CN109581010A - 交流电压标准源 - Google Patents

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Abstract

交流电压标准源，涉及精密仪器测量与校准技术领域。本发明是为了解决现有直线式结构的交流电压标准源校准精度低、稳定性差；电阻分压方式导致分辨率低、且不能连续调节的问题。本发明所述的本发明所述的交流电压标准源，利用PWM‑DAC技术对基准电压进行调幅，产生连续可调的电压给定，来控制DDS输出交流电压的幅值，通过放大电路输出，并且将输出经过信号调理电路，利用积分控制对输出进行调节，构成闭环系统，提高了输出的稳定性。

Description

交流电压标准源
技术领域
本发明属于精密仪器测量与校准技术领域，尤其涉及一种交流电压校准仪。
背景技术
交流电压标准源用于对高灵敏度测试仪等仪器进行电压的校准，因此，交流电压标准源能够输出具有高精准度的电压。现有的交流电压标准源多采用直线式的结构设计，没有闭环反馈，因此容易校准精度不高、且稳定性较差。而采用模拟电路的方法输出交流电压时，由于器件限制原因，输出电压的频率范围较窄，不适合对宽频带交流电压的校准；同时，其量程切换采用电阻分压式，导致了分辨率低、不可连续调节的问题。
综上所述，现有直线式结构的交流电压标准源校准精度低、稳定性差；模拟电路输出的电压易受环境影响；电阻分压方式导致分辨率低、且不能连续调节。因此，亟需一种适应性强、精度和稳定性高、分辨率好、且能够连续调节的交流电压标准源。
发明内容
本发明是为了解决现有直线式结构的交流电压标准源校准精度低、稳定性差；电阻分压方式导致分辨率低、且不能连续调节的问题，现提供交流电压标准源。
交流电压标准源，包括：基准电压给定环节1、DDS环节2、数模转换环节3、积分控制环节4、功放环节5、升压环节6和反馈环节7；
基准电压给定环节1用于采集基准电压，DDS环节2用于采集幅值控制信号，升压环节6输出交流标准电压，
基准电压给定环节1的调零信号输出端连接数模转换环节3的调零信号输入端，DDS环节2的数字正弦波信号输出端连接数模转换环节3的数字信号输入端，DDS环节2的占空比信号输出端连接基准电压给定环节1的占空比信号输入端，DDS环节2的控制信号输出端连接数模转换环节3的控制信号输入端，基准电压给定环节1的直流电压输出端连接积分控制环节4的直流电压信号输入端，积分控制环节4的误差调节信号输出端连接数模转换环节3的误差调节信号输入端，数模转换环节3的放大信号输出端连接积分控制环节4的放大信号输入端，积分控制环节4的电压信号输出端连接功放环节5的电压信号输入端，功放环节5的电压信号输出端连接升压环节6的电压输入端，升压环节6的放大信号输出端连接功放环节5的放大信号输入端，升压环节6的标准电压输出端连接反馈环节7的标准电压输入端，反馈环节7的反馈信号输出端连接积分控制环节4的反馈信号输入端。
本发明所述的交流电压标准源，利用PWM-DAC技术对基准电压进行调幅，产生连续可调的电压给定，来控制DDS输出交流电压的幅值，通过放大电路输出，并且将输出经过信号调理电路，利用积分控制对输出进行调节，构成闭环系统，提高了输出的稳定性。具体效果如下：
1、基于闭环控制，能够对扰动进行调节，与传统交流电压标准源相比，本发明稳定度高，抗干扰能力强的特点，不确定度指标可降低至0.02％。
2、利用PWM-DAC技术，代替传统的电阻分压调节技术，通过两路DAC对基准电压进行细分，分辨率可达到1uV。
3、利用分立元件三级放大技术，代替传统的集成功放技术，提高了输出的频率和电压范围，频率可达到500kHz，输出电压可达到1020V，连续调节范围大。
4、结合万用表的自动测试系统能够方便完成系统自检，与传统测试方法相比，自动化程度高，可实现运行数据的自动测量、采集、和分析，排除了手动测试的误差，提高了精度。
附图说明
图1为交流电压标准源的结构框图；
图2为交流电压标准源的具体结构示意图；
图3为实际应用时基准电压给定环节的结构示意图；
图4为实际应用时功放环节的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的交流电压标准源，其特征在于，包括：基准电压给定环节1、DDS(直接数字式频率合成器)环节2、数模转换环节3、积分控制环节4、功放环节5、升压环节6和反馈环节7；基准电压给定环节1包括PWM调制器和滤波器Ⅰ，DDS环节2包括FPGA和STM32，数模转换环节3包括低通滤波器、加法器Ⅰ、DACⅠ、滤波/直连选通电路、DACⅡ和运放电路Ⅰ，积分控制环节4包括积分器Ⅰ和运放电路Ⅱ，功放环节5包括加法器Ⅱ、积分器Ⅱ、反馈电路Ⅰ、反馈电路Ⅱ、宽频放大器和甲乙类功放器，升压环节6包括变压器升压电路和运放电路Ⅲ，反馈环节7包括滤波器Ⅱ、交直变换电路和选路电路。
向PWM调制器中给定一个基准电平信号作为正负基准电压。利用上位机、PC机或控制面板通过串口向STM32发送正弦波幅值控制信号，STM32根据该控制信号向FPGA发送产生相应数字正弦波的命令，FPGA根据命令输出数字正弦波信号至DACⅠ中。同时，FPGA还向PWM调制器发送占空比控制信号、向DACⅡ发送控制信号。
PWM调制器结合获得的占空比信号、根据电压信号向低通滤波器发送调零信号、还向滤波器Ⅰ发送调制之后的电压信号，滤波器Ⅰ进而输出可变直流电压。
DACⅠ将采集的数字正弦波信号进行初级的数模转换然后发送给加法器Ⅰ，低通滤波器将采集到的调零信号进行滤波然后发送给加法器Ⅰ，加法器Ⅰ同时接收低通滤波器和DACⅠ发送的信号、并获得电压信号，电压信号再经过DACⅡ进一步精调，再放大，获得输出的电压信号至运放电路Ⅱ，运放电路Ⅱ将电压信号放大之后再发送给加法器Ⅱ。
加法器Ⅱ结合反馈电路Ⅰ和反馈电路Ⅱ反馈回来的反馈信号输出电压值至积分器Ⅱ，再经过宽频放大器放大、甲乙类功放器进行功放，将电压输出至变压器升压电路，变压器升压电路将电压升压，获得33V～1020V的交流标准电压。
上述获得的标准电压还通过运放电路Ⅲ反馈给反馈电路Ⅰ，作为反馈电路Ⅰ的反馈信号。同时，获得的标准电压还通过采样电路采样，根据不同的量程选择相应的电压值(如：33V、330V和1KV)，经过精密的交直变换电路变换为直流电压，然后通过滤波器Ⅱ去除纹波，之后作为反馈信号输入到积分器Ⅰ中。积分器Ⅰ结合滤波器Ⅰ给定的直流电压信号进行比较，获得二者偏差之后，对给定的直流电压信号进行误差调节，并将误差调节信号分别发送至DACⅠ和DACⅡ中配合调整，即：形成闭环反馈电路，直到交流标准电压与给定的电压信号成立一致的对应关系。
综上所述，上位机通过串口给DDS环节的FPGA发送命令，对交流电压的幅值和频率进行设置，幅值控制指令通过控制PWM调制器的切换频率，对高精度高稳定性基准电压进行调节，控制交流电压的幅值。交流电压的频率指令发送给FPGA，利用数字频率合成技术产生频率可调的正弦波。数模转换环节输出的信号经过宽频放大器和变压器升达到1020V的高压量程。利用精密整流电路将输出的交流信号整流成直流并与直流基准进行比较，通过积分器Ⅰ构成闭环系统，最终提高了输出标准电压的稳定性。
因此，本实施方式的核心是PWM-DAC和闭环控制系统的应用，与传统交流电压标准源相比，高精度的基准电压经过PWM-DAC细分，提高了交流电压标准源的分辨率，且处理器采用FPGA与STM32配合，可以嵌入多种算法，例如平均值滤波，PID控制等。具体的：
1、本实施方式采用闭环的控制结构，能够获得稳定的交流电压输出，与传统方向相比，本发明具有更好的长期稳定性和准确性。
2、采用嵌入式处理器控制，输出更加灵活，易于控制，处理器(FPGA)还可以嵌入控制算法，而且可以达到更高的频率分辨率。
3、利用PWM-DAC技术，代替传统的电阻分压调节技术，通过两路十六位计数器对基准电压进行细分，分辨率可达到1uV。
4、利用分立元件三级放大技术，代替传统的集成功放技术，提高了输出的频率和电压范围，频率可达到500kHz,电压可达到1020V。
5、自动测试交流电压标准源运行过程中的输出的电压和频率，省去繁琐的人工测量，避免了人工测量引入的误差。
6、通过软件对数据进行自动处理，消除了温度等环境因素的影响，使测量更准确。
在实际应用时，基准电压给定环节的电路结构如图3所示，功放环节的电路结构如图4所示，结合以下调节步骤实现交流电压标准源的调试：
步骤一、确保环境温度和湿度的相对稳定，周围无影响仪器正常工作的电磁场和机械振动。
步骤二、接通电源，观察各指示灯，判断各个仪器是否处于正常工作状态。
步骤三、通过控制面板将交流电压标准源的输出调节到与待校准仪表相符的量程。
步骤四、开机预热一个小时，等到交流电压标准源示数充分稳定，再进行校准工作。
步骤五、通过专用的同轴电缆线将交流电压标准源的输出连接至待校准仪表的输入，比较交流电压标准源的输出与待校准仪表的读数，并通过PC机记录待校准仪表的读数。
最后，还能够将测量结果用软件进行自动化处理，并以图表的形式显示，并可以将测试的结果保存到EXCEL中。
DDS主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度。DDS输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。
甲乙类(Cass-AB)放大器在低电平驱动时，放大器为甲类工作，当提高驱动电平时，转为乙类工作。甲乙类放大器的长处在于它比甲类提高了小信号输入时的效率，随着输出功率的增大，效率了增高，虽然失真比甲类大，然而至今仍是应用最广泛的晶体管功率放大器程式趋向是越来越多的采用高偏流的甲乙类，以减少低电平信号的失真。

Claims (8)

1.交流电压标准源，其特征在于，包括：基准电压给定环节(1)、DDS环节(2)、数模转换环节(3)、积分控制环节(4)、功放环节(5)、升压环节(6)和反馈环节(7)；
基准电压给定环节(1)用于采集基准电压，DDS环节(2)用于采集幅值控制信号，升压环节(6)输出交流标准电压，
基准电压给定环节(1)的调零信号输出端连接数模转换环节(3)的调零信号输入端，DDS环节(2)的数字正弦波信号输出端连接数模转换环节(3)的数字信号输入端，DDS环节(2)的占空比信号输出端连接基准电压给定环节(1)的占空比信号输入端，DDS环节(2)的控制信号输出端连接数模转换环节(3)的控制信号输入端，基准电压给定环节(1)的直流电压输出端连接积分控制环节(4)的直流电压信号输入端，积分控制环节(4)的误差调节信号输出端连接数模转换环节(3)的误差调节信号输入端，数模转换环节(3)的放大信号输出端连接积分控制环节(4)的放大信号输入端，积分控制环节(4)的电压信号输出端连接功放环节(5)的电压信号输入端，功放环节(5)的电压信号输出端连接升压环节(6)的电压输入端，升压环节(6)的放大信号输出端连接功放环节(5)的放大信号输入端，升压环节(6)的标准电压输出端连接反馈环节(7)的标准电压输入端，反馈环节(7)的反馈信号输出端连接积分控制环节(4)的反馈信号输入端。
2.根据权利要求1所述的交流电压标准源，其特征在于，基准电压给定环节(1)包括PWM调制器和滤波器Ⅰ，PWM调制器用于采集基准电压，PWM调制器的调零信号输出端作为基准电压给定环节(1)的调零信号输出端，PWM调制器的占空比信号输入端作为基准电压给定环节(1)的占空比信号输入端，PWM调制器的电平信号输出端连接滤波器Ⅰ的电平信号输入端，滤波器Ⅰ的直流电压输出端作为基准电压给定环节(1)的直流电压输出端。
3.根据权利要求1或2所述的交流电压标准源，其特征在于，功放环节(5)包括加法器Ⅱ、积分器Ⅱ、反馈电路Ⅰ、反馈电路Ⅱ、宽频放大器和甲乙类功放器，
反馈电路Ⅰ和反馈电路Ⅱ的电压反馈信号输出端分别与加法器Ⅱ的两个电压反馈信号输入端连接，加法器Ⅱ的信号输出端连接积分器Ⅱ的信号输入端，积分器Ⅱ的积分信号输出端连接宽频放大器的积分信号输入端，宽频放大器的放大信号输出端连接甲乙类功放器的放大信号输入端，
甲乙类功放器的电压信号输出端连接反馈电路Ⅱ的电压信号输入端、并作为功放环节(5)的电压信号输出端，加法器Ⅱ的电压信号输入端作为功放环节(5)的电压信号输入端，反馈电路Ⅰ的电压信号输入端作为功放环节(5)的放大信号输入端。
4.根据权利要求3所述的交流电压标准源，其特征在于，DDS环节(2)包括FPGA和STM32，STM32用于采集幅值控制信号、并将幅值控制信号发送至FPGA中，FPGA根据接收到的控制信号产生数字正弦波信号，FPGA的数字正弦波信号输出端作为DDS环节(2)的数字正弦波信号输出端，FPGA的控制信号输出端作为DDS环节(2)的控制信号输出端，FPGA的占空比信号输出端作为DDS环节(2)的占空比信号输出端。
5.根据权利要求3所述的交流电压标准源，其特征在于，数模转换环节(3)包括低通滤波器、加法器Ⅰ、DACⅠ、滤波/直连选通电路、DACⅡ和运放电路Ⅰ，
DACⅠ的模拟信号输出端连接加法器Ⅰ的模拟信号输入端，低通滤波器的滤波信号输出端连接加法器Ⅰ的滤波信号输入端，加法器Ⅰ的信号输出端连接滤波/直连选通电路的信号输入端，滤波/直连选通电路的信号输出端连接DACⅡ的电压数字信号输入端，DACⅡ的模拟信号输出端连接运放电路Ⅰ的模拟信号输入端，
低通滤波器的调零信号输入端作为数模转换环节(3)的调零信号输入端，DACⅠ的数字信号输入端作为数模转换环节(3)的数字信号输入端，DACⅡ的控制信号输入端作为数模转换环节(3)的控制信号输入端，DACⅡ的调节信号输入端和DACⅠ的调节信号输入端同时作为数模转换环节(3)的误差调节信号输入端，运放电路Ⅰ的放大信号输出端作为数模转换环节(3)的放大信号输出端。
6.根据权利要求3所述的交流电压标准源，其特征在于，积分控制环节(4)包括积分器Ⅰ和运放电路Ⅱ，
积分器Ⅰ的电压信号输入端作为积分控制环节(4)的直流电压信号输入端，积分器Ⅰ的调节信号输出端作为积分控制环节(4)的误差调节信号输出端，积分器Ⅰ的反馈信号输入端作为积分控制环节(4)的反馈信号输入端，
运放电路Ⅱ的信号输入端作为积分控制环节(4)的放大信号输入端，运放电路Ⅱ的放大信号输出端作为积分控制环节(4)的电压信号输出端。
7.根据权利要求3所述的交流电压标准源，其特征在于，升压环节(6)包括变压器升压电路和运放电路Ⅲ，
变压器升压电路的升压信号输出端连接运放电路Ⅲ的电压信号输入端、并作为升压环节(6)的标准电压输出端，
运放电路Ⅲ的放大信号输出端作为升压环节(6)的放大信号输出端。
8.根据权利要求3所述的交流电压标准源，其特征在于，反馈环节(7)包括滤波器Ⅱ、交直变换电路和选路电路，
选路电路的电压输出端连接交直变换电路的电压输入端，交直变换电路的直流电压输出端连接滤波器Ⅱ的直流电压输入端，
滤波器Ⅱ的滤波信号输出端作为反馈环节(7)的反馈信号输出端，选路电路的电压信号输入端作为反馈环节(7)的标准电压输入端。
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