應(yīng)用于互感器校驗儀自動檢定的標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)計

汪應(yīng)龍 翟少磊 朱全聰 劉愛蓮 李川 顧紅波

摘要：為了實現(xiàn)互感器校驗儀自動檢定，并滿足一定的高精度和高穩(wěn)定要求，設(shè)計了一種0.05級的標(biāo)準(zhǔn)信號源?采用STM32F205作為核心處理器，EP1K30QC208-3N芯片作為中央執(zhí)行單元，DAC7744芯片作為轉(zhuǎn)換器，

功放電路中分別對電壓源和電流源進(jìn)行反饋設(shè)計。測試結(jié)果表明，設(shè)計的該標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)在輸出信號的準(zhǔn)確度和失真度兩方面同時滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和最初的設(shè)計要求。其中電流信號的最低準(zhǔn)確度為0.0142%，電壓信號的最低準(zhǔn)確度為0.01758%，兩者均滿足準(zhǔn)確度小于0.05%的要求；電流信號的最大失真度為0.08%，電壓信號的最大失真度為0.09%，兩者均滿足失真度小于0.2%的要求。

關(guān)鍵詞：互感器校驗儀自動檢定；0.05級標(biāo)準(zhǔn)源；準(zhǔn)確度；失真度

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A DOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.030

引言

目前，我國大多數(shù)研究院專業(yè)所、高校以及各個廠商所采用的互感器校驗儀整檢裝置都是電工式互感器校驗儀整檢裝置。此類整檢裝置選擇采用手動調(diào)壓器進(jìn)行升壓，再通過升壓/流器給出測試信號，然后通過標(biāo)準(zhǔn)電阻、電容或互感器等器件輸出測試信號，輸出的測試信號再通過帶標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載或移相電路的方式進(jìn)行差值電壓電流信號輸出。這種信號輸出方式主要存在由于手動調(diào)節(jié)和運用了標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載（阻容、互感器）的形式導(dǎo)致輸出的信號穩(wěn)定性和精確性不夠的缺陷。

為了提高信號高穩(wěn)定和高精度的輸出，在實現(xiàn)互感器校驗儀檢定自動化過程中設(shè)計出一種0.05級標(biāo)準(zhǔn)信號源，輸出電壓信號和電流信號。完全避免使用傳統(tǒng)的信號輸出方式，達(dá)到輸出高精度高穩(wěn)定信號的目的。

1 標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計了一種互感器校驗儀檢定專用標(biāo)準(zhǔn)源，解決了現(xiàn)有技術(shù)中需要人工操作的非智能化問題，以及避免使用不穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電阻、電容等器件，使得電源的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性得到很好的提升效果。

1.1 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)源中主要包括有采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、功放模塊以及中央執(zhí)行單元。各模塊連接圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)處理模塊將需要輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行程序計算，在數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊中，一個D/A轉(zhuǎn)換芯片具有四個通道分別產(chǎn)生電壓、電流、差壓和差流的原始模擬量信號，然后分別進(jìn)入功放501、502、503和504。這四個功放分別將模擬量信號放大推動至隔離升壓器701，703和升流器702，704。其中，隔離升壓器701輸出電壓即為互感器校驗儀檢測電壓Up，隔離升流器702輸出電流即為互感器校驗儀檢測電流IP。而隔離升壓器703輸出電壓進(jìn)入精密電壓互感器901隔離輸出，微處理器通過中央執(zhí)行單元和量程切換模塊控制繼電器選擇901輸出的變比，901輸出的信號即為互感器校驗儀檢測差值電壓AU。同理，精密電流互感器902輸出的信號即為互感器校驗儀檢測差值電流Ai。

得到4組信號的幅度大小以及相位關(guān)系，并將4組D/A數(shù)據(jù)列表計算好后下載到中央執(zhí)行單元；中央執(zhí)行單元根據(jù)幅度大小對D/A列表進(jìn)行自動乘法運算，之后根據(jù)相位關(guān)系按照要求的時序發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊按照時序數(shù)模轉(zhuǎn)換出4個正弦波信號給功放模塊；功放模塊將信號放大推動，通過隔離升壓變壓器/升流器將電壓/電流信號輸出至被檢互感器校驗儀。差值信號的輸出則需提前通過電壓/電流精密互感器，然后再輸出至互感器校驗儀。

更為詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)工作框圖如圖2所示：

1.2 標(biāo)準(zhǔn)源電路板設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)源信號生成由ARM將量化的正弦波數(shù)據(jù)存放到SDRM模塊中，通過一定的時序，按一定的時間間隔，由FPGA自動讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時乘以相應(yīng)的信號幅度數(shù)據(jù)，然后送到16位D/A轉(zhuǎn)換，生成標(biāo)準(zhǔn)源的信號，輸出至互感器校驗儀進(jìn)行檢定。標(biāo)準(zhǔn)源電路板實物圖如圖3所示，接下來介紹其中主要的硬件電路設(shè)計。

2 標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 微處理器與中央執(zhí)行單元

由于在標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計中，需要達(dá)到一個D/A轉(zhuǎn)換芯片具有四個通道輸出4組原始模擬量信號的目的，而且這4路原始模擬量信號需要進(jìn)行多點數(shù)的同步采樣，數(shù)據(jù)計算量龐大，因此在采用微處理器時首要考慮的是其性能是否優(yōu)異。ARM架構(gòu)Cortex-M3內(nèi)核、32位處理器STM32F205具有強(qiáng)大的指令運算功能和數(shù)據(jù)處理能力，很容易實現(xiàn)各種控制算法及高速實時采樣，可提高系統(tǒng)的工作效率。因此該處理器滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需求，處理器原理圖如圖4所示。

中央執(zhí)行單元核心元件為FPGA，F(xiàn)PGA是采用Altera公司的EP1K30QC208-3N芯片，擁有30000門電路，頻率達(dá)到80MHz，速度級數(shù)為3，總比特數(shù)是24576。這樣可以滿足高精度信號源設(shè)計的要求，完成所有數(shù)字邏輯運算，穩(wěn)定可靠，而且處理速率極快[6_8]。

2.2 D/A轉(zhuǎn)換電路

D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)為模擬信號，在標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)硬件電路設(shè)計中采用TI公司的成熟芯片DAC7744。該芯片16位高精度四路電壓型模擬量輸出，正好適合本研究項目4路信號源的需求。它的調(diào)節(jié)細(xì)度1：32768，輸出電壓范圍為-15V?+15V，因而16位D/A轉(zhuǎn)換的幅值分辨率為，可以達(dá)到高精度的要求。DAC7744的電路連接圖如圖5所示。

2.3 功放電路設(shè)計

高穩(wěn)定、高精度數(shù)字程序控制標(biāo)準(zhǔn)源的設(shè)計是互感器校驗儀自動檢定裝置設(shè)計的核心，而程控電壓電流源功放電路的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性研究又是高穩(wěn)定、高精度數(shù)字程序控制標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)計的關(guān)鍵，從而能夠保證自動檢定裝置的性能。因此，高穩(wěn)定、高精度數(shù)字程序控制標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)計的核心就在于其功放電路準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的設(shè)計。在此電路中，無論電壓源設(shè)計還是電流源設(shè)計，均采用全閉環(huán)輸出，保證輸出準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定度好。

2.3.1 電壓源設(shè)計

電壓源功放電路原理圖如圖6所示，電壓源采用線性功放加開關(guān)電源供電，既保持了線性功放失真度低，穩(wěn)定度高的優(yōu)點，又降低了電源功耗，提升了效率。

設(shè)計的該電壓源具有100V和57.7V兩個檔位輸出。電壓源在輸出電壓反饋處理中選擇采用全反饋電路，達(dá)到提高電壓輸出準(zhǔn)確度的目的。電壓輸出滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

檔位：57.5V、100V；

調(diào)節(jié)范圍：0?120%RG；穩(wěn)定度：0.01%（2mm）；失真度：<0.2%；準(zhǔn)確度：0.05%RG；

輸出容量：25VA。

2.3.2 電流源設(shè)計

電流源功放電路原理圖如圖7所示，在高精度大電流標(biāo)準(zhǔn)源的設(shè)計過程中，一個關(guān)鍵性的技術(shù)問題就是電流取樣反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計。在本設(shè)計中，電流反饋處理采用磁通補(bǔ)償反饋電路提高電流輸出的精度。

該電流源輸出電流5A，通過信號調(diào)幅外加高精度電流互感器實現(xiàn)電流多檔位輸出。在電流反饋處理中選擇采用磁通補(bǔ)償反饋電路，提高電流輸出的精度。電流輸出滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

檔位：5A、1A、500mA、100mA、50mA、10mA；穩(wěn)定度：0.01%（2min）；失真度：<0.2%；準(zhǔn)確度：0.05%RG；輸出容量：25VA。

在D/A轉(zhuǎn)換電路輸出4路原始模擬量信號的過程中，采取大功率的三極管陣列電路推動隔離升壓器或升流器輸出的方法，每路測試信號容量可達(dá)到30VA。其中，一路為5A或1A標(biāo)準(zhǔn)電流信號i；一路為100V或57.7V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號；一路為pA級至mA級標(biāo)準(zhǔn)差值電流信號Ai；—路為mV級至V級標(biāo)準(zhǔn)差值電壓信號Au。這樣可以確保每路信號的輸出準(zhǔn)確度均在0.05%，穩(wěn)定度均為0.005%/lmin，波形失真度都是小于0.1%。

3 測試結(jié)果分析

為了驗證提出的局精度、局穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)設(shè)計方法的有效性和實用性，進(jìn)行5組驗證實驗。采用某公司生產(chǎn)的6位半萬用表檢測標(biāo)準(zhǔn)源輸出的電壓、電流、差值電壓以及差值電流，在測試過程中根據(jù)檔位值設(shè)定不同的量程以及記錄信號輸出幅值，并對測試結(jié)果（選取工作電壓和工作電流測試數(shù)據(jù)）進(jìn)行定量分析。信號的幅值準(zhǔn)確度可以證明輸出信號的幅值是否穩(wěn)定，失真度（THD）可以證明輸出信號是否發(fā)生失真，無限接近于完美波形，同時借鑒文獻(xiàn)中的失真度研究方法。因此在測試過程中，米用正弦信號作為測試信號，信號的幅值準(zhǔn)確度和失真度作為驗證對象。

對于信號幅值準(zhǔn)確度的計算公式為：假設(shè)測得的數(shù)據(jù)為，準(zhǔn)確度就為值

標(biāo)稱值。對于失真度的計算公式為：，其中是基波有效值，是次諧波有效值。

3.1 信號幅值準(zhǔn)確度

工作電流及丁作電壓的測試結(jié)果分別如表1和表2所示。當(dāng)輸出電流在5A檔、百分表在10%時，輸出的電流準(zhǔn)確度最低，為0.0294%；當(dāng)輸出電流在1A檔、百分表在20%時，輸出的電流準(zhǔn)確度最高，為0.006%。均滿足0.05%的準(zhǔn)確度要求。

在100V檔位輸出的工作電壓準(zhǔn)確度為0.01025%，57.5V檔位輸出的準(zhǔn)確度為0.01758%，這兩個值也都滿足0.05%的準(zhǔn)確度要求。

3.2 失真度

失真度是輸出信號中基頻信號各諧波分量的均方根電壓/電流值與輸出信號的基波電壓/電流值之比。結(jié)果如下表3所示。

對于電流源，失真度最大值為0.08%，小于設(shè)計要求的失真度0.2%；對于電壓源，失真度最大值是0.09%，同樣小于設(shè)計要求的失真度0.2%。所以，該標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)的輸出信號失真度均小于0.2%，都滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)設(shè)計方法，能夠幫助實現(xiàn)互感器校驗儀自動檢定，并滿足一定的高精度和高穩(wěn)定要求。對該標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)的測試結(jié)果表明，在輸出信號的準(zhǔn)確度和失真度兩方面同時滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求。為了進(jìn)一步提高標(biāo)準(zhǔn)源的性能，更加方便及智能地應(yīng)用在互感器校驗儀自動檢定系統(tǒng)中，接下來的研究重點是：

（1）為能夠使該標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)很好地應(yīng)用于互感器校驗儀自動檢定裝置，需要根據(jù)體積和重量的考慮對系統(tǒng)進(jìn)行合理的電子式設(shè)計；

（2）加入一個采樣電路并組成閉環(huán)回路，運用某種控制算法比如PID算法，對輸出的電壓電流信號實行反饋控制，以此提高標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)的設(shè)計精度并實現(xiàn)快速地精度調(diào)整；

（3）為了多方面確認(rèn)該系統(tǒng)能對互感器校驗儀自動檢定提供高精度高穩(wěn)定的測試信號，需要進(jìn)行更多的系統(tǒng)性能測試。比如信號的穩(wěn)定度測試，頻率的準(zhǔn)確度測試，信號諧波含量測試以及紋波系數(shù)測試等；

（4）進(jìn)行降低標(biāo)準(zhǔn)源系統(tǒng)噪聲的研究，可以進(jìn)一步提局信號穩(wěn)定度。