应用于互感器校验仪自动检定的标准源设计

汪应龙 翟少磊 朱全聪 刘爱莲 李川 顾红波

摘要：为了实现互感器校验仪自动检定，并满足一定的高精度和高稳定要求，设计了一种0.05级的标准信号源?采用STM32F205作为核心处理器，EP1K30QC208-3N芯片作为中央执行单元，DAC7744芯片作为转换器，

功放电路中分别对电压源和电流源进行反馈设计。测试结果表明，设计的该标准源系统在输出信号的准确度和失真度两方面同时满足国家标准和最初的设计要求。其中电流信号的最低准确度为0.0142%，电压信号的最低准确度为0.01758%，兩者均满足准确度小于0.05%的要求；电流信号的最大失真度为0.08%，电压信号的最大失真度为0.09%，两者均满足失真度小于0.2%的要求。

关键词：互感器校验仪自动检定；0.05级标准源；准确度；失真度

中图分类号：TP273 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.030

引言

目前，我国大多数研究院专业所、高校以及各个厂商所采用的互感器校验仪整检装置都是电工式互感器校验仪整检装置。此类整检装置选择采用手动调压器进行升压，再通过升压/流器给出测试信号，然后通过标准电阻、电容或互感器等器件输出测试信号，输出的测试信号再通过带标准负载或移相电路的方式进行差值电压电流信号输出。这种信号输出方式主要存在由于手动调节和运用了标准负载（阻容、互感器）的形式导致输出的信号稳定性和精确性不够的缺陷。

为了提高信号高稳定和高精度的输出，在实现互感器校验仪检定自动化过程中设计出一种0.05级标准信号源，输出电压信号和电流信号。完全避免使用传统的信号输出方式，达到输出高精度高稳定信号的目的。

1 标准源系统设计

本文设计了一种互感器校验仪检定专用标准源，解决了现有技术中需要人工操作的非智能化问题，以及避免使用不稳定的标准电阻、电容等器件，使得电源的准确度和稳定性得到很好的提升效果。

1.1 系统模型结构

标准源中主要包括有采样模数转换模块，数模转换模块、数据处理模块、功放模块以及中央执行单元。各模块连接图如图1所示。

数据处理模块将需要输出的数据进行程序计算，在数模转换模块中，一个D/A转换芯片具有四个通道分别产生电压、电流、差压和差流的原始模拟量信号，然后分别进入功放501、502、503和504。这四个功放分别将模拟量信号放大推动至隔离升压器701，703和升流器702，704。其中，隔离升压器701输出电压即为互感器校验仪检测电压Up，隔离升流器702输出电流即为互感器校验仪检测电流IP。而隔离升压器703输出电压进入精密电压互感器901隔离输出，微处理器通过中央执行单元和量程切换模块控制继电器选择901输出的变比，901输出的信号即为互感器校验仪检测差值电压AU。同理，精密电流互感器902输出的信号即为互感器校验仪检测差值电流Ai。

得到4组信号的幅度大小以及相位关系，并将4组D/A数据列表计算好后下载到中央执行单元；中央执行单元根据幅度大小对D/A列表进行自动乘法运算，之后根据相位关系按照要求的时序发送给数模转换模块；数模转换模块按照时序数模转换出4个正弦波信号给功放模块；功放模块将信号放大推动，通过隔离升压变压器/升流器将电压/电流信号输出至被检互感器校验仪。差值信号的输出则需提前通过电压/电流精密互感器，然后再输出至互感器校验仪。

更为详细的标准源系统工作框图如图2所示：

1.2 标准源电路板设计

标准源信号生成由ARM将量化的正弦波数据存放到SDRM模块中，通过一定的时序，按一定的时间间隔，由FPGA自动读取相应的数据，同时乘以相应的信号幅度数据，然后送到16位D/A转换，生成标准源的信号，输出至互感器校验仪进行检定。标准源电路板实物图如图3所示，接下来介绍其中主要的硬件电路设计。

2 标准源系统硬件电路设计

2.1 微处理器与中央执行单元

由于在标准源系统的硬件电路设计中，需要达到一个D/A转换芯片具有四个通道输出4组原始模拟量信号的目的，而且这4路原始模拟量信号需要进行多点数的同步采样，数据计算量庞大，因此在采用微处理器时首要考虑的是其性能是否优异。ARM架构Cortex-M3内核、32位处理器STM32F205具有强大的指令运算功能和数据处理能力，很容易实现各种控制算法及高速实时采样，可提高系统的工作效率。因此该处理器满足本系统的设计需求，处理器原理图如图4所示。

中央执行单元核心元件为FPGA，FPGA是采用Altera公司的EP1K30QC208-3N芯片，拥有30000门电路，频率达到80MHz，速度级数为3，总比特数是24576。这样可以满足高精度信号源设计的要求，完成所有数字逻辑运算，稳定可靠，而且处理速率极快[6_8]。

2.2 D/A转换电路

D/A转换器的作用是将数字信号转为模拟信号，在标准源系统硬件电路设计中采用TI公司的成熟芯片DAC7744。该芯片16位高精度四路电压型模拟量输出，正好适合本研究项目4路信号源的需求。它的调节细度1：32768，输出电压范围为-15V?+15V，因而16位D/A转换的幅值分辨率为，可以达到高精度的要求。DAC7744的电路连接图如图5所示。

2.3 功放电路设计

高稳定、高精度数字程序控制标准源的设计是互感器校验仪自动检定装置设计的核心，而程控电压电流源功放电路的准确性和稳定性研究又是高稳定、高精度数字程序控制标准源设计的关键，从而能够保证自动检定装置的性能。因此，高稳定、高精度数字程序控制标准源设计的核心就在于其功放电路准确性和稳定性的设计。在此电路中，无论电压源设计还是电流源设计，均采用全闭环输出，保证输出准确度高、稳定度好。

2.3.1 电压源设计

电压源功放电路原理图如图6所示，电压源采用线性功放加开关电源供电，既保持了线性功放失真度低，稳定度高的优点，又降低了电源功耗，提升了效率。

设计的该电压源具有100V和57.7V两个档位输出。电压源在输出电压反馈处理中选择采用全反馈电路，达到提高电压输出准确度的目的。电压输出满足以下技术指标：

档位：57.5V、100V；

调节范围：0?120%RG；稳定度：0.01%（2mm）；失真度：<0.2%；准确度：0.05%RG；

输出容量：25VA。

2.3.2 电流源设计

电流源功放电路原理图如图7所示，在高精度大电流标准源的设计过程中，一个关键性的技术问题就是电流取样反馈环节的设计。在本设计中，电流反馈处理采用磁通补偿反馈电路提高电流输出的精度。

该电流源输出电流5A，通过信号调幅外加高精度电流互感器实现电流多档位输出。在电流反馈处理中选择采用磁通补偿反馈电路，提高电流输出的精度。电流输出满足以下技术指标：

档位：5A、1A、500mA、100mA、50mA、10mA；稳定度：0.01%（2min）；失真度：<0.2%；准确度：0.05%RG；输出容量：25VA。

在D/A转换电路输出4路原始模拟量信号的过程中，采取大功率的三极管阵列电路推动隔离升压器或升流器输出的方法，每路测试信号容量可达到30VA。其中，一路为5A或1A标准电流信号i；一路为100V或57.7V标准电压信号；一路为pA级至mA级标准差值电流信号Ai；—路为mV级至V级标准差值电压信号Au。这样可以确保每路信号的输出准确度均在0.05%，稳定度均为0.005%/lmin，波形失真度都是小于0.1%。

3 测试结果分析

为了验证提出的局精度、局稳定标准源系统设计方法的有效性和实用性，进行5组验证实验。采用某公司生产的6位半万用表检测标准源输出的电压、电流、差值电压以及差值电流，在测试过程中根据档位值设定不同的量程以及记录信号输出幅值，并对测试结果（选取工作电压和工作电流测试数据）进行定量分析。信号的幅值准确度可以证明输出信号的幅值是否稳定，失真度（THD）可以证明输出信号是否发生失真，无限接近于完美波形，同时借鉴文献中的失真度研究方法。因此在测试过程中，米用正弦信号作为测试信号，信号的幅值准确度和失真度作为验证对象。

对于信号幅值准确度的计算公式为：假设测得的数据为，准确度就为值

标称值。对于失真度的计算公式为：，其中是基波有效值，是次谐波有效值。

3.1 信号幅值准确度

工作电流及丁作电压的测试结果分别如表1和表2所示。当输出电流在5A档、百分表在10%时，输出的电流准确度最低，为0.0294%；当输出电流在1A档、百分表在20%时，输出的电流准确度最高，为0.006%。均满足0.05%的准确度要求。

在100V档位输出的工作电压准确度为0.01025%，57.5V档位输出的准确度为0.01758%，这两个值也都满足0.05%的准确度要求。

3.2 失真度

失真度是输出信号中基频信号各谐波分量的均方根电压/电流值与输出信号的基波电压/电流值之比。结果如下表3所示。

对于电流源，失真度最大值为0.08%，小于設计要求的失真度0.2%；对于电压源，失真度最大值是0.09%，同样小于设计要求的失真度0.2%。所以，该标准源系统的输出信号失真度均小于0.2%，都满足设计要求。

4 结论

本文提出了一种标准源系统设计方法，能够帮助实现互感器校验仪自动检定，并满足一定的高精度和高稳定要求。对该标准源系统的测试结果表明，在输出信号的准确度和失真度两方面同时满足国家标准和设计要求。为了进一步提高标准源的性能，更加方便及智能地应用在互感器校验仪自动检定系统中，接下来的研究重点是：

（1）为能够使该标准源系统很好地应用于互感器校验仪自动检定装置，需要根据体积和重量的考虑对系统进行合理的电子式设计；

（2）加入一个采样电路并组成闭环回路，运用某种控制算法比如PID算法，对输出的电压电流信号实行反馈控制，以此提高标准源系统的设计精度并实现快速地精度调整；

（3）为了多方面确认该系统能对互感器校验仪自动检定提供高精度高稳定的测试信号，需要进行更多的系统性能测试。比如信号的稳定度测试，频率的准确度测试，信号谐波含量测试以及纹波系数测试等；

（4）进行降低标准源系统噪声的研究，可以进一步提局信号稳定度。