1、精密交直流電表校驗裝置研制陳萬才1，朱自科1，李亞娟1（1. 云南省計量測試技術研究院，云南 昆明 650228）摘要：本文介紹云南省計量院研制的適用于模擬、數字等各原理儀表校驗的JZB型精密多功能交直流電表校驗裝置。在介紹裝置的構成及性能指標的基礎上，重點敘述了構成裝置的9080型交直流標準表、交直流功率源的基本原理、電路特點及程控軟件設計；給出了各部分的技術指標；介紹了裝置的應用情況。關鍵詞：交直流；校驗裝置；標準表；交直流功率源；程控軟件The development of precise AC and DC electric instrument calibration install

2、mentChen Wancai1,Zhu zike1,Li Yajuan1(Yunnan Technological Research Institute of Metrology & Measurement,Kunming 650228,Yunnan,China)Abstract: This paper has introduced JZB type multifunctional and precise alternating and direct electric instrument calibration installment that one kind applies t

3、o various principles instruments verifies such as simulation, digital and so on. In introducing of the installment constitution and the technical characteristic foundation, the paper has emphasis narrated basic measurement principle, the hardware electric circuit characteristic and the program contr

4、ol software design of core standard instrument of the installment that is 9080 alternating and direct standard instrument and alternating and direct electric power source, given technical specification of every part , explained that the calibration installment satisfies verifies standard of each mea

5、suring appliance.Key words: alternating and direct current; calibration installment; standard instrument; alternating and direct electric power source; program control software0 引言電參量測量儀表是電測領域最基礎、最廣泛應用的儀表。校驗這些儀表的標準裝置也是電學計量中最基礎的標準。近年來，隨著電測量原理的突破及材料和芯片技術的飛速發展，電測儀表從原理、功能到精度、量程、頻響等各技術環節都得到改善，多功能、寬量程、智能化

6、、高精度已成產品主流。電測產品技術的發展，也對校驗裝置的功能、量程、頻響、準確度等技術指標，甚至程控校驗、數據采集、智能化管理提出了更高的要求。本文從構成交直流電表校驗裝置的標準表、交直流功率源的工作原理、電路特點，到裝置的功能、性能，程控校驗管理軟件。完整地介紹了我院研制的并得到廣泛應用的交直流電表校驗裝置。 1 電測儀表校驗通用技術要求1.1 模擬儀表校驗通用技術要求模擬指示儀表根據驅動方式的不同，通常分為磁電式、電磁式、電動系、靜電系及整流系等。為達到可靠校驗這類儀表，檢定規程對校驗裝置提出了如下通用技術要求：（1）測量不確定度：應小于被檢表最大允許誤差的1/3（k取2）；（2）輔助功率

7、電源穩定度：在30s內的穩定度應不大于被檢表最大允許誤差的1/10；（3）交流畸變系數、直流紋波均1%；（4）調節細度應不低于被檢表最大允許誤差的1/10；（5）負載能力：保證驅動儀表指針到上限，而源的波形不畸變或輸出值不“失真”（標準源時，這一指標尤為重要）。（6）交流源具有變頻和輸出變頻信號的能力。以0.1級被檢表為例，標準裝置應滿足：測量不確定度：U0.02%，k=2；輔助功率源穩定度：0.01%/30s；調節細度：0.01%；交流畸變、直流紋波：1%。1.2 數字儀表校驗通用技術要求數字儀表紛繁復雜，從工作原理、顯示位數、測量速率，甚至結構檔次、功能特性，均可將儀表分成很多種類。但其校

8、驗的技術條件類似，指標如下：（1）測量不確定度：小于被檢表最大允許誤差的1/3（k取2）；（2）源穩定性及調節細度：小于被檢表最大允許誤差的1/5；（3）分辨率小于被檢表最大允許誤差的1/5； （4）交流畸變0.05%，直流紋波0.1%；（5）交流源信號在45Hz10kHz內可調；從上述技術要求可看出，無論模擬還是數字，基本技術要求是一致的。不過因為數字儀表達到的精度等級較高，因此校驗數字儀表時對裝置精度要求更高。在直接比較法檢表中，標準表的技術指標對裝置的功能和性能起決定作用。2 JZB型校驗裝置的構成我院研制的JZB型校驗裝置由數字交直流標準表、交流穩壓恒流音頻功率源、直流穩壓源、直流恒流

9、源等，通過接線轉接箱連接，在程控軟件管理下，構成完整的標準裝置。實現對交直流電壓、電流、功率、頻率、功率因數等8個電參量儀表的半程控校驗和數據自動采集存儲、證書打印等。各部分介紹如下： 3 9080型交直流標準表3.1 9080型標準表基本原理9080型交直流表由輸入變換/采樣、A/D轉換及乘法累加、數據運算/處理、I/O及顯示、通訊/打印接口等部分構成。原理如圖1。圖1 標準表原理框圖 標準表測量原理根據連續周期信號的有效值定義有：是周期為T的連續信號，則的有效值（1）。整周期、同步對（1）式進行A/D離散，以整周期內有限采樣點的累計量逼近得 （2）式中，N為單位周期采樣次數；T為信號周期；

10、um為第m-1次的采樣值；T為采樣時間。在一個周期內 （3）（3）式代入（2）式得 （4）。因此，被測量有效值為：（5）；（6）；（7）。式中、為采樣周期內各點的乘法累加值。由硬件乘法累加器完成。上述公式源自連續周期信號，適用于任何周期電流、電壓波形，即包含了表的頻響特性。 輸入變換/采樣電路.1 交直流電壓輸入電路交直流電壓采用精密分壓器進行衰減變換。分壓器電流取0.1mA1mA；電阻采用的箔式電阻。交流變換為3 V3V；直流變換為4.5V；變換后的信號由模擬開關選擇進行跟隨器阻抗變換后進入A/D轉換。.2 交直流電流輸入電路交流電流：采用無源補償多量程雙級互感器，原理如圖2。次級電流25m

11、A，采樣電阻：120，精度0.01%，溫漂0.6ppm/，。互感器使輸入信號強弱隔離。其工作原理已在多篇文章中提及，此處不在贅述。圖2 雙級互感器原理圖直流電流：采用由調制-檢測回路、調制-解調電路、初次級回路構成的多量程直流比較儀，其原理如圖3。圖3 直流比較儀原理圖圖中是由一對幾何參數相同、B-H曲線具有對稱的非線性關系的105高/奧的軟磁材料構成的調制-檢測合金環，繞有激勵/檢測繞組W1，W2。用環形高導磁率的磁屏蔽盒罩住，再分別加繞初次級繞組W初，W次，形成各自回路。用50Hz-1000Hz的方波激勵信號通過激勵繞組將合金環激勵到充分飽和，在中產生對稱磁通和奇次感應電勢。當W初通過電流

12、I初時，在中產生偶次疊加感應電壓，由檢測繞組和電路檢出該信號，放大產生I次電流，進入W次進行比較補償。根據磁路的克希荷夫第二定律有：W初I初-W次I次=H0l，式中：H0：磁環中的直流磁場強度；l：平均有效磁路長度。當達到“理想安匝平衡時”，H0l=0時，有I初=W次I次/W初。“H0l=0的程度”即安匝平衡檢測靈敏度，決定了比較儀的性能。本表比較儀工作安匝100AT，次級電流45mA，靈敏度>1mAT，范圍：0-100A分5檔，輸入變換誤差：0.001%直接采用直流比較儀作為儀表的輸入變換器,是9080型交直流標準表的一大技術特點。為克服輸入變換電路的泄漏、感應和共模串擾等影響測量精度

13、和穩定性，對分壓器、互感器采取了絕緣、雙層屏蔽等措施。3.1.3 A/D轉換及乘法累加由兩路A/D、基準電路、16×16位四象限乘法累加器及控制電路組成。A/D采用16bit、100kHz的串行輸出ADC芯片；乘法累加器采用速率250ns的硬件乘法器；時基為2.5V帶隙基準，溫漂0.1ppm/。A/D的串行輸出，經移位寄存器送入乘法累加，累加時間決定了結果的字長。本表0.5s中斷一次，累加字長為47位，故擴展了累加輸出的高位鎖存電路。至此，完成了信號的離散測量。 單片機控制及接口電路采用8位單片機應用系統，完成量程、功能、測量方式選擇等鍵盤控制和數據運算/顯示/傳輸；同時還完成儀表邏

14、輯時序控制。運算采用5字節浮點數。計算時只取47位累計值的高31位，舍去了低16位。通訊采用RS-232接口，波特率9600。可進行RS-245、USB的轉換，便于實現程控操作。3.2 9080型標準表技術指標測量功能交（直）流電壓、電流、功率、頻率、功率因數；性能范圍：電壓：0750V；電流：0100A；頻率：45Hz10kHz；誤差：0.01%a±0.001%b，式中a為被測量值，b為測量上限值；頻響：45Hz10kHz。上述指標經多次周期檢定數據證明：年變差0.006%.4 交直流功率源4.1 交流功率源交流功率源由數字波形合成，數字變頻、移相、調幅控制，可調時鐘頻率合成，功率

15、放大，反饋控制及單片機電路部分組成，原理如圖4。圖4 交流源框圖在單片機和可調時鐘電路控制下，波形合成電路輸出一定頻率、幅值和相位的數字I、V正弦波信號，經D/A變換、低通濾波，得到連續低失真的模擬I、V正弦信號，該信號經過由直流控制的乘法調制前置放大后，經I、V功放和耦合輸出變壓器，分別輸出穩定的I、V信號。在這個過程中，可調時鐘、波形合成、反饋控制是保證功率源品質的關鍵，這里重點介紹。可調時鐘及波形合成可調時鐘頻率合成，采用直接數字頻率合成器（DDS），原理框圖如圖5。圖5 數字頻率合成器原理框圖這里，相位累加器為32位，取12MHz，合成頻率（式中），輸出即：162kHz3.6MHz，每

16、周期3600點時，對應合成波形頻率45Hz1kHz。可調時鐘合成頻率經地址計數器進行03599的循環計數，產生3600個地址，讀出存于EPROM中的離散數字，經D/A變換，形成一個完整周期的模擬信號。改變時鐘頻率，就可改變信號頻率；改變I、V時鐘差，就可調節I、V相位。 可調基準電壓源和數字調幅采用直流控制（調制）的交流信號前置放大，輸出是鎖定在一個穩定度很高的直流信號上。輸出的穩定性、幅值調節取決于該直流信號。本源中采用由16位D/A構成的可調基準電壓源。如圖6。圖6可調基準框圖通過改變DAC輸入數據，調節雙極性基準輸出。0000H正向滿度；7FFFH零點；FFFFH負向滿度。滿度值：

17、77;10V，非線性：±0.0015%，溫漂：±2ppm/；最高調節細度為1/32767（7FFFH）0.003%。為提高調節細度，本源在基準輸出回路中接入電阻分壓電路。R1、R2為溫漂<0.5ppm/低噪聲電阻，在分壓電阻R1上并聯電位器Rp調節輸出，調節范圍<3%。調節細度優于0.001%。此可調基準電源還應用于裝置的直流電流、電壓源中。 反饋電路交流源中采用兩級電流互感器采樣進行交直流兩級反饋，如圖7。CT1為普通單級互感器，次級輸出25mA，RL1=120，V反1=3V，屬本級交流反饋。CT2為高精度雙級互感器，次級電流25mA,RL2=120，Vo=3

18、V。該信號經交直流轉換電路，轉換成直流后跨級反饋至放大器K1，與直流基準電壓比較，輸出直流電壓控制乘法調制器。達到穩定輸出零點的目的。 交流功率源技術指標 輸出幅值不穩定度 <1×10-4/1分鐘； 失真度：45Hz1kHz <0.03%； 相位不穩定度 <0.01°/3分鐘。4.2 直流恒流源直流恒流電流源由可調控直流基準電壓源、前置預放、電流放大、采樣反饋，功放電源等電路組成，原理框圖如圖8。圖8直流恒流電流源原理框圖 基本工作原理可調直流基準電壓源，根據輸出給定量輸出所需直流電壓信號，該信號經前置放大處理電路進行幅值放大后,經由多管并聯的電流調整放大

19、電路進行電流放大，輸出恒流電流信號。同時，串聯在輸出回路中的直流比較儀對信號采樣，進行I/V變換，反饋至直流基準電路，與給定信號進行比較，對前置放大信號進行修正，實現功放輸出電流的偏差補償控制。進一步提高輸出穩定性。比較儀變換信號也用于顯示、保護檢測取樣。工作中，單片機根據選擇的量程，控制可調基準，選擇整流電源輸出，提供與量程對應的功放電源值。 電路技術特點采用串接直流比較儀作為反饋，保護、顯示的采樣變換元件是該恒流源的主要技術特點。用比較儀進行采樣變換，具有非接觸，功耗小，無溫漂影響，靈敏度高等特點。在該源中采用截面積15mm2的軟磁合金環，制作了安匝：100AT，變比：100A/0.1A，

20、峰差靈敏度：2mAT，變換誤差0.002的比較儀。從原理框圖看出：恒流輸出的穩定性主要取決于基準電壓穩定性，誤差比較放大器的靈敏度等。由串聯在電流回路中的比較儀變換輸出引入的跨級電壓負反饋，提高了誤差比較放大的靈敏度，穩定基準輸出信號，從而使輸出電流穩定在給定值，提高了輸出穩定性。同時該信號還用于保護、顯示采樣。應用多檔位整流電源作為功放電源是另一技術特點。由大功率整流二極管、多繞組變壓器構成的多檔位整流濾波電源，根據電流的檔位向直流功放提供相應的供電，使功放在任何檔位都工作在較低的管壓降，降低了對功放三極管的參數要求，提高了電流源的工作可靠性。 恒流源技術指標輸出：0100A；穩定度：0.0

21、05%/1分；交流紋波：0.05%；顯示精度：0.01FS；功率：100A/2V。4.3 直流恒壓電壓源直流恒壓電源由可調基準電壓源，前置放大，電壓功放，反饋，動態功放電源、輸出保險電路等部份組成，原理框圖如圖9。圖9 直流恒壓源原理框圖 基本工作原理 可調基準電壓源根據給定量輸出直流電壓，該信號經電壓前置放大處理后再由功放進行功率放大，經輸出保險輸出恒壓信號。幅值大小通過調節基準電壓值控制。該基準輸出值同時還用來控制電源，構成前饋控制的隨動輸出動態功放電源。并聯在電壓輸出回路中的電阻反饋采樣信號，一路作為顯示，一路送誤差比較電路，與給定信號進行比較放大，形成電壓負反饋，對電壓前置放大進行偏差

22、補償，使輸出的電壓穩定在給定值上，提高輸出穩定度。 電路技術特點采用前饋控制的隨動輸出動態電源作為恒壓源功放供電是本恒壓源的最大特點。“動態”電源由電源變壓器、整流濾波電路、隨動輸出控制電路等構成，如圖10所示。圖10“動態”電源原理圖基準電壓與反饋比較放大輸出的信號經三極管D1放大后，控制由D2、D3構成的射極輸出復合調態電路的基極電流，從而控制由調態管射極輸出的電源電壓，構成前饋控制動態隨動電源。使功放電路供電處于隨輸出改變而改變，功放管處于恒定低管壓降，提高了恒壓源可靠性和穩定性。同時前饋電源控制，還提高了恒壓源輸出調節響應速度。 恒壓源性能指標：（1）輸出電壓穩定度0.0023分；（2

23、）調節細度：優于0.002%；（3）功率容量，交流紋波見表1量限（V）7.53075150300450750輸出電流（A）0.60.60.60.30.30.250.1交流紋波（mV）312284188150300表15 半程控校驗及數據管理軟件標準裝置半程控校驗及數據管理軟件主要由通過標準RS-232串口程控9080型交直流標準表功能、數據傳輸交換的通信模塊及根據電流表、電壓表、功率表及電阻表檢定規程JJG 124-2005及數字多用表檢定規程（審核稿）編制的數據管理、誤差處理、報表證書管理數據模塊及可視操作界面組成。如圖11所示。人機對話模塊通信模塊數據模塊9080標準表裝置其他部分被檢表

24、圖11 程控軟件框圖5.1 軟件的功能設計實現軟件的開發環境是Borland公司的C+Builder6，其主要特點是：可視化界面設計，具有與Delphi相同的控件，自帶的Paradox數據庫可滿足小型數據庫開發。軟件分為通信模塊、數據模塊和人機對話模塊進行開發。 通信模塊 軟件與標準表通信使用的是標準RS-232串行口：比特率9600，8位數據位,一位停止位，無奇偶校驗。標準表按這種指令格式，將功能、量程等信息及測量結果數據編成若干條指令，在每次測量結束發送給上位機。而上位機根據操作結果或者設定好的自動檢定點將設置信息發送給標準表。對于標準RS-232串口通信，C+Builder6的TComm

25、控件具有完善的通信功能。該控件發送和接收數據都是在各自獨立的線程中進行，接收到的數據通過觸發TComm控件的OnRecieveData事件，通過調用處理函數即可完成相應的處理和運算。 數據庫設計 軟件的數據庫是使用C+Builder6自帶的Paradox數據庫，數據庫設計為三層結構：第一層證書管理、第二層量程管理、第三層結果管理，分別用于存放用戶需要記錄的證書對應信息以及檢定結果。數據庫可轉換成為*txt格式數據庫方便其他管理程序使用以及數據共享。 可視操作界面設計 通過C+Builder6可視化界面設計，軟件實現了校驗數據實時顯示、歷史記錄查詢、報表打印等可視程控操作。基本操作過程：進入主界面，首先對串行口進行設置；其次選擇結果表格設置添加新表格或修改原有表格并生成對應