一种高精度电压电流取样器

2014-03-10焦海波

声学与电子工程 2014年4期

关键词：调理增益电阻

焦海波

（第七一五研究所，杭州，310023）

一种高精度电压电流取样器

焦海波

（第七一五研究所，杭州，310023）

利用高精密运算放大器和高速响应缓存器的特性，设计了一种高精密电压电流取样器，频率范围100 Hz～500 kHz，具有频率范围宽、动态范围大、取样系数档位多、取样精度高的特点。

电压；电流；取样器；精度高；取样系数

为了真实地获得单个换能器、换能器基阵以及其它水声设备的实际工作状态下的声学性能参数，就要建立相应的测试系统，其中功率放大器是换能器向水中发射声波的重要设备。由于功率放大器的输出电压、电流比较大，通常用自带的电压监视输出端口或者用大功率电阻分压取样得到电压信号，用电流互感器取样得到电流信号。这样取样得到的电压、电流信号不但取样系数单一，不便于测试；而且由于电压、电流信号取样误差偏大，不满足测试系统对电压、电流的测量不确定度要求，为此设计了一种通用的高精度电压电流取样器，经过实际应用，取得较满意的效果。

1 电路设计结构

电压电流取样器电路采用模块化的设计思想，取样电压、电流电路相互独立，电路结构设计简单、可靠。电压电流取样器电路主要由电压衰减电路、电压增益调理电路、电流衰减电路和电流增益调理电路四部分组成（如图1）。

图1 电压电流取样器电路原理示意图

1.1 电压衰减电路

电压电流取样器作为一个通用类的仪器，工作频率范围100 Hz～500 kHz，对取样电压的精度要求非常高，同时取样系数档位可调。为了后期增益电路的安全保护，衰减电路直接对输入信号衰减60 dB，使其位于安全电压范围内，再利用增益电路按相应的系数取样电压信号。衰减电路主要由14个电阻串联组成衰减网络（如图2），由于信号频率最高达500 kHz，所以在每个衰减电阻上并联一个电容来匹配，防止信号的失调。

图2 电压衰减电路

功率放大器的信号输出端直接连接换能器和取样器，功放输出信号可能会有瞬间高压，从而对衰减电路和增益电路有一定的冲击，损坏电路。为了防止瞬间高压冲击，在信号衰减60 dB后采用二稳压管钳位保护电路。

1.2 电压增益调理电路

电压增益调理电路主要把衰减60 dB后的电压信号进行相位、直流偏置和输入输出阻抗的调理。考虑到取样器取样电压的设计指标要求比较高，同时对环境条件也有严格的要求，经过反复的比较，选择了NS公司生产的高速响应缓存器LH0033CG以及高精密运算放大器LH0032CG。这两种芯片除了通用性能较高外，还有一些辅助的功能可提高电压的取样精度。通过调节电阻R4来改变缓存器输出的直流偏置（如图3），调节电容C4可以改变信号的质量。这两个辅助功能可以省去另外搭建电路实现功能，减少分布电容的影响。

经过衰减的信号可以通过不同继电器的通断来实现不同电压取样系数的输出。调节R1、R2、R3、C1、C2、C3实现不同取样系数下输出电压幅值及相位的高精度。在图3电路中的U3、U4为负反馈正相放大电路，引入负反馈，可以稳定输出电压或电流，避免放大电路输出电压或电流由于各种因素的变化而引起增益的改变。该负反馈放大电路还可以避免运算放大器极高的开环增益[1]使放大器无法正常工作在线性区域，产生不必要的振荡现象，最后再通过U5将信号转化为低阻抗输出。

图3 电压增益调理电路

图4 电流增益调整电路

1.3 电流衰减电路

电流衰减电路是指通过电流互感器将流经取样器的电流信号转化为电压信号。电流互感器依据电磁感应原理把数值较大的一次电流通过一定的比例转换为数值较小的二次电流，再通过分压电阻把电压信号放大后转变成按比例输出的电压信号。由于电流互感器模块技术比较成熟，在此就不详述了。

1.4 电流增益调理电路

如图4所示，电流互感器将流经取样器的电流转化为衰减40 dB的电压信号后，通过 U1、U2组成正相放大电路对信号进行调整，输出放大量为A0=1+Rf/Ri，通过改变电阻Rf来调节各个系数电压值的精度，电路中的电容用来调节相位的精度，输出系数还是通过控制继电器的不同吸合，实现不同电流取样系数的输出。

1.5 信号调理电路带宽

增益调理电路的带宽主要由缓存器LH0033CG、LH0002CN及运算放大器LH0032CG的带宽决定。LH0033CG、LH0032CG和LH0002的带宽分别为100 MHz、70 MHz、50 MHz，调理电路的带宽远大于500 kHz。LH0032CG的增益越大，带宽越小，调理电路采用两级放大，减少带宽变窄。该取样器的工作频率在500 kHz以下，所选芯片可以满足使用。

1.6 取样电路精度保证[2]

电路中精度受到元器件自身特性、高频信号附加电容、电阻的精度和噪声、PCB设计以及元器件布局等众多因素的影响。为保证取样器的取样精度，我们选用性能指标高的电阻和电容；连接线采用双绞屏蔽线；规范布线，减少元器件之间的相互干扰。