一种电流比较仪电流比例有源微差补偿装置设计

韩博　迟宗涛　刘永刚

文章编号： 10069798（2022）01009106; DOI： 10.13306/j.10069798.2022.01.014

摘要：  本文针对电流比较仪微差补偿装置自动化水平低，精确度易受电阻精度影响等问题，设计了一种高准确度、校准方便且自动化水平高的电流比较仪电流比例有源微差补偿装置。该装置基于单片机的12位二进制有源微差补偿装置，采用附加16位数字模拟转换器（digital to analog converter，DAC）灵活修正补偿装置二进制比例误差，可有效提高电流比较仪的准确度，并将二进制分流比例理论分辨率提升至28位，该装置采用基于数字信号处理（digital signal processing，DSP）的嵌入式数字电路实现系统的控制和算法，并通过源表法对该装置进行实验。实验结果表明，有源微差补偿装置的误差为10-6，相对标准差为2×10-7。该研究为提高电流比较仪的自动化水平和用补偿方式解决电阻误差提供了参考。

关键词：  电流比较仪; 微差补偿装置; DAC; DSP

中图分类号： TM933.11+3文献标识码： A

随着科学技术的发展与进步，微弱电流信号的检测变得日益迫切，并广泛应用于军事及医疗等科学研究领域[1]。因此，对微弱信号的检测要求及测量精度越来越高，微弱信号易受干扰，噪声来源除了信号本身噪声外，还包括放大电路的噪声[1]。由于我国正在尝试建立电阻标准，为了完成电阻标准量值传递工作，需要研究相应的测量装置[2]。测量过程就是把标准量与被测量进行比较，求得两者之间的比例值，其比例值是否精准对于测量过程极为重要，不断提高比例值的准确度也成为人们的一种持续追求。磁调制电流比较仪由于可以给出任意值的电流比例，准确度达到10-7量级，实现了计量领域的一次飞跃。目前，大部分计量实验室中，磁调制电流比较仪仍然起着举足轻重的作用[3]。电流比较仪作为一种高准确度比例器件在电流测量中发挥重要作用，电流比较仪具有灵敏度高，抗干扰能力强，可以长期稳定工作，因此被广泛应用于实验室以及工业中[411]。近年来，国内外相关科研人员都对其精度的提高设计提出科学的设计方案，用运算放大电路构成的模拟式前馈和反馈微差补偿网络，需要经验丰富的操作人员反复调节才能实现电流比较仪磁势平衡[1213]，其自动化水平低。基于此，需要设计一种高准确度，校准方便，自动化水平高的设计方式替代传统的差分补偿装置。因此，本研究设计了一个基于DSP控制的微差补偿装置，采用二进制分流方式，实现对小电流的控制，并对微差补偿装置进行多次测试实验。该研究对电流比较仪小电流精度的提高具有重要意义。

1磁调制电流比较仪电桥

磁调制电流比较仪电桥结构[1419]如图1所示。图1中，主动电流源的电流I1和从动电流源的电流I2分别通过标准电阻R1、待测电阻R2及电流比较仪2个绕组，其匝数为N1和N2。当2个绕组产生的磁通大小相等、方向相反时，磁通为

其中，Ф1和Ф2分别表示原边和副边上的磁通。

根据磁路定律，此时两个绕组产生的磁势关系为

电流比等于匝数反比，电流流过标准电阻R1和R2，为比较两个电阻比值，使指零仪达到平衡，电阻两端电压为

式中，ΔU为指零仪读数。

由于原副边绕组的匝数均为整数匝，被比较电阻实际比例不完全等于匝数比，必须设计一个装置进行补偿，即电流比例微差补偿装置。用微差补偿装置去逼近电阻实际比例，在电桥上反映为指零仪指零，分流比例准确度要求在10-7及以上。改进的磁调制电流比较仪电桥结构如图2所示，图2中，在从动电流源支路上，加一微差补偿装置，把从动电流源支路上的电流分出一路IA。

2微差补偿装置

由于传统的微差补偿装置效率不高，自动化水平低，为使其操作和自动化更加方便，用有源电路代替无源电路，微差补偿单元应优先纳入其中，因为其功耗较小，不需要具有大输出电流驱动的运算放大器，可以简化该装置的电子设计。由于电路中有源元件附加噪声的影响，因此实验的前提是假设在标准应用中，辅助绕组只有1匝，即NA=1[20]。有源微差补偿装置示意图如图3所示，图3展示了带有电流量程选择器的二进制补偿单元设计。其中，RL为反相比例电阻，RL=10 K，RH为12位二进制可调电阻，RV为限流电阻，RV=32 R。所有组件都是由电池供电，并封装在一个金属盒中。RH为12位二进制模块，RH电路结构图如图4所示。图4中，R=10 K。

根据电流分流比，得

其中，k为电流二进制比例数值，其方向与NA相对于N2的方向相关，大小为RL/RH。

由式（2）可得

由式（6）可得

其中，ΔU表示电流比较仪电桥U之间的电压差;I2R2表示从动电流源支路上的峰值电压差，该比例量化了桥的不平衡[20]。

通过电阻R2和相应绕组N2的电流I2经过放大器后，在X点处输出电压UX，其大小为-I2RL，电压UX经过电阻RH，转换成电流在Y点进行输出。为提高其准确度，可接入一个DAC。经过放大器，得到IA=-UX/RH，或者k = IA/I2=RL/RH。所有开关和DAC都由DSP进行控制。在图3的UX/32处，接入一个16位DAC，再经过一个电阻RV=32RL。如果IX= UX/RL，DAC的取值区间为-IX/1 024（FFFFH） ～ 0（0000H），其中0000H ～ FFFFH 表示16位DAC的取值。此外，在RH的UX/1 024處，接入一个2R电阻，输出一个IX/2 048的偏置电流。使DAC取值变为-IX/1 024到IX/1 024之间。当12位开关都处于关闭状态时，结合DAC取值区间，且当DAC取值8000H时，即可抵消输出误差，使输出为零。当RL = 10 K时，DAC的最低有效位理论对应于IA = I2/226。

3实验结果

本实验将电流I2和经过微差补偿装置的实测电流IA的比值作为实验结果，对微差补偿装置的比例进行测试，其比值为

其中，Δ为电流测试值与理论值偏差的1/k倍;k取值为1/2X-1;X的取值为1～12的常数，代表微差补偿装置的二进制位。

实验室环境（20±05 ℃），利用经过校准的标准源输出1 mA电流和标准表进行检测。无DAC反向电流实验数据如表1所示，无DAC正向电流实验数据如表2所示。

由表1和表2可以看出，在无DAC补偿时，只依靠高12位二进制分流电路结构，其正向电流和反向电流的误差都在10-3以内，误差较大。在加DAC前，先测试DAC的分辨率和稳定性，DAC 13位分辨率测试如图5所示。由图5可以看出，DAC的低6位被噪声淹没，标准表不能测出其准确值，也就是说，标准表只能测得微差补偿装置的高20位。当k=1/8时，标准表测量数据如表3所示。表3中的数据反应了标准表的稳定性，其相对标准差在2×10-7以内。

对有源微差补偿装置在加入DAC去补偿电阻误差情况下进行多次实验，DAC补偿反向电流实验数据如表4所示，DAC补偿正向电流实验数据如表5所示。

由表1和表2可以看出，在加入DAC补偿后，对电流I2和经过微差补偿装置的实测电流IA的比值进行实验，用原表法对有源微差补偿装置的二进制比值进行测量，依靠高12位二进制分流电路结构和DAC的补偿，有源微差补偿装置的正向电流和反向电流的误差都在10-6以内。同时，结合图5，由于标准表的精度受限，有源微差补偿装置应有更高的分辨率。

4结束语

传统电流比较仪的微差补偿装置是由精密的绕线电阻组成，长期使用手动开关操作，会对电路的准确度产生影响，且工作效率低下。通过DSP控制的电流比较仪有源微差补偿装置，很好的解决了传统的微差补偿装置自动化低的问题，其误差在10-6以内，相对标准差在2×10-7以内，通过补偿系统可以解决电路精度问题。本文提出的有源微差补偿装置适用于电流比较仪的自动化控制，通过校准并优化电路设计，以合理的成本获得了较高的测试准确度和较优的测试离散性。由于有源微差补偿装置的补偿范围比较大，可使指零仪在较宽的范围内得到很好的补偿，并处于指零状态。本实验仅做到RL=10K，研究有源微差补偿装置的电路结构。当RL=10K/2m时，理论上DAC的最低有效位理论对应于IA=I1/226+m，该精度可对比例误差进行补偿。有源微差补偿装置不仅适用于磁调制电流比较仪，且适用于精度更高的低温电流比较仪，在未来发展中可用在其它电桥中。

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Design of a Current Proportional Active Differential Millisecond

Device for Current ComparatorHAN Bo  CHI Zongtao  LIU Yonggang

（1. The College of Electronic Information，  Qingdao University，  Qingdao 266071，  China;）

2. Hunan Yinhe Electric CO.， Ltd， Changsha 410010， China）Abstract：  Aiming at the problems of low automation level and easy influence of resistance accuracy of current comparator millisecond compensation device，  this paper designs a current proportional active millisecond compensation device of current comparator with high accuracy，  convenient calibration and high automation level. The device is a 12 bit binary active millisecond compensation device based on single chip microcomputer. It uses an additional 16 bit digital to analog converter （DAC） to flexibly correct the binary proportional error of the compensation device，  which can effectively improve the accuracy of the current comparator and improve the theoretical resolution of binary shunt ratio to 28 bits. The device is based on digital signal processing. The embedded digital circuit of digital signal processing （DSP） realizes the control and algorithm of the system. The experiment of the device is carried out by the source table method. The error of the active millisecond compensation device is 10-6 and the relative standard deviation is 10-7. This research provides a reference for improving the automation level of the current comparator and solving the resistance error by compensation.

Key words： current comparator; millisecond compensation device; DAC; DSP

收稿日期： 20210825; 修回日期： 20211129

基金項目：  国家重点研发计划资助项目（2018YFF01012605）

作者简介：  韩博（1996），男，硕士研究生，主要研究方向为电流比较仪。

通信作者：  迟宗涛（1964），男，教授，主要研究方向为传感器与信息处理等。Email： zoc545s@163.com