电阻箱检定工作中恒流源的作用研究

陈碧琛

佛山市质量计量监督检测中心 广东佛山 528000

在《直流电阻箱检定规程》JJG982-2003 规定中，引入恒流源的不确定度必须不能超过扩展不确定度U 的十分之一范围内，而对电压表的不确定度控制在四分之一，由此可以看出工艺对恒流源有较高的要求。本文的研究对象是以《直流电阻箱》附录 A为依据，介绍利用数字电压表检定电阻箱的操作原理，阐述了恒流源的工作原理，并对其中的不确定度进行分析。

1 恒流源工作原理

下面图1 显示的是恒流源的工作原理示意图，图中的NA1、NA2 和NA3 运用的是集成运算放大器，规格为ICL7650。该仪器是20 世纪80 年代某公司研发出来的低漂移、高精度、动态校零特点的运算放大器，该放大器为CMOS 类型的暂波稳零式单片集成而成，被业界视为运算放大器的第四代[1]。其载入电压失调值Uos 还不到通用运算放大器的千分之一，该仪器为F007.Uos=1.1μV，载入偏置电流通常为100pA，而且共模抑制能力很强、增益开环Ad 大于140dB。其中基准电压设定为Uin；功率放大器件设定为VTR；其限流电阻为R2。

恒流源的工作原理表现为：分压基准Uin 之后，利用加法器NA1、反馈放大器NA2，通过电流放大驱动电路VTR 进行Ix。为了更好稳定输出电流，除了负反馈在各个环节深度反馈外，还要从输出电流中取样通过电压跟随器反馈到加法器，呈现大反馈的格局，促使输出电流更加稳定，从而强化了恒流源在负载变化较大的范围内输出电流超高的稳定度。

1.1 恒流源电流的稳定机理

加法器NA1的电压输出U1的公式为U1=Uin-U4，反方向的放大器NA2电压输出U2的公式为U2=-U1，跟随器NA3 的电压输出U4的公式为U4=U3，而标准电阻Rn上的电流公式为In=U2-U3/Rn=-Uin/Rn。

1.2 功放驱动原理

在对直流电阻进行测量的过程中，为了保证其测量的速度和准确性，参与测试的仪表必须具备很大的恒流输出的能力、极小的波纹以及超高的稳定性，才可以实施110KV 级别以上的直流电阻的精准、可靠的检测。本文研究的恒流源具备稳定输出能力的极限电流为10A，用检测100μΩ 级别以上的感性负载直流电阻。因为普通的集成运算放大器地输出电流相对小，难以对很大的功率管实施驱动，所以，要想得到10A 恒流源，利用扩流技术是最佳的措施。本文利用的办法是前级对后级实施驱动的手段，实现扩流的目标。

试验表明，恒流源的功率放大器环节，取代电流驱动电路VTR。其中Rx 为被测感性负载的直流电阻，Lx 为电感，设定标准电阻为Rn。VTR1 采用BD237NPN 类型的100V，2A；VTR2 采用BD238PNP 类型的100V，2A 形成前级驱动的功率管。而VTR3-VTR6 利用MJ11032NPN 型的120V，50A 形成功率放大管。下面将要介绍恒流源功率放大器的工作原理。

2 测量不确定度措施

2.1 与计算相关的重要指标

（1）恒流源的计算：本文采用的是JH-5 型恒流源，其稳定度地输出为的稳定为，依据分布均匀原则

（2）电压表的计算：本文的研究电压表为2000 规格，测量电压的准确度为0.005% 依据分布均匀的原则，求得

（3）标准电阻的计算：本文设定为0.01 级别，设定k=3，求得

1.△I1 的不确定计算：u（△I1）=u（I）=4.6×10-5。

2.△I2 的不确定计算：本研究设定数字电压表电阻输入为Ri，标准电阻设定为RN，接入电压表以后电压变化的公式为：

电路的分流作用通常在小电流大电阻的情况下才得以发挥，由此设定RN=100kΩ，2000 电压表阻抗输入为10GΩ，进入公式（1）获得结果为数字电压表输入电阻对电压的影响最大值为1×10-5。把电压变化转变为电流变化的公式为：

△I 3 的不确定计算

基于UN、RN 之间没有关联，会通过UN、RN 直接合成相对不确定度，公式为：

值得特别重视的是，在对UN 不确定度计算的时候，不可以单纯地以为造成不确切度的原因是数字电压表的准确度，更要考虑电阻上恒流源的不稳定对电压示值的影响[2]。

3 不确定度的分析结果

本文对各不确定度分量进行比较得知， I1Δ 、 I2Δ 造成的不确定度可以不计，如此可以视作I=IN，可以推出下面公式：

公式（4）显示采用手段检测电阻箱的相对不确定度，完全取决于标准电阻本身和电压表的准确度，并不受电流和电阻的阻值的影响[3]。

4 结语

通过以上对电阻箱的检定工作中，恒流源作用和影响的分析，不难看出，如果想彻底消解恒流源的稳定度对电压示值的影响，在利用数字电压表对电阻箱测定的过程中，必须选择高稳定的恒流源以及高输入阻抗，数字电压表的选择标准是具备很小的零电流，而且恒流源的扥定性必须高于电压表的准确度。为了充分发挥恒流源稳定性的作用，对电流和电阻的选择时，必须把恒流源的负载电压控制在最大负载电压之内。