调零方法。

本发明全自动调零电子式冲击电流计包括积分器、数据采集和调零电路、信号检测器和显示器；所述的积分器包括一个高开环增益低漂移运算放大器AD708、两个电阻R₁、R₂和一个积分电容C；AD708的反相输入端接电阻R₁的一端，R₁的另一端作为该积分器的输入端；电阻R₂的一端接AD708的同相输入端，其另一端接地；积分电容C的一端接AD708的反相输入端，其另一端接AD708的输出端，组成一个反相输入积分器；数据采集和调零电路包括单通道的双极性电压输入串行输出的A/D转换器、串行输入单通道的双极性电压输出的D/A转换器、2选1双向模拟开关CD4053和单片机；A/D转换器的输入端接积分器的输出端，其采集的数据通过串口送单片机；D/A转换器通过串口接收单片机发来的补偿电压 U_b的数据，其输出端通过电阻R_b接AD708的反相输入端给积分器提供补偿电流i_b；CD4053的一组2选1模拟开关K₁的公共端Z_A接积分器的输入端，其Y_A0输入端接地，Y_A1输入端接输入信号端，其选择控制端S_A接单片机，单片机控制积分器的输入端是接地或是接输入信号端；CD4053的另一组2选1模拟开关K₂的公共端Z_B接积分电容C的一端，其Y_B0输入端接积分电容C的另一端，其控制端接单片机，单片机控制积分电容C是否被短接放电；信号检测器包括跟随器、双比较器LM319和用CD4013做成的单稳态触发器；用运算放大器做成的跟随器的输入端接积分器的输入端，其输出端接LM319的一个比较器B1的同相输入端和它的另一个比较器B₂的反相输入端，B₁的反相输入端加正的参考电压，B₁的输出端通过一个二极管接单稳态触发器的CP端，B₂的同相输入端加负的参考电压，B₂的输出端通过一个二极管也接单稳态触发器的CP端，单稳态触发器的输出端接单片机的中断请求输入端；显示器通过串口接收并显示单片机发来的数据。

本发明全自动调零电子式冲击电流计全自动调零方法是：

所述积分器的零漂就是整个电子式冲击电流计的零漂；将积分器各种失调共同作用导致的零漂等效为一个等效失调电流i_s所导致的，测出积分器的等效失调电流i_s后给积分器加补偿电流i_b=-i_s就可以抵消i_s的影响，消除积分器的零漂；用积分测算法测算i_s：测出积分器在积分检测时间Δt内的零漂U₀₁，根据U₀₁=-i_sΔt/C求出等效失调电流i_s=-CU₀₁/Δt和所需补偿电压U_b1= i_b R_b =-i_s R_b= R_bCU₀₁/Δt。

所述的积分电容C和电阻R_b的实际值与其标称值都有偏差，使得用积分测算法求出的i_s和U_b1都有偏差，加补偿电压U_b1后不能实现完全补偿；用比较测算法测算所需补偿电压的准确值：测出加补偿电压U_b1后积分器在积分检测时间Δt内的零漂U₀₂，根据U_b2/U_b1=U₀₁/( U₀₁-U₀₂) 求所需补偿电压的准确值，避免积分器多种系统误差对测算补偿电压带来的偏差；加补偿电压U_b2后就能使积分器调零达到要求。

所述信号检测器在电子式冲击电流计处于等待工作状态时若检测到有输入信号来到就给单片机发出中断请求信号，单片机收到请求信号后令A/D转换器停止采样，同时令其定时器开始计时；时间到，单片机令A/D转换器采集积分器的输出电压；将计时结束时测得的输出电压减去计时开始前测得的输出电压作为本次积分测量的结果显示在显示器上，以消除电子式冲击电流计在等待工作状态时的零漂对测量结果的影响。

本发明电路结构简单，通过更换或修改配套软件可以改变积分检测时间

的大小，以调节检测积分器等效失调电流i_s的灵敏度和准确度，调节补偿的准确度，使该积分器的适应能力强，容易满足不同用户对积分器提出的不同的最大允许零漂漂移速率的要求。因为采用积分法检测，其抗干扰的能力很强，显著优于用比例放大法检测积分器的等效失调电压的方法，检测效果好，为实现准确补偿创造了有利条件。在用积分测算法测算积分器的等效失调电流和所需补偿电压的基础上，设计了用比较测算法准确测算所需补偿电压的方法，能够消除积分器电路中多种系统误差对测算结果带来的偏差，使之具有自动纠正补偿偏差的能力，使测算结果准确，不要求系统内各元件之间彼此参数的精确匹配就可实现准确调零的目的。整个调零过程容易用单片机实现完全自动化，无须人工干预。制作产品时，不要求各元件之间彼此参数的精确匹配，无须精心选配；制作过程几乎无须人工调试，只需最后检验产品是否合格，使生产制造容易，便于批量生产，便于推广应用。这种冲击电流计用于测互感、测电容和测高阻等实验时，冲击电流计较长时间处在等待工作状态，经常超过几百秒钟，积分器的输出电压可能会有漂移；而实际对被测信号的有效积分时间却很短，往往不到20ms。设计了一种输入信号检测器，借助它可以消除输入信号到来前积分器的零漂对测量结果的影响，而且还能有效克服积分器的误触发现象，使这种冲击电流计工作稳定可靠。可为大学物理实验课程中开设的《用冲击电流计测互感》实验和《用冲击电流计测电容和高阻》实验等提供一种测量准确、工作稳定、价格便宜、使用方便的电子式冲击电流计。本发明调零方法也可用来为其它的应用需要制作长时间低漂移积分器。

附图说明

图1为单片机控制积分器调零的基本工作流程图；

图2为本发明产品电路原理框图；

图3为实验例1无补偿时积分器输出电压随时间变化的U₀₁(t)曲线。屏幕上方显示的是周期性正矩形波电压信号的波形；

图4为实验例1粗补偿后积分器输出电压随时间变化的U₀₂(t)曲线；

图5为实验例1细补偿后积分器输出电压随时间变化的U₀₃(t)曲线。在积分时间Δt内积分器输出电压无变化，表明补偿效果很好；

图6为实验例2无补偿时积分器输出电压随时间变化的U₀₁(t)曲线；

图7为实验例2粗补偿后积分器输出电压随时间变化的U₀₂(t)曲线；

图8为实验例2细补偿后积分器输出电压随时间变化的U₀₃(t)曲线。在积分时间Δt内积分器输出电压无变化，表明补偿效果很好。

具体实施方式

设计并组装全自动准确调零的电子式冲击电流计电路，主要包括积分器、数据采集和调零电路、信号检测器、显示器四个部分。如附图2所示，积分器主要由一个高开环增益低漂移的运算放大器组成，例如可用AD708。AD708的反相输入端接积分电阻R₁的一端，R₁的另一端作为该积分器的输入端；积分电容C的一端接AD708的反相输入端，其另一端接AD708的输出端；电阻R₂的一端接AD708的同相输入端，其另一端接地，组成一个反相输入积分器。数据采集和调零电路主要由单通道的双极性电压输入串行输出的A/D转换器、串行输入单通道的双极性电压输出的D/A转换器、2选1双向模拟开关CD4053和单片机等组成。A/D转换器的输入端接积分器的输出端，其采集的数据通过串口接单片机。D/A转换器通过串口接收单片机发来的补偿电压U_b的数据，其输出端通过电阻R_b接AD708的反相输入端给积分器提供补偿电流i_b。CD4053的一组2选1模拟开关K₁的公共端Z_A接积分器的输入端，其Y_A0输入端接地，Y_A1输入端接输入信号端，其选择控制端S_A接单片机，由单片机控制积分器的输入端是接地或是接输入信号端。CD4053的另一组2选1模拟开关K₂的公共端Z_B接积分电容C的一端，其Y_B0输入端接积分电容C的另一端，其选择控制端接单片机，由单片机控制积分电容C是否被短接放电。信号检测器的输入端接积分器的输入端，其输出端接单片机的中断请求输入端。显示器通过串口接收并显示单片机发来的数据。设计时，根据用户对积分器提出的测量范围和最大允许零漂漂移速率δ（V/s），确定A/D、D/A转换器的分辨率和准确度，确定积分电阻R₁、电阻R_b、积分电容C和积分检测时间Δt的数值范围。

测算积分器的等效失调电流和所需的补偿电压：单片机令补偿电压U_b=0，令模拟开关K₁接地，令模拟开关K₂接通使积分电容被短接放电，同时单片机控制A/D按设定的采样频率采集积分器输出电压的数据，并判断放电是否结束。放电结束，单片机控制A/D停止采样；单片机令模拟开关K₂断开，积分器开始积分，单片机令其定时器开始计时。设定积分检测时间为Δt，时间到，单片机控制A/D测出积分器的零漂U₀₁，并估算所需的补偿电压U_b=U_b1=R_bCU₀₁/Δt。

粗补偿：单片机令模拟开关K₂接通，积分电容被短接放电，同时单片机控制A/D采集积分器的输出电压，并判断放电是否结束。放电结束，单片机令A/D停止采样；单片机令补偿电压U_b=U_b1= R_bCU₀₁/Δt；单片机令模拟开关K₂断开，积分器开始积分，同时单片机的定时器开始计时。时间到，单片机控制A/D测出积分器的零漂U₀₂。因为电阻值、电容值都有偏差，估算出的U_b1值有偏差，加补偿电压U_b1后不能完全抵消失调电流的影响，使积分器的零漂漂移速率

。

用比较测算法测算所需补偿电压的准确值：实测结果表明，加补偿电压U_b1在积分检测时间Δt内产生的补偿效果为U₀₁-U₀₂，要使积分器的零漂U₀₁得到完全补偿则所需补偿电压的准确值为U_b2= U₀₁U_b1/( U₀₁ - U₀₂)。

细补偿：单片机令模拟开关K₂接通，积分电容被短接放电，同时单片机控制A/D采集积分器的输出电压，并判断放电是否已结束。放电结束，单片机令A/D停止采样；单片机令补偿电压U_b=U_b2= U₀₁U_b1/( U₀₁ - U₀₂)；单片机令模拟开关K₂断开，积分器开始积分；同时单片机的定时器开始计时。时间到，单片机控制A/D测出积分器的零漂U₀₃。只要电子式冲击电流计电路中采用的A/D、D/A转换器的分辨率和准确度符合设计要求，电容C、电阻R₁、R_b的标称值和积分检测时间Δt的数值在设计要求的范围内，就能使

，达到调零的要求。调零过程结束。单片机令模拟开关K₁接通输入信号端，令模拟开关K₂断开，同时控制A/D按设定的采样频率采集积分器的输出电压，电子式冲击电流计进入等待工作状态，等待被测信号到来。单片机令显示器显示字母P，表示随时可以进行测量。

如果

，则需要再修正补偿电压u_b。令修正值为Δu_b，根据比例关系Δu_b/U_b2=( U_o3–0)/( U_o2 – U_o3)，可得Δu_b= U_b2U_o3/( U_o2 – U_o3)。单片机令模拟开关K₂接通，积分电容被短接使其完全放电，同时单片机控制A/D采集积分器的输出电压，并判断放电是否完毕。放电完毕，单片机令补偿电压U_b= U_b3= U_b2+Δu_b；单片机令模拟开关K₁接通输入信号端，令K₂断开，单片机控制A/D按设定的采样频率采集积分器的输出电压，调零过程结束，积分器进入等待工作状态等待输入信号到来。单片机令显示器显示字母P，表示可以开始测量。

单片机控制积分器调零的基本工作流程参见图1：单片机控制积分器调零的基本工作流程图。

用于测互感、测电容和测高阻等实验时，其测量过程如下：调零过程结束后，令电子式冲击电流计进入等待工作状态，等待输入信号的到来。当输入信号到来时信号检测器发出中断请求信号。单片机收到中断信号后，控制A/D停止采样，同时令定时器开始计时。用于测互感、测电容等实验的冲击电流计，设定测量冲击电流电量的积分时间为Δt ₁，Δt ₁≥10τ，τ为互感器次级回路或者电容放电回路的时间常数。时间到，单片机控制A/D采集积分器输出电压。将计时结束时测得的输出电压，减去计时开始前测得的输出电压作为本次积分测量的结果显示在显示器上，如此可消除电子式冲击电流计在等待工作状态时的零漂对测量结果的影响。

验证性实验及结果：

验证性实验例1：

为了验证本发明调零的方法的可行性和可靠性，有意采用失调电压较大的运算放大器LF353（输入失调电压典型值5mV，输入失调电压漂移10μV/℃，输入偏置电流典型值50pA，输入失调电流典型值25pA，开环增益典型值10⁵）组装了一个典型的反相输入积分器，其积分电阻R₁标称值为1kΩ，积分电容C标称值为1μF，电阻R_b标称值为1MΩ，设定积分检测的时间Δt=100ms。用一个模拟开关与积分电容并联，用一个周期性的正矩形波电压信号控制该模拟开关：当矩形波电压为零电平时模拟开关接通使积分电容清零；当矩形波电压为高电平时模拟开关断开，使积分器处于积分工作状态。于是积分器周期性地交替工作在积分、清零这两种工作状态。

随机取一片LF353组成上述反相输入积分器，并使积分器的输入端接地。

（1）设定补偿电压U_b=0。用数字存储示波器测出积分器输出电压随时间变化的U_o1（t）曲线，如附图3所示。屏幕上方是周期性正矩形波电压信号的波形。测出积分器在积分检测时间Δt内的零漂U_o2=-104mv，根据U_o1=-i_sΔt/C=-104mv，估算出积分器的等效失调电流i_s=-CU_O1 /Δt = 1.04μA，则所需的补偿电流i_b=-i_s= -1.04μA，所需的补偿电压U_b1=i_bR_b=-1.04v。

（2）设定U_b= U_b1 =-1.04v，粗补偿后积分器输出电压U_o2（t）曲线如附图4所示。测出积分器在积分检测时间Δt内的零漂U_o2=-1.12mv。求出所需补偿电压的准确值U_b= U_b1×U_o1/( U_o1 – U_o2) =-1.051v。

（3）设定U_b= -1.051v，细补偿后积分器输出电压U_o3（t）曲线如附图5所示，在积分时间Δt内积分器输出电压无变化。实验表明，补偿效果很好。

验证性实验例2：

按照验证性实验例1所述的同样结构的实验电路，随机换一片LF353进行同样的实验：

（1）令U_b=0。数字存储示波器测出积分器积分输出电压U_o1（t）曲线如附图6所示，测出积分器在积分时间Δt内的零漂U_o1=376mv，估算出所需的补偿电流i_b= 3.76μA 和所需的补偿电压U_b1=3.76v。

（2）设定U_b=U_b1=3.76v，粗补偿后积分器输出电压U_o2（t）曲线如附图7所示，积分器在积分时间Δt内的零漂U_o2=864mv。求出所需补偿电压的准确值U_b= U_b1U_o1/( U_o1 – U_o2) =3.848v。

（3）设定U_b=3.848v，细补偿后积分器输出电压U_o3（t）曲线如附图8所示，在积分时间Δt内积分器输出电压无变化，也取得了很好的补偿效果。

Claims

1.一种全自动调零电子式冲击电流计，其特征是包括积分器、数据采集和调零电路、信号检测器和显示器；所述的积分器包括一个高开环增益低漂移运算放大器AD708、电阻R₁、电阻R₂和一个积分电容C；运算放大器AD708的反相输入端接电阻R₁的一端，电阻R₁的另一端作为该积分器的输入端；电阻R₂的一端接运算放大器AD708的同相输入端，其另一端接地；积分电容C的一端接运算放大器AD708的反相输入端，其另一端接运算放大器AD708的输出端，组成一个反相输入积分器；数据采集和调零电路包括单通道的双极性电压输入串行输出的A/D转换器、串行输入单通道的双极性电压输出的D/A转换器、2选1双向模拟开关CD4053和单片机；A/D转换器的输入端接积分器的输出端，其采集的数据通过串口送单片机；D/A转换器通过串口接收单片机发来的补偿电压U_b的数据，其输出端通过电阻R_b接运算放大器AD708的反相输入端给积分器提供补偿电流i_b；2选1双向模拟开关CD4053的一组2选1模拟开关K₁的公共端Z_A接积分器的输入端，其Y_A0输入端接地，Y_A1输入端接输入信号端，其选择控制端S_A接单片机，单片机控制积分器的输入端是接地或是接输入信号端；2选1双向模拟开关CD4053的另一组2选1模拟开关K₂的公共端Z_B接积分电容C的一端，其Y_B0输入端接积分电容C的另一端，其控制端接单片机，单片机控制积分电容C是否被短接放电；信号检测器包括跟随器、双比较器LM319和用CD4013做成的单稳态触发器；用运算放大器做成的跟随器的输入端接积分器的输入端，其输出端接双比较器LM319的一个比较器B₁的同相输入端和它的另一个比较器B₂的反相输入端，比较器B₁的反相输入端加正的参考电压，比较器B₁的输出端通过一个二极管接单稳态触发器的CP端，比较器B₂的同相输入端加负的参考电压，比较器B₂的输出端通过一个二极管也接单稳态触发器的CP端，单稳态触发器的输出端接单片机的中断请求输入端；显示器通过串口接收并显示单片机发来的数据。

2.如权利要求1所述的一种全自动调零电子式冲击电流计，其特征是所述积分器的零漂就是整个电子式冲击电流计的零漂；将积分器各种失调共同作用导致的零漂等效为一个等效失调电流i_s所导致的，测出积分器的等效失调电流i_s后给积分器加补偿电流i_b=-i_s就可以抵消i_s的影响，消除积分器的零漂；用积分测算法测算i_s：测出积分器在积分检测时间Δt内的零漂U₀₁，所述补偿电压U_b包括粗补偿电压U_b1和细补偿电压U_b2，根据U₀₁=-i_sΔt/C求出等效失调电流i_s=-CU₀₁/Δt和所需粗补偿电压U_b1= i_b R_b =-i_sR_b= R_bCU₀₁/Δt。

3.如权利要求2所述的一种全自动调零电子式冲击电流计，其特征是所述的积分电容C和电阻R_b的实际值与其标称值都有偏差，使得用积分测算法求出的等效失调电流i_s和粗补偿电压U_b1都有偏差，加粗补偿电压U_b1后不能实现完全补偿；用比较测算法测算所需补偿电压的准确值：测出加粗补偿电压U_b1后积分器在积分检测时间Δt内的零漂U₀₂，根据U_b2/U_b1=U₀₁/( U₀₁-U₀₂) 求所需补偿电压的准确值，避免积分器多种系统误差对测算补偿电压带来的偏差；加细补偿电压U_b2后就能使积分器调零达到要求。

4.如权利要求1或2所述的一种全自动调零电子式冲击电流计，其特征是所述信号检测器在电子式冲击电流计处于等待工作状态时若检测到有输入信号来到就给单片机发出中断请求信号，单片机收到请求信号后令A/D转换器停止采样，同时令其定时器开始计时；时间到，单片机令A/D转换器采集积分器的输出电压；将计时结束时测得的输出电压减去计时开始前测得的输出电压作为本次积分测量的结果显示在显示器上，以消除电子式冲击电流计在等待工作状态时的零漂对测量结果的影响。