高稳定性宽量程直流电流源的研究*

(郑州大学，郑州 450052)

0 引言

交流采样与变送器检定装置是在交直流指示仪表检定装置的基础上增加了直流电压、电流测量功能，除了用来检定交直流指示仪表外，还可用于交流采样电测量变送器、直流电压变送器和直流电流变送器等设备的检定。该装置广泛应用于电厂、化工、石油等行业和部门。建立交直流采样与变送器检定装置的计量校准体系，对保证其测量结果准确一致，具有十分重要的意义。

交流采样与变送器检定装置的直流电流测量功能最突出的特点是量程多，测量范围宽，有些设备甚至是从10μA～100A，因此，研究高稳定性宽量程的直流电流源对校准交流采样与变送器检定装置的直流电流测量功能具有十分重要的意义。

1 工作原理

高稳定性宽量程直流电流源工作原理如图1所示。主要由微处理器、D/A转换、基准参考电压、跨导放大器、采样反馈和电流比较仪等部分组成。

图1 直流电流源原理图

高稳定性宽量程直流电流源分为小电流(100mA以下)和大电流(100mA以上)两部分。对于小电流输出部分，由基准电压和D/A构成的可调直流电压源可根据设定输出给定量的直流电压信号，根据所需的电流信号的大小选择不同的量程并转换为电流信号，该信号经采样、A/D转换后送微处理器，微处理器根据采样结果，对由基准电压和D/A转换器构成的直流电压源输出进行调整，从而构成闭环控制系统。对于大电流输出部分，由基准电压和D/A构成的可调直流电压源可根据设定输出给定量的直流电压信号，利用跨导放大器转换为小电流信号，经功率放大器放大后输出，因直流电流比较仪具有非接触、功耗小、无温漂影响和灵敏度高等特点，所以，采用了串接直流比较仪作为反馈、保护、显示的采样元件，以提高直流大电流源的稳定性。

直流电流源输出稳定性主要取决于基准电压的稳定性、放大器的灵敏度和直流电流比较仪的灵敏度等。因此，在电路中采用了参考电压自校准技术，用以提高基准电压的稳定性，稳定基准输出信号，从而使输出电流稳定在给定值，提高了电路的稳定性。

由大功率整流二极管、多绕组变压器构成的多档位整流滤波电源，根据电流的档位向直流功放提供响应的电流，使功放在任何档位都工作在较低的管压降，降低了对功放三极管的参数要求，提高了电流源的工作可靠性。

2 电路设计

2.1 电流源电路

由于高稳定性宽量程直流电流源的输出范围较宽，从μA数量级到100A数量级，要产生如此宽的电流输出，我们在设计中将小电流信号单独设计，有独立的运放电路，直接经放大或衰减后输出。对于大电流的产生采用跨导放大器，其作用就是把信号产生电路所产生的电压转换为电流信号。其原理如图2所示。

图2 电流源产生电路

2.2 反馈采样电路

对小信号的直流电流源的反馈网路，可以采用箔式电阻组成的采样电路，大电流直流电流源的反馈网路则采用了调制-检测回路、调制-解调电路和初次级回路构成的多量程直流电流比较仪，其原理如图3所示。

图3 反馈采样电路

直流比较仪的结构如图4所示。I、II是一对几何参数相同、B-H曲线具有对称的非线性关系的软磁材料构成的调制-检测合金环，绕有激励/检测绕组W1、W2。用环形高导磁率的磁屏蔽盒罩住，再分别加绕初次级绕组W初、W次，形成各自回路。用50～1000Hz的方波激励信号通过激励绕组将合金环激励到充分饱和，在I、II中产生对称磁通和奇次感应电势。当W初通过电流I初时，在I、II中产生偶次叠加感应电压，由检测绕组和电路检出该信号，放大产生I次电流，进入W次进行比较补偿。根据磁路的克希荷夫第二定律有：W初I初-W次I次=H0l，式中，H0为I、II磁环中的直流磁场强度，l为平均有效磁路长度。当达到“理想安匝平衡”时，H0l=0，有I初=W次I次/W初。“H0l=0”的程度即安匝平衡检测灵敏度，决定了比较仪的性能。

图4 直流电流比较仪结构原理图

3 测试结果及特点

根据以上直流电流源的设计原理，我们预期设计完成的该直流电流源的技术指标如表1所示：

表1 直流电流源设计技术指标

我们采用一组二等标准电阻、直流数字电压表及直流标准电位差计对设计的高稳定度宽量程直流电流源(以下简称被测电流源)进行测试，测试连接如图5所示。为了减少测量误差，提高测量精度，在测试被测电流源10A以上及1mA以下输出电流时，选用标准电位差计和一组标准电阻作标准器；在测试被测电流源1mA～1A范围内电流时，选用直流数字电压表和一组标准电阻作标准器，这样测量系统的优化，满足测量要求。我们对高稳定度宽量程直流电压源的测试结果见表2，经测试表明设计指标优于预期的技术指标。

图5 直流电流源测试连接图

表2 高稳定性宽量程直流电流源测试结果

该高稳定性宽量程直流电流源主要有以下特点：

1)输出范围宽。直流电流范围1μA～100A，解决了其它直流标准源的小量程和大量程不能同时存在的难题；

2)程控电源加入数字反馈处理技术，使电流的输出准确度得到大幅度提高；

3)通过利用屏蔽技术，内部参考电压进行自校准技术，采用同种金属材料连接克服接触电动势和热电偶效应的影响技术，在印刷电路板设计时对发热区、恒温区隔离技术，对温度敏感的重要电路及元器件置于恒温区内等技术，解决了小电流稳定性不高的难题，直流电流1mA以下量程可达0.005%/min；

4)采用高导磁率的磁性材料对直流标准源的小电流进行电磁屏蔽。首先，使用特制屏蔽罩将小电流的生成电路的印制板全部屏蔽起来，然后，再使用屏蔽线将小电流的输出线路部分全部屏蔽起来，避免系统或者外部的射频信号干扰输出电压；

5)利用直流比较仪作为大电流反馈电路，解决了大电流稳定性低的技术关键问题，直流电流30A量程的稳定性达到了0.005%/min。

4 结束语

高稳定性宽量程直流电流源由于在硬件和软件设计上得到了最大优化，使其在对交直流采样与变送器检定装置计量检定和校准时显示出了较好的性能价格比，具有广阔的应用和推广前景。

参考文献

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