一種電流比較儀電流比例有源微差補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)

韓博　遲宗濤　劉永剛

文章編號(hào)： 10069798（2022）01009106; DOI： 10.13306/j.10069798.2022.01.014

摘要：? 本文針對(duì)電流比較儀微差補(bǔ)償裝置自動(dòng)化水平低，精確度易受電阻精度影響等問題，設(shè)計(jì)了一種高準(zhǔn)確度、校準(zhǔn)方便且自動(dòng)化水平高的電流比較儀電流比例有源微差補(bǔ)償裝置。該裝置基于單片機(jī)的12位二進(jìn)制有源微差補(bǔ)償裝置，采用附加16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（digital to analog converter，DAC）靈活修正補(bǔ)償裝置二進(jìn)制比例誤差，可有效提高電流比較儀的準(zhǔn)確度，并將二進(jìn)制分流比例理論分辨率提升至28位，該裝置采用基于數(shù)字信號(hào)處理（digital signal processing，DSP）的嵌入式數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和算法，并通過源表法對(duì)該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有源微差補(bǔ)償裝置的誤差為10-6，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為2×10-7。該研究為提高電流比較儀的自動(dòng)化水平和用補(bǔ)償方式解決電阻誤差提供了參考。

關(guān)鍵詞：? 電流比較儀; 微差補(bǔ)償裝置; DAC; DSP

中圖分類號(hào)： TM933.11+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，微弱電流信號(hào)的檢測(cè)變得日益迫切，并廣泛應(yīng)用于軍事及醫(yī)療等科學(xué)研究領(lǐng)域[1]。因此，對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)要求及測(cè)量精度越來越高，微弱信號(hào)易受干擾，噪聲來源除了信號(hào)本身噪聲外，還包括放大電路的噪聲[1]。由于我國正在嘗試建立電阻標(biāo)準(zhǔn)，為了完成電阻標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞工作，需要研究相應(yīng)的測(cè)量裝置[2]。測(cè)量過程就是把標(biāo)準(zhǔn)量與被測(cè)量進(jìn)行比較，求得兩者之間的比例值，其比例值是否精準(zhǔn)對(duì)于測(cè)量過程極為重要，不斷提高比例值的準(zhǔn)確度也成為人們的一種持續(xù)追求。磁調(diào)制電流比較儀由于可以給出任意值的電流比例，準(zhǔn)確度達(dá)到10-7量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量領(lǐng)域的一次飛躍。目前，大部分計(jì)量實(shí)驗(yàn)室中，磁調(diào)制電流比較儀仍然起著舉足輕重的作用[3]。電流比較儀作為一種高準(zhǔn)確度比例器件在電流測(cè)量中發(fā)揮重要作用，電流比較儀具有靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，因此被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室以及工業(yè)中[411]。近年來，國內(nèi)外相關(guān)科研人員都對(duì)其精度的提高設(shè)計(jì)提出科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，用運(yùn)算放大電路構(gòu)成的模擬式前饋和反饋微差補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員反復(fù)調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)電流比較儀磁勢(shì)平衡[1213]，其自動(dòng)化水平低?；诖?，需要設(shè)計(jì)一種高準(zhǔn)確度，校準(zhǔn)方便，自動(dòng)化水平高的設(shè)計(jì)方式替代傳統(tǒng)的差分補(bǔ)償裝置。因此，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)基于DSP控制的微差補(bǔ)償裝置，采用二進(jìn)制分流方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)小電流的控制，并對(duì)微差補(bǔ)償裝置進(jìn)行多次測(cè)試實(shí)驗(yàn)。該研究對(duì)電流比較儀小電流精度的提高具有重要意義。

1磁調(diào)制電流比較儀電橋

磁調(diào)制電流比較儀電橋結(jié)構(gòu)[1419]如圖1所示。圖1中，主動(dòng)電流源的電流I1和從動(dòng)電流源的電流I2分別通過標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、待測(cè)電阻R2及電流比較儀2個(gè)繞組，其匝數(shù)為N1和N2。當(dāng)2個(gè)繞組產(chǎn)生的磁通大小相等、方向相反時(shí)，磁通為

其中，Ф1和Ф2分別表示原邊和副邊上的磁通。

根據(jù)磁路定律，此時(shí)兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)關(guān)系為

電流比等于匝數(shù)反比，電流流過標(biāo)準(zhǔn)電阻R1和R2，為比較兩個(gè)電阻比值，使指零儀達(dá)到平衡，電阻兩端電壓為

式中，ΔU為指零儀讀數(shù)。

由于原副邊繞組的匝數(shù)均為整數(shù)匝，被比較電阻實(shí)際比例不完全等于匝數(shù)比，必須設(shè)計(jì)一個(gè)裝置進(jìn)行補(bǔ)償，即電流比例微差補(bǔ)償裝置。用微差補(bǔ)償裝置去逼近電阻實(shí)際比例，在電橋上反映為指零儀指零，分流比例準(zhǔn)確度要求在10-7及以上。改進(jìn)的磁調(diào)制電流比較儀電橋結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2中，在從動(dòng)電流源支路上，加一微差補(bǔ)償裝置，把從動(dòng)電流源支路上的電流分出一路IA。

2微差補(bǔ)償裝置

由于傳統(tǒng)的微差補(bǔ)償裝置效率不高，自動(dòng)化水平低，為使其操作和自動(dòng)化更加方便，用有源電路代替無源電路，微差補(bǔ)償單元應(yīng)優(yōu)先納入其中，因?yàn)槠涔妮^小，不需要具有大輸出電流驅(qū)動(dòng)的運(yùn)算放大器，可以簡(jiǎn)化該裝置的電子設(shè)計(jì)。由于電路中有源元件附加噪聲的影響，因此實(shí)驗(yàn)的前提是假設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中，輔助繞組只有1匝，即NA=1[20]。有源微差補(bǔ)償裝置示意圖如圖3所示，圖3展示了帶有電流量程選擇器的二進(jìn)制補(bǔ)償單元設(shè)計(jì)。其中，RL為反相比例電阻，RL=10 K，RH為12位二進(jìn)制可調(diào)電阻，RV為限流電阻，RV=32 R。所有組件都是由電池供電，并封裝在一個(gè)金屬盒中。RH為12位二進(jìn)制模塊，RH電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4中，R=10 K。

根據(jù)電流分流比，得

其中，k為電流二進(jìn)制比例數(shù)值，其方向與NA相對(duì)于N2的方向相關(guān)，大小為RL/RH。

由式（2）可得

由式（6）可得

其中，ΔU表示電流比較儀電橋U之間的電壓差;I2R2表示從動(dòng)電流源支路上的峰值電壓差，該比例量化了橋的不平衡[20]。

通過電阻R2和相應(yīng)繞組N2的電流I2經(jīng)過放大器后，在X點(diǎn)處輸出電壓UX，其大小為-I2RL，電壓UX經(jīng)過電阻RH，轉(zhuǎn)換成電流在Y點(diǎn)進(jìn)行輸出。為提高其準(zhǔn)確度，可接入一個(gè)DAC。經(jīng)過放大器，得到IA=-UX/RH，或者k = IA/I2=RL/RH。所有開關(guān)和DAC都由DSP進(jìn)行控制。在圖3的UX/32處，接入一個(gè)16位DAC，再經(jīng)過一個(gè)電阻RV=32RL。如果IX= UX/RL，DAC的取值區(qū)間為-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，接入一個(gè)2R電阻，輸出一個(gè)IX/2 048的偏置電流。使DAC取值變?yōu)?IX/1 024到IX/1 024之間。當(dāng)12位開關(guān)都處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，結(jié)合DAC取值區(qū)間，且當(dāng)DAC取值8000H時(shí)，即可抵消輸出誤差，使輸出為零。當(dāng)RL = 10 K時(shí)，DAC的最低有效位理論對(duì)應(yīng)于IA = I2/226。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)將電流I2和經(jīng)過微差補(bǔ)償裝置的實(shí)測(cè)電流IA的比值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)微差補(bǔ)償裝置的比例進(jìn)行測(cè)試，其比值為

其中，Δ為電流測(cè)試值與理論值偏差的1/k倍;k取值為1/2X-1;X的取值為1～12的常數(shù)，代表微差補(bǔ)償裝置的二進(jìn)制位。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境（20±05 ℃），利用經(jīng)過校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)源輸出1 mA電流和標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行檢測(cè)。無DAC反向電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，無DAC正向電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

由表1和表2可以看出，在無DAC補(bǔ)償時(shí)，只依靠高12位二進(jìn)制分流電路結(jié)構(gòu)，其正向電流和反向電流的誤差都在10-3以內(nèi)，誤差較大。在加DAC前，先測(cè)試DAC的分辨率和穩(wěn)定性，DAC 13位分辨率測(cè)試如圖5所示。由圖5可以看出，DAC的低6位被噪聲淹沒，標(biāo)準(zhǔn)表不能測(cè)出其準(zhǔn)確值，也就是說，標(biāo)準(zhǔn)表只能測(cè)得微差補(bǔ)償裝置的高20位。當(dāng)k=1/8時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。表3中的數(shù)據(jù)反應(yīng)了標(biāo)準(zhǔn)表的穩(wěn)定性，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差在2×10-7以內(nèi)。

對(duì)有源微差補(bǔ)償裝置在加入DAC去補(bǔ)償電阻誤差情況下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，DAC補(bǔ)償反向電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，DAC補(bǔ)償正向電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

由表1和表2可以看出，在加入DAC補(bǔ)償后，對(duì)電流I2和經(jīng)過微差補(bǔ)償裝置的實(shí)測(cè)電流IA的比值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用原表法對(duì)有源微差補(bǔ)償裝置的二進(jìn)制比值進(jìn)行測(cè)量，依靠高12位二進(jìn)制分流電路結(jié)構(gòu)和DAC的補(bǔ)償，有源微差補(bǔ)償裝置的正向電流和反向電流的誤差都在10-6以內(nèi)。同時(shí)，結(jié)合圖5，由于標(biāo)準(zhǔn)表的精度受限，有源微差補(bǔ)償裝置應(yīng)有更高的分辨率。

4結(jié)束語

傳統(tǒng)電流比較儀的微差補(bǔ)償裝置是由精密的繞線電阻組成，長(zhǎng)期使用手動(dòng)開關(guān)操作，會(huì)對(duì)電路的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響，且工作效率低下。通過DSP控制的電流比較儀有源微差補(bǔ)償裝置，很好的解決了傳統(tǒng)的微差補(bǔ)償裝置自動(dòng)化低的問題，其誤差在10-6以內(nèi)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差在2×10-7以內(nèi)，通過補(bǔ)償系統(tǒng)可以解決電路精度問題。本文提出的有源微差補(bǔ)償裝置適用于電流比較儀的自動(dòng)化控制，通過校準(zhǔn)并優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，以合理的成本獲得了較高的測(cè)試準(zhǔn)確度和較優(yōu)的測(cè)試離散性。由于有源微差補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償范圍比較大，可使指零儀在較寬的范圍內(nèi)得到很好的補(bǔ)償，并處于指零狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)僅做到RL=10K，研究有源微差補(bǔ)償裝置的電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)RL=10K/2m時(shí)，理論上DAC的最低有效位理論對(duì)應(yīng)于IA=I1/226+m，該精度可對(duì)比例誤差進(jìn)行補(bǔ)償。有源微差補(bǔ)償裝置不僅適用于磁調(diào)制電流比較儀，且適用于精度更高的低溫電流比較儀，在未來發(fā)展中可用在其它電橋中。

參考文獻(xiàn)：

[1]魯云峰， 趙建亭， 賀青， 等.基于低溫電流比較儀的微弱電流精密測(cè)量技術(shù)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)， 2013， 34（12）： 28122817.

[2]黃璐， 張鐘華， 趙偉. 交流電阻標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展[J]. 電測(cè)與儀表， 2004， 41（462）： 14.

[3]張鐘華，? 賀青. 低溫電流比較儀及其應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試， 2000， 3（1）： 311.

[4]栗營利. 磁調(diào)制式直流電流比較儀的設(shè)計(jì)與研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2014.

[5]胡小川. 磁調(diào)制式交直流電流比較儀研究[D]. 秦皇島： 燕山大學(xué)， 2014.

[6]周力任， 朱力， 潘洋. 直流電流比較儀解調(diào)方式的研究[J]. 電測(cè)與儀表， 2020， 57（3）： 148152.

[7]蔡建臻， 黃曉釘， 潘攀. 新型量子霍爾電阻樣品計(jì)量應(yīng)用研究[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào)， 2020， 41（4）： 484488.

[8]王艷萍， 魯云峰， 遲宗濤， 等. 基于零磁通電流傳感的自動(dòng)電阻電橋設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2017， 25（9）： 258261.

[9]李陽. 直流電阻比較儀[D]. 青島： 青島大學(xué)， 2017.

[10]王星維. 低溫電流比較儀自動(dòng)電阻電橋前饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 青島： 青島大學(xué)， 2016.

[11]KUSTERS N L， MACMARTIN M P. A directcurrentcomparator bridge for measuring shunts up to 20000 amperes[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1969， 18（4）： 266271.

[12]曲正偉， 王云靜. 基于電流比較儀的四端鈕阻抗電橋[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)， 2011， 32（9）： 19871992.

[13]王云靜， 王玉田， 曲正偉. 數(shù)字微差補(bǔ)償器及其在電流比較儀電橋中的應(yīng)用[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào)， 2015， 36（5）： 530534.

[14]李正坤， 張鐘華， 賀青， 等. 低溫電流比較儀動(dòng)態(tài)特性的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)， 2006， 27（8）： 825829.

[15]RIETVELD G， DE LA COURT P， VAN DEN BROM H E. Internally damped CCC for accurate measurements of small electrical currents[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2009， 58（4）： 11961201.

[16]SO E， REN S. BENNETT D A. Highcurrent highprecision openablecore AC and AC/DC current transformers[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1993， 42（2）： 571576.

[17]GROENENBOOM M， LISSER J . Accurate measurement of d. c. and a. c. by transformer[J]. Electronics and Power， 1977， 23（1）： 5255.

[18]UNSER K. Beam current transformer with d. c. to 200 MHz range[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science， 1969， 16（3）： 934938.

[19]KUSTERS N L， MACMARTIN M P . Directcurrent comparator bridge for resistance thermometry[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 1970， 19（4）： 291297.

[20]DRUNG D， GTZ M， PESEL E， et al. Aspects of application and? calibration of a binary compensation unit for cryogenic current comparator setups[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2013， 62（10）： 28202827.

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(xiàng)目：? 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2018YFF01012605）

作者簡(jiǎn)介：? 韓博（1996），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏鞅容^儀。

通信作者：? 遲宗濤（1964），男，教授，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髋c信息處理等。Email： zoc545s@163.com