交流电流、电压、功率标准源

　　一、引言

　　在交流仪表和变送器的校验中,使用标准电流、电压源是一种高效率的方法。但是标准源价格昂贵,多数标准源还不具备功率标准源的功能。因此目前国内大多数用户仍使用标准表和被试仪表在高稳定电源下相互比较的方法进行仪表的校验,但这类原理的校验台工作效率较低且笨重。为了改变上述状况,我们研究了一种简易的交流电流、电压、功率标准源以满足变送器和交流仪表校验的需要。

　　二、基本方案讨论

　　标准源兼有高稳定交流电源和标准仪表二种功能,可直接给出一定准确度的电流和电压值。通常标准电流、电压源由直流(或交流)参考基准、AC/DC变换器、信号发生器、标准功率放大器、比例设置电路和相位调整电路和控制电路等单元组成。信号发生器可以是模拟振荡器,也可以是由D/A变换器或脉宽调制器构成的正弦波发生器电路。脉宽调制器构成的信号源效率较高,甚至可以省去功率放大级直接输出,但需要高效率的滤波电路配合,由此构成的标准功率源的线路较复杂。模拟振荡器在单相应用时最为简单。稳幅调节单元通常可以从输出端采样,经AC/DC变换后和直流基准比较控制信号源的幅度。也可将信号源按上述方式形成闭环控制得到高准确度小功率输出,再经功放各自独立形成闭环。两种反馈方式中前者粗看似乎更能有效地保持输出电压与参考电压的一致性。因为它的反馈回路包含了可能引起误差的所有环节,实际这种大闭环回路包含较多的电路单元,其高频相移限制了开环放大系数,因此实际结果未必比各单元各自独立闭环的情况下的稳定性和准确度更好。此外后者便于形成单元独立模块结构,便于调试和使用。据此我们采用图1所示的基本方案。其中信号源输出经AC/DC变换为直流与控温的直流基准比较,其比较偏差值经放大后用来调整正弦信号源幅度,直到AC/DC平衡为止,得到一个恒定的已知值的正弦信号作为交流参考标准,它经倍率调节电路输入到功放级,而后输出由比例调节电路所设定的已知电压值。另一路经同相比例调节和90°移相后经比例调节再相加求和,然后输入功率跨导放大器作V/I转换,输出由比例调节给定的电流值。在功率表校验时分别由同相比例调节和90°分量二组比例调节器设置的有功和无功电流二分量的大小。

　　三、交流参考标准

　　交流参考标准由振荡器, AC/DC变换器,直流参考标准和测差反馈控制电路组成,其原理电路如图2所示。其中运放A1和R1C1、R2C2、R3R4以及场效应管FET组成文氏振荡器,产生正弦波,它的输出经精密比例运放A2输入到由A3和D1、D2、R7、R8和2R8组成的精密全波整流电路,再变为直流。其平均值经2R8和R9输入到A4和C3等组成的积分电路与带有控温的直流基准电压Ur进行比较,其之间的偏差经积分后通过运放A5控制场效应管FET的导通电阻,使振荡器输出幅度锁定在直流参考电压Ur所给定的数值上。具有平均值转换特性的AC/DC转换器结构简单稳定性好,虽与真有效值转换器转换系数在不同波形时有所差别,但在给定的波形下,它们之间只相差一个比例系数,只要校准这一常数就可以给出真有效值标度的输出。交流参考标准的稳定度主要取决于直流参考标准及AC/DC变换环节的稳定性以及积分放大器的直流漂移。当使用开环放大系数为106左右,失调电压漂移小于10μV的宽频运放时,在工频下实验表明,交流参考电压单元的输出电压一年内变化小于5×10-5。