CN114034897B - 一种直流阶跃源的快速阶跃方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种直流阶跃源的快速阶跃方法和系统，所述直流阶跃源的快速阶跃系统至少包括阶跃信号发生装置、线性功率放大器回路和电源回路，所述阶跃信号发生装置用于向所述线性功率放大器回路发送阶跃小电压信号，所述线性功率放大器回路用于将所述阶跃小电压信号等比例转化为阶跃大电流信号，以及回采电压信号并发送给所述阶跃信号发生装置，所述电源回路用于为所述线性功率放大器回路提供大容量的工作电压，该方法通过软硬件配合调节，根据负载回路的阻抗极限，以及调整软件输出与硬件参数极限，在保证功率管的安全的前提下，来提高直流电流暂态阶跃速度。

Description

一种直流阶跃源的快速阶跃方法和系统

技术领域

本申请涉及电力系统领域，尤其涉及一种直流阶跃源的快速阶跃方法和系统。

背景技术

暂态阶跃特性是衡量在一次系统电气量发生变化时，直流互感器对原始信号反应及复原的重要参数指标，是直流控制系统正确可靠运行的重要保障，对直流输电系统的工程实施应用有极大影响。目前暂态测试基本都采用下述暂态闭环测试方法，直流阶跃源发出暂态阶跃信号，直流电流暂态标准器将暂态信号转换为小电压信号，分别送至直流电流互感器，以及经过模数转换后送至校验仪，从而完成闭环暂态阶跃测试。

阶跃响应试验要求对直流电流互感器施加尽量理想的阶跃电流，并测量直流电流互感器的阶跃响应时间、过冲、建立时间等参数。由于直流电流阶跃响应过程受负载电感的影响很大，所以不存在理想的阶跃电流源，只能尽量控制阶跃电流源使得阶跃源的上升时间短、过冲小以及趋稳时间短。目前的开关电源是针对某种特种应用搭建的绝缘栅双极型晶体管回路，功能比较单一，无法实现高频输出、可控波形输出(如改变过冲大小、上升时间、趋稳时间等)、现场故障波形导入等功能。目前的线性电源中的功率管分布参数是一个固定参数，无法改变，回路电感是一个随机参数，是不可控的，而电感过大时就会呈现震荡趋稳的过程，综合来看，其上升时间很难减小。

因此，如何实现直流阶跃源的快速阶跃，成为亟待解决的问题。

发明内容

本申请提供了一种直流阶跃源的快速阶跃方法和系统，通过软硬件配合调节，根据负载回路的阻抗极限，以及调整软件输出与硬件参数极限，在保证功率管的安全的前提下，来提高直流电流暂态阶跃速度。

第一方面，提供了一种直流阶跃源的快速阶跃方法，应用于直流阶跃源的快速阶跃系统中，所述直流阶跃源的快速阶跃系统至少包括阶跃信号发生装置、线性功率放大器回路和电源回路，所述阶跃信号发生装置用于向所述线性功率放大器回路发送阶跃小电压信号，所述线性功率放大器回路用于将所述阶跃小电压信号等比例转化为阶跃大电流信号，以及回采电压信号并发送给所述阶跃信号发生装置，所述电源回路用于为所述线性功率放大器回路提供大容量的工作电压，所述方法包括：

步骤101，调节滤波电容，使得所述滤波电容与输入电阻的乘积等于采样间隔时间，其中，所述滤波电容与所述输入电阻匹配构成所述线性功率放大器回路的滤波回路，所述采样间隔时间为所述阶跃信号发生装置的数模转换模块采样点的间隔时间；

步骤102，调节采样电阻，使得所述采样电阻的阻值对应电压值为0.1V，电流值为所述阶跃信号发生装置的最大阶跃电流值的10％；

步骤103，调节阻尼电容，使得所述线性功率放大器回路运行在欠阻尼状态下，所述阻尼电容为所述线性功率放大器回路起到保护作用的分布电容共同构成的电容；

步骤104，确定过冲值是否小于阶跃目标值的20％，如果小于，则进行步骤105，否则，重复进行步骤101或步骤102或步骤103，直至过冲值小于阶跃目标值的20％；

步骤105，根据回采的波形的阶跃峰值到达时间设计电压输出信号衰减函数。

可选地，所述步骤103包括：所述阻尼电容C满足以下公式：

其中，R为电流回路的阻值与所述采样电阻的阻值的和，L为所述电流回路的电感，所述电流回路的输出端为所述线性功率放大器回路的输出，所述电流回路的地为所述电源回路的地。

可选地，所述步骤105包括：所述电压输出信号衰减函数u(t)满足以下公式：

u(t)＝0,t＜0

u(t)＝V_max-(V_max-A)(1-e^-t/τ),t＞＝0，

其中，t为所述电压输出信号衰减函数的时间，V_max为所述数模转换模块输出的最高电压，A为所述阶跃目标值，τ为所述阶跃峰值到达时间。

第二方面，提供了一种直流阶跃源的快速阶跃系统，所述系统包括阶跃信号发生装置、线性功率放大器回路和电源回路，所述阶跃信号发生装置用于向所述线性功率放大器回路发送阶跃小电压信号，所述线性功率放大器回路用于将所述阶跃小电压信号等比例转化为阶跃大电流信号，以及回采电压信号并发送给所述阶跃信号发生装置，所述电源回路用于为所述线性功率放大器回路提供大容量的工作电压，所述系统还包括：

模块M1，用于调节滤波电容，使得所述滤波电容与输入电阻的乘积等于采样间隔时间，其中，所述滤波电容与所述输入电阻匹配构成所述线性功率放大器回路的滤波回路，所述采样间隔时间为所述阶跃信号发生装置的数模转换模块采样点的间隔时间；

模块M2，用于调节采样电阻，使得所述采样电阻的阻值对应电压值为0.1V，电流值为所述阶跃信号发生装置的最大阶跃电流值的10％；

模块M3，用于调节阻尼电容，使得所述线性功率放大器回路运行在欠阻尼状态下，所述阻尼电容为所述线性功率放大器回路起到保护作用的分布电容共同构成的电容；

模块M4，用于确定过冲值是否小于阶跃目标值的20％，如果小于，则调用模块M5，否则，重复调用模块M3，直至过冲值小于阶跃目标值的20％；

模块M5，用于根据回采的波形的阶跃峰值到达时间设计电压输出信号衰减函数。

可选地，所述阻尼电容C满足以下公式：

其中，R为电流回路的阻值与所述采样电阻的阻值的和，L为所述电流回路的电感，所述电流回路的输出端为所述线性功率放大器回路的输出，所述电流回路的地为所述电源回路的地。

可选地，所述电压输出信号衰减函数u(t)满足以下公式：

u(t)＝0,t＜0

u(t)＝V_max-(V_max-A)(1-e^-t/τ),t＞＝0，

其中，t为所述电压输出信号衰减函数的时间，V_max为所述数模转换模块输出的最高电压，A为所述阶跃目标值，τ为所述阶跃峰值到达时间。

可选地，所述阶跃信号发生装置包括：

主处理器，用于暂态阶跃数据的实时发送控制以及回采信号；

FPGA处理器，用于对获取到的直流暂态阶跃信号进行模数转换和数字信号处理；

DAC芯片，用于通过数模转换处理得到阶跃小电压信号；

高精度分流器，用于对所述阶跃大电流信号进行信号调理，得到标准阶跃大电流信号；

ADC芯片，用于对所述标准阶跃大电流信号进行模数转换，得到直流暂态阶跃小电压信号。

由上述实施例可知，本申请提供的流阶跃源的快速阶跃方法，包括调节滤波电容，从而设计出最佳效果的输入电压的滤波回路，以实现功率管安全与输入信号陡度的双重平衡；调节采样电阻，在满足输出电流精度的前提下，尽最大可能降低输出回路的电阻值，以提升阶跃电流的上升时间；设计可调节的阻尼电容，通过回采回路确保整个电流输出回路工作在欠阻尼状态下，以提高阶跃电流的上升速度；通过软件根据回采波形的阶跃峰值到达时间，设计电压输出信号衰减函数，能够在提高输出电流上升时间的同时，确保阶跃过冲值与趋稳时间能够满足直流电流互感器阶跃响应测试的需求。综上所述，本申请采用软件输出配合线性功率放大器，将小电压信号转换为大电流信号的方式，相较于开关电源具有更好的波形稳定性、更短的趋稳时间、更长的稳态直流电流的输出能力以及非0起始测试的需求，比一般的线性电源能够更好适应负载的变化，并具有更快的上升时间与大电流的输出精度的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一例直流阶跃源的快速阶跃系统示意图；

图2是本申请实施例提供的一例线性功率放大器回路示意图；

图3是本申请提供的一例直流电子式电流互感器暂态测试系统回路示意图；

图4是本申请提供的一例阶跃源信号发生装置实现架构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

目前，随着大功率全控型电力电子器件的迅速发展，以及直流电网制造水平的不断提高，特高压直流输电技术在特高压输电领域受到越来越广泛的关注。相比于交流系统，直流系统的故障发展更快，控制保护难度更大。作为特高压直流控制保护系统中核心测量设备，电子式互感器也面临着更高的技术与可靠性要求，其暂态性能更是其核心指标。目前暂态测试基本都采用下述暂态闭环测试方法，直流阶跃源发出暂态阶跃信号，直流电流暂态标准器将暂态信号转换为小电压信号，分别送至直流电流互感器，以及经过模数转换后送至校验仪，从而完成闭环暂态阶跃测试。阶跃响应试验要求对直流电流互感器施加尽量理想的阶跃电流，并测量直流电流互感器的阶跃响应时间、过冲、建立时间等参数。由于直流电流阶跃响应过程受负载电感的影响很大，所以不存在理想的阶跃电流源，只能尽量控制阶跃电流源使得阶跃源的上升时间短、过冲小以及趋稳时间短。

目前，主要有开关电源和线性电源作为阶跃电流源。

开关电源即数字电源，其实现方式是为某种特定应用采用数字技术，来控制其绝缘栅双极型晶体管的高频脉冲宽度调制变换模块的导通与关断，实现其电流输出。暂态阶跃源是将三相交流电源调制成高频电流，再通过陡波技术与补偿电流的方式合成方波电流源。但是，也造成了其功能会比较单一，无法实现高频输出、可控波形输出(如改变过冲大小、上升时间、趋稳时间等)、现场故障波形导入等功能。另外，由于采用数字信号控制，所以其波形受调制频率的影响较大，输出电流波形纹波较大，在输出波形的顶部不易趋稳。并且开关功放只能输出方波电流，无法输出连续的直流电流，也无法输出非0起始的阶跃电流，不能满足直流电流互感器的大多数测试需求。另一方面，在阶跃过程中，当负载电感量超出某一值时，容易造成端口电压过大从而烧坏电力电子的器件，一般端口电压不能超过5V，为了防止这种现象一般都是采用限制端口电压的方法，这样在试验过程端口电压过大时，波形立刻畸变。所以其适应负载能力非常弱。

线性电源即模拟电源，其实现方式与输出波形无关，是将小电压信号按照某种比例通过过大功率电源放大成带能量的电流信号。但是，其功率管分布参数是一个固定参数，无法改变，回路电感是一个随机参数，是不可控的，而电感过大时就会呈现震荡趋稳的过程，综合来看，其上升时间很难减小。

因此，如何实现直流阶跃源的快速阶跃，成为亟待解决的问题。

针对上述问题，本申请提供了直流阶跃源的快速阶跃方法和系统，图1是本申请实施例提供的一例直流阶跃源的快速阶跃系统示意图，下面结合图1对该系统进行介绍。

如图1所示，该系统包括阶跃信号发生装置、线性功率放大器回路和电源回路，该阶跃信号发生装置用于向该线性功率放大器回路发送阶跃小电压信号，该线性功率放大器回路用于将该阶跃小电压信号等比例转化为阶跃大电流信号，以及回采电压信号并发送给该阶跃信号发生装置，该电源回路用于为该线性功率放大器回路提供大容量的工作电压。将电源回路与线性功率放大器回路分开设计有利于散热，并且增加电流阶跃源大电流的持续时间。

图2是本申请实施例提供的一例线性功率放大器回路示意图，下面以图1为基础结合图2中的线性功率放大器回路，进行本申请实施例提供的直流阶跃源的快速阶跃方法的说明。需要说明的是，图2中的线性功率放大器回路仅作为本申请实施例提供的线性功率放大器回路的一例，本申请对此不作限定，实现将该阶跃小电压信号等比例转化为阶跃大电流信号的功能即可。

该方法包括：

步骤101，调节滤波电容C₁，使得该滤波电容C₁与输入电阻R₂的乘积等于采样间隔时间T，以图2为例，如公式(1)所示：

R₂C₁＝T (1)

其中，该滤波电容C₁与该输入电阻R₂匹配构成该线性功率放大器回路的滤波回路，该采样间隔时间T为该阶跃信号发生装置的数模转换模块采样点的间隔时间。

该设计能够提高整体电流回路的响应速度，在线性功率放大回路中，为了防止阶跃过速导致放大管损坏，一般会在输入端增加一个滤波电容(例如滤波电容C₁)与输入电阻匹配(例如输入电阻R₂)构成一个滤波回路，滤波回路的阶跃响应传递函数如公式(2)所示：

u_o(t)＝(1-e^-t/τ)U_iε(t),τ＝RC (2)

其中，U_i为输入电压阶跃值，τ是衰减时间常数，ε(t)为单位脉冲函数，R为功率放大回路的输入阻抗，C为滤波电容。

由公式(2)可知滤波回路的阶跃响应直接影响输入回路的响应速度，因此，调整滤波电容(以图2中为例，调整滤波电容C₁)可以提高整体电流回路响应速度。这样设计既可保证功率管的安全性又可不降低输入信号阶跃特性。

在一种可能的实施方式中，在步骤101之前还可以进行步骤100，图3是本申请提供的一例直流电子式电流互感器暂态测试系统回路示意图，按照图3所示搭建测试回路，其中，直流阶跃源发出暂态阶跃信号，直流电流暂态标准器将暂态信号转换为小电压信号，分别送至直流电流互感器，以及经过模数转换后送至校验仪，从而完成闭环暂态阶跃测试。

具体地，在直流阶跃源中，阶跃信号发生装置发出控制用小电压信号Si，电源回路将调制好的电源信号输送至线性功率放大器(例如图2中的V₊和V_-是由电源回路提供的电源信号)，电流回路的输出端为功率放大器输出，电流回路的地为电源回路的地。将电源回路与功率放大回路分开设计是为了更好散热，增加电流阶跃源大电流的持续时间。采样电阻回采信号接回至阶跃信号发生装置，完成实际输出波形回采。

步骤102，调节采样电阻，使得该采样电阻的阻值对应电压值为0.1V，电流值为该阶跃信号发生装置的最大阶跃电流值的10％。

具体地，为了加快上升时间，且有效遏制过冲防止电源损坏，并保证后端的采样精度，采样电阻按照10％阶跃值时对应的采样精度，选择0.1V电压值采样可保证采样精度，所以R＝0.1/10％I，I为阶跃源的最大阶跃电流值。以图2为例，R₁为采样电阻，R₁两端的电压U_O为采样电压，因此R₁＝0.1/10％I₁，其中I₁的值是根据电路的实际情况来设置的。

步骤103，调节阻尼电容，使得该线性功率放大器回路运行在欠阻尼状态下，该阻尼电容为该线性功率放大器回路起到保护作用的分布电容共同构成的电容。

具体地，当输入信号S_I为理想阶跃电压信号时，由于S_I与S_O之间的电路为等效的，因此S_O输出的电流信号是一个与其输入电压成正比的电流信号，即S_O＝S_I/R₁。

由于电流无法突变，实际负载为几米长的导线，其主要呈现为感性负载，其等效电感与电阻、采样电阻、阻尼电容以及功率管内的分布电容共同构成了RLC震荡电路，RLC震荡电路具有以下特性：

谐振角频率ω₀：

衰减因子α：

时间常数τ：

其中，R为电流回路的阻值与该采样电阻的阻值的和，L为该电流回路的电感，C为阻尼电容以及功率管内的分布电容的等效电容(例如图2中的电容C₂与线性功率放大器内部的分布电容共同构成阻尼电容)，该电流回路的输出端为该线性功率放大器回路的输出，该电流回路的地为该电源回路的地。

当α＞ω₀时呈过阻尼状态，此时传递函数如公式(3)所示：

u(t)＝1-e^-t/τ,t≥0 (3)

当0＜α＜ω₀时呈欠阻尼状态，此时传递函数如公式(4)所示：

其中，ζ为阻尼系数，ω_n为自然震荡频率。

根据上面公式可知，当功率放大器运行在过阻尼状态时，虽然没有过冲，但其上升时间由衰减因子α决定，所以导线的特性直接决定了其上升时间。为了加快电源的上升时间，在设计时可让阶跃源工作在欠阻尼状态下。由于α已经由负载回路决定，可通过改变阻尼电容的值，使得阶跃时刻满足欠阻尼过程。

根据欠阻尼的阶跃响应公式，上升时间是由阻尼系数ζ以及自然震荡频率ω_n共同决定。

在一种可能的实施方式中，阻尼电容C满足以下公式(5)：

由于阻尼电容C包括补偿电容C₂，因此，可设计C₂满足公式(5)，即

步骤104，确定过冲值是否小于阶跃目标值的20％，如果小于，则进行步骤105，否则，重复进行步骤101或步骤102或步骤103，直至过冲值小于阶跃目标值的20％。

阶跃信号发生装置施加理想阶跃信号：u(t)＝0,t＜0,u(t)＝A,t＞＝0。

以图2为例，通过回采电路闭环测试理想阶跃的采样信号，根据测试波形，调节电容值C₂，或调节滤波电容C₁，或调节采样电阻R₁，直到满足阶跃过冲的最低要求过冲值小于阶跃目标值的20％，以达到最佳阶跃上升的效果。

步骤105，根据回采的波形的阶跃峰值到达时间设计电压输出信号衰减函数。

具体地，步骤101到步骤104为硬件部分调节过程，可使得功率放大器在固定负载后到达最快上升时间，从而获得理想阶跃的阶跃过冲的峰值时间t₂。

由于阶跃响应为一个能量的释放过程，即初始阶跃电压来决定的，假设我们在阶跃初期给出一个最大值。我们将阶跃过程公式按照阶跃响应的电压来描述，如公式(6)所示：

其中，A为阶跃目标值，如果我们改变目标值，增加其初始能量，单点触发后以谐振角频率的峰值时间t₂作为目标值进行衰减，此时阶跃过冲不会增大，但阶跃过冲的响应速度将会大幅增加。

在一种可能的实施方式中，信号发生系统的最终输出函数衰减函数u(t)如公式(7)所示：

其中，t为该电压输出信号衰减函数的时间，V_max为该数模转换模块输出的最高电压，A为该阶跃目标值，τ为该阶跃峰值到达时间。

本申请还提供了一种直流阶跃源的快速阶跃系统，下面结合图1和图2对该系统进行介绍，该系统包括阶跃信号发生装置、线性功率放大器回路和电源回路，该阶跃信号发生装置用于向该线性功率放大器回路发送阶跃小电压信号，该线性功率放大器回路用于将该阶跃小电压信号等比例转化为阶跃大电流信号，以及回采电压信号并发送给该阶跃信号发生装置，该电源回路用于为该线性功率放大器回路提供大容量的工作电压，该系统还包括：

模块M1，用于调节滤波电容，使得该滤波电容与输入电阻的乘积等于采样间隔时间，其中，该滤波电容与该输入电阻匹配构成该线性功率放大器回路的滤波回路，该采样间隔时间为该阶跃信号发生装置的数模转换模块采样点的间隔时间；

模块M2，用于调节采样电阻，使得该采样电阻的阻值对应电压值为0.1V，电流值为该阶跃信号发生装置的最大阶跃电流值的10％；

模块M3，用于调节阻尼电容，使得该线性功率放大器回路运行在欠阻尼状态下，该阻尼电容为该线性功率放大器回路起到保护作用的分布电容共同构成的电容；

模块M4，用于确定过冲值是否小于阶跃目标值的20％，如果小于，则调用模块M5，否则，重复调用模块M3，直至过冲值小于阶跃目标值的20％；

模块M5，用于根据回采的波形的阶跃峰值到达时间设计电压输出信号衰减函数。

其他实施方式参加上述本申请提供的直流阶跃源的快速阶跃方法，在此不再赘述。

图4是本申请提供的一例阶跃源信号发生装置实现架构示意图，在一种可能的实施方式中，如图4所示，该阶跃信号发生装置包括：

主处理器，用于暂态阶跃数据的实时发送控制以及回采信号；

FPGA处理器，用于对获取到的直流暂态阶跃信号进行模数转换和数字信号处理；

DAC芯片，用于通过数模转换处理得到阶跃小电压信号；

高精度分流器，用于对该阶跃大电流信号进行信号调理，得到标准阶跃大电流信号；

ADC芯片，用于对该标准阶跃大电流信号进行模数转换，得到直流暂态阶跃小电压信号。

可选地，主处理器(CPU)以PowerPC为核心，采用Freescale公司的MPC8247嵌入式微处理器，该处理器属于PowerQUICC II系列，包含一个基于PowerPC MPC603e的内核，和一个通信处理内核CPM。双核设计具有强大的处理能力和较高的集成度，降低了系统的组成开销，简化了电路板的设计，降低了功耗。暂态阶跃数据的实时发送控制以及回采都由主控CPU来完成。

可选地，采用独立的FPGA分别控制数据输出模块的DAC芯片及信号回采模块的ADC芯片，实现数据源与测试接收数据分离，保证调节过程的精确性。FPGA处理器采用Xilinx的Spartan3系列产品XC3S1500，包含有150万个系统门，32个专用乘法器，4个数字时钟管理模块，逻辑资源丰富，运行速度快。FPGA利用精确的时序控制能力，完成以太网的MAC子层设计、MAC子层与以太网控制器的接口设计，以太网数据接收，DAC的控制，AD数据采集，同时完成高速串行数据接收以及开关量接收。

可选地，数据输出模块包括DAC数模转换器及线性功率放大器，通过DAC模块输出小电压信号，控制线性功放的数据输出及刷新频率。

其中，数模转换器采用ADI公司的AD5683R，这是一款16位单通道转换器，其相对精度为±2LSB INL，内置2ppm/℃2.5V基准电压源；采用节省空间的2mm×2mm 8引脚LFCSP和10引脚MSOP封装，可在更小的电路板空间中实现更多的功能；2mV总非调整误差，无需初始校准或调整；4kV HBM ESD额定值，实现了系统稳健性。

其中，线性功率放大器采用推挽式电路，最大输出电流可达800A，稳态输出精度优于0.2％。如图2所示，功率放大器以高精度功率模块配合大功率低干扰线性电源实现，输入端采用复杂平衡输入线路，减小功率放大器在电力系统强干扰环境下共模噪声影响，中间级使用超低零漂，超低温漂运放保证直流精度，输出级采用MOS功率器件配合高精度低温漂无感检流电阻完成大电流转换，并设计多级热保护、过载保护保证系统安全。并配置可调节的滤波电容C₁、补偿电容C₂以及采样电阻(或称为检流电阻)R₁。

可选地，信号回采模块由高精度分流器及模数(A/D)转换模块组成。A/D采集芯片采用AD公司18位AD7690芯片，该芯片是具备1.5LSB INL、400k SPS指标的差分ADC，其差分输入特性具有更强的抗干扰性能。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种直流阶跃源的快速阶跃方法，应用于直流阶跃源的快速阶跃系统中，其特征在于，所述直流阶跃源的快速阶跃系统至少包括阶跃信号发生装置、线性功率放大器回路和电源回路，所述阶跃信号发生装置用于向所述线性功率放大器回路发送阶跃小电压信号S_I，所述线性功率放大器回路用于将所述阶跃小电压信号等比例转化为阶跃大电流信号S_O，以及回采电压信号U_O并发送给所述阶跃信号发生装置，所述电源回路用于为所述线性功率放大器回路提供大容量的工作电压，其中，所述线性功率放大器回路包括第一差分放大器、采样电阻R₁、输入电阻R₂、滤波电容C₁、信号隔离模块、双极性的功率放大模块、实时反馈模块和补偿电容C₂，

所述第一差分放大器的一侧用于输入所述阶跃小电压信号S₁，另一侧连接所述输入电阻R₂的一端，所述输入电阻R₂的另一端分别连接所述信号隔离模块的一端以及所述滤波电容C₁的一端，所述滤波电容C₁的另一端接地，所述信号隔离模块的另一端分别连接所述双极性的功率放大模块的一端，以及通过电阻连接所述补偿电容C₂的一端，所述补偿电容C₂的另一端接地，所述双极性的功率放大模块的另一端连接所述采样电阻R₁，所述采样电阻R₁输出的电流为所述阶跃大电流信号S_O，所述实时反馈模块的一端用于输入所述采样电阻R₁两端的所述电压信号U_O，所述实时反馈模块的另一端连接所述补偿电容C₂的一端；

所述实时反馈模块包括第二差分放大器，所述第二差分放大器的输入端用于输入所述采样电阻R₁两端的电压信号U_O，所述第二差分放大器的输出端通过电阻与所述补偿电容C₂连接；

所述信号隔离模块包括第一放大器、第二放大器和第三放大器，所述输入电阻R₂的另一端通过电阻与所述第一放大器的同相输入端连接，所述第一放大器的反相输入端通过电阻接地，所述第一放大器的输出端通过电阻进行反馈，所述第一放大器、所述第二放大器和所述第三放大器串联，所述第二放大器和所述第三放大器的输出端均接地，所述第三放大器的输出端分别连接所述双极性的功率放大模块的一端，以及通过电阻连接所述补偿电容C₂的一端，所述信号隔离模块起到隔离信号的作用；

所述双极性的功率放大模块接收所述电源回路提供的所述工作电压，以实现对所述阶跃小电压信号S_I进行放大；

所述方法包括：

步骤101，调节所述滤波电容C₁，使得所述滤波电容C₁与输入电阻R₂的乘积等于采样间隔时间，其中，所述滤波电容C₁与所述输入电阻R₂匹配构成所述线性功率放大器回路的滤波回路，所述采样间隔时间为所述阶跃信号发生装置的数模转换模块采样点的间隔时间；

步骤102，调节所述采样电阻R₁，使得所述采样电阻R₁的阻值对应电压值为0.1V，电流值为所述阶跃信号发生装置的最大阶跃电流值的10％；

步骤103，调节阻尼电容，使得所述线性功率放大器回路运行在欠阻尼状态下，所述阻尼电容为所述滤波电容C₁和所述补偿电容C₂共同构成的电容；

步骤104，确定过冲值是否小于阶跃目标值的20％，如果小于，则进行步骤105，否则，重复进行步骤101或步骤102或步骤103，直至过冲值小于阶跃目标值的20％；

步骤105，根据回采的波形的阶跃峰值到达时间设计电压输出信号衰减函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤103包括：

所述阻尼电容C满足以下公式：

其中，R为电流回路的阻值与所述采样电阻的阻值的和，L为所述电流回路的电感，所述电流回路的输出端为所述线性功率放大器回路的输出，所述电流回路的地为所述电源回路的地。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤105包括：

所述电压输出信号衰减函数u(t)满足以下公式：

u(t)＝0,t＜0

u(t)＝V_max-(V_max-A)(1-e^-t/τ),t＞＝0，

其中，t为所述电压输出信号衰减函数的时间，V_max为所述数模转换模块输出的最高电压，A为所述阶跃目标值，τ为所述阶跃峰值到达时间。

4.一种直流阶跃源的快速阶跃系统，其特征在于，所述系统包括阶跃信号发生装置、线性功率放大器回路和电源回路，所述阶跃信号发生装置用于向所述线性功率放大器回路发送阶跃小电压信号S_I，所述线性功率放大器回路用于将所述阶跃小电压信号等比例转化为阶跃大电流信号S_O，以及回采电压信号U_O并发送给所述阶跃信号发生装置，所述电源回路用于为所述线性功率放大器回路提供大容量的工作电压，其中，所述线性功率放大器回路包括第一差分放大器、采样电阻R₁、输入电阻R₂、滤波电容C₁、信号隔离模块、双极性的功率放大模块、实时反馈模块和补偿电容C₂，

所述第一差分放大器的一侧用于输入所述阶跃小电压信号S₁，另一侧连接所述输入电阻R₂的一端，所述输入电阻R₂的另一端分别连接所述信号隔离模块的一端以及所述滤波电容C₁的一端，所述滤波电容C₁的另一端接地，所述信号隔离模块的另一端分别连接所述双极性的功率放大模块的一端，以及通过电阻连接所述补偿电容C₂的一端，所述补偿电容C₂的另一端接地，所述双极性的功率放大模块的另一端连接所述采样电阻R₁，所述采样电阻R₁输出的电流为所述阶跃大电流信号S_O，所述实时反馈模块的一端用于输入所述采样电阻R₁两端的所述电压信号U_O，所述实时反馈模块的另一端连接所述补偿电容C₂的一端；

所述实时反馈模块包括第二差分放大器，所述第二差分放大器的输入端用于输入所述采样电阻R₁两端的电压信号U_O，所述第二差分放大器的输出端通过电阻与所述补偿电容C₂连接；

所述信号隔离模块包括第一放大器、第二放大器和第三放大器，所述输入电阻R₂的另一端通过电阻与所述第一放大器的同相输入端连接，所述第一放大器的反相输入端通过电阻接地，所述第一放大器的输出端通过电阻进行反馈，所述第一放大器、所述第二放大器和所述第三放大器串联，所述第二放大器和所述第三放大器的输出端均接地，所述第三放大器的输出端分别连接所述双极性的功率放大模块的一端，以及通过电阻连接所述补偿电容C₂的一端，所述信号隔离模块起到隔离信号的作用；

所述双极性的功率放大模块接收所述电源回路提供的所述工作电压，以实现对所述阶跃小电压信号S_I进行放大；

所述系统还包括：

模块M1，用于调节所述滤波电容C₁，使得所述滤波电容C₁与输入电阻R₂的乘积等于采样间隔时间，其中，所述滤波电容C₁与所述输入电阻R₂匹配构成所述线性功率放大器回路的滤波回路，所述采样间隔时间为所述阶跃信号发生装置的数模转换模块采样点的间隔时间；

模块M2，用于调节所述采样电阻R₁，使得所述采样电阻R₁的阻值对应电压值为0.1V，电流值为所述阶跃信号发生装置的最大阶跃电流值的10％；

模块M3，用于调节阻尼电容，使得所述线性功率放大器回路运行在欠阻尼状态下，所述阻尼电容为所述滤波电容C₁和所述补偿电容C₂共同构成的电容；

模块M4，用于确定过冲值是否小于阶跃目标值的20％，如果小于，则调用模块M5，否则，重复调用模块M3，直至过冲值小于阶跃目标值的20％；

模块M5，用于根据回采的波形的阶跃峰值到达时间设计电压输出信号衰减函数。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述阻尼电容C满足以下公式：

其中，R为电流回路的阻值与所述采样电阻的阻值的和，L为所述电流回路的电感，所述电流回路的输出端为所述线性功率放大器回路的输出，所述电流回路的地为所述电源回路的地。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述电压输出信号衰减函数u(t)满足以下公式：

u(t)＝0,t＜0

u(t)＝V_max-(V_max-A)(1-e^-t/τ),t＞＝0，

其中，t为所述电压输出信号衰减函数的时间，V_max为所述数模转换模块输出的最高电压，A为所述阶跃目标值，τ为所述阶跃峰值到达时间。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述阶跃信号发生装置包括：

主处理器，用于暂态阶跃数据的实时发送控制以及回采信号；

FPGA处理器，用于对获取到的直流暂态阶跃信号进行模数转换和数字信号处理；

DAC芯片，用于通过数模转换处理得到阶跃小电压信号；

高精度分流器，用于对所述阶跃大电流信号进行信号调理，得到标准阶跃大电流信号；

ADC芯片，用于对所述标准阶跃大电流信号进行模数转换，得到直流暂态阶跃小电压信号。