韓博　遲宗濤　劉永剛

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

摘要：? 本文針對電流比較儀微差補償裝置自動化水平低，精確度易受電阻精度影響等問題，設計了一種高準確度、校準方便且自動化水平高的電流比較儀電流比例有源微差補償裝置。該裝置基于單片機的12位二進制有源微差補償裝置，采用附加16位數(shù)字模擬轉換器（digital to analog converter，DAC）靈活修正補償裝置二進制比例誤差，可有效提高電流比較儀的準確度，并將二進制分流比例理論分辨率提升至28位，該裝置采用基于數(shù)字信號處理（digital signal processing，DSP）的嵌入式數(shù)字電路實現(xiàn)系統(tǒng)的控制和算法，并通過源表法對該裝置進行實驗。實驗結果表明，有源微差補償裝置的誤差為10-6，相對標準差為2×10-7。該研究為提高電流比較儀的自動化水平和用補償方式解決電阻誤差提供了參考。

關鍵詞：? 電流比較儀; 微差補償裝置; DAC; DSP

中圖分類號： TM933.11+3文獻標識碼： A

隨著科學技術的發(fā)展與進步，微弱電流信號的檢測變得日益迫切，并廣泛應用于軍事及醫(yī)療等科學研究領域[1]。因此，對微弱信號的檢測要求及測量精度越來越高，微弱信號易受干擾，噪聲來源除了信號本身噪聲外，還包括放大電路的噪聲[1]。由于我國正在嘗試建立電阻標準，為了完成電阻標準量值傳遞工作，需要研究相應的測量裝置[2]。測量過程就是把標準量與被測量進行比較，求得兩者之間的比例值，其比例值是否精準對于測量過程極為重要，不斷提高比例值的準確度也成為人們的一種持續(xù)追求。磁調制電流比較儀由于可以給出任意值的電流比例，準確度達到10-7量級，實現(xiàn)了計量領域的一次飛躍。目前，大部分計量實驗室中，磁調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確度比例器件在電流測量中發(fā)揮重要作用，電流比較儀具有靈敏度高，抗干擾能力強，可以長期穩(wěn)定工作，因此被廣泛應用于實驗室以及工業(yè)中[411]。近年來，國內(nèi)外相關科研人員都對其精度的提高設計提出科學的設計方案，用運算放大電路構成的模擬式前饋和反饋微差補償網(wǎng)絡，需要經(jīng)驗豐富的操作人員反復調節(jié)才能實現(xiàn)電流比較儀磁勢平衡[1213]，其自動化水平低。基于此，需要設計一種高準確度，校準方便，自動化水平高的設計方式替代傳統(tǒng)的差分補償裝置。因此，本研究設計了一個基于DSP控制的微差補償裝置，采用二進制分流方式，實現(xiàn)對小電流的控制，并對微差補償裝置進行多次測試實驗。該研究對電流比較儀小電流精度的提高具有重要意義。

1磁調制電流比較儀電橋

磁調制電流比較儀電橋結構[1419]如圖1所示。圖1中，主動電流源的電流I1和從動電流源的電流I2分別通過標準電阻R1、待測電阻R2及電流比較儀2個繞組，其匝數(shù)為N1和N2。當2個繞組產(chǎn)生的磁通大小相等、方向相反時，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，此時兩個繞組產(chǎn)生的磁勢關系為

電流比等于匝數(shù)反比，電流流過標準電阻R1和R2，為比較兩個電阻比值，使指零儀達到平衡，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，被比較電阻實際比例不完全等于匝數(shù)比，必須設計一個裝置進行補償，即電流比例微差補償裝置。用微差補償裝置去逼近電阻實際比例，在電橋上反映為指零儀指零，分流比例準確度要求在10-7及以上。改進的磁調制電流比較儀電橋結構如圖2所示，圖2中，在從動電流源支路上，加一微差補償裝置，把從動電流源支路上的電流分出一路IA。

2微差補償裝置

由于傳統(tǒng)的微差補償裝置效率不高，自動化水平低，為使其操作和自動化更加方便，用有源電路代替無源電路，微差補償單元應優(yōu)先納入其中，因為其功耗較小，不需要具有大輸出電流驅動的運算放大器，可以簡化該裝置的電子設計。由于電路中有源元件附加噪聲的影響，因此實驗的前提是假設在標準應用中，輔助繞組只有1匝，即NA=1[20]。有源微差補償裝置示意圖如圖3所示，圖3展示了帶有電流量程選擇器的二進制補償單元設計。其中，RL為反相比例電阻，RL=10 K，RH為12位二進制可調電阻，RV為限流電阻，RV=32 R。所有組件都是由電池供電，并封裝在一個金屬盒中。RH為12位二進制模塊，RH電路結構圖如圖4所示。圖4中，R=10 K。

根據(jù)電流分流比，得

其中，k為電流二進制比例數(shù)值，其方向與NA相對于N2的方向相關，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和相應繞組N2的電流I2經(jīng)過放大器后，在X點處輸出電壓UX，其大小為-I2RL，電壓UX經(jīng)過電阻RH，轉換成電流在Y點進行輸出。為提高其準確度，可接入一個DAC。經(jīng)過放大器，得到IA=-UX/RH，或者k = IA/I2=RL/RH。所有開關和DAC都由DSP進行控制。在圖3的UX/32處，接入一個16位DAC，再經(jīng)過一個電阻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2R電阻，輸出一個IX/2 048的偏置電流。使DAC取值變?yōu)?IX/1 024到IX/1 024之間。當12位開關都處于關閉狀態(tài)時，結合DAC取值區(qū)間，且當DAC取值8000H時，即可抵消輸出誤差，使輸出為零。當RL = 10 K時，DAC的最低有效位理論對應于IA = I2/226。

3實驗結果

本實驗將電流I2和經(jīng)過微差補償裝置的實測電流IA的比值作為實驗結果，對微差補償裝置的比例進行測試，其比值為

其中，Δ為電流測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)，代表微差補償裝置的二進制位。

實驗室環(huán)境（20±05 ℃），利用經(jīng)過校準的標準源輸出1 mA電流和標準表進行檢測。無DAC反向電流實驗數(shù)據(jù)如表1所示，無DAC正向電流實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

由表1和表2可以看出，在無DAC補償時，只依靠高12位二進制分流電路結構，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，先測試DAC的分辨率和穩(wěn)定性，DAC 13位分辨率測試如圖5所示。由圖5可以看出，DAC的低6位被噪聲淹沒，標準表不能測出其準確值，也就是說，標準表只能測得微差補償裝置的高20位。當k=1/8時，標準表測量數(shù)據(jù)如表3所示。表3中的數(shù)據(jù)反應了標準表的穩(wěn)定性，其相對標準差在2×10-7以內(nèi)。

對有源微差補償裝置在加入DAC去補償電阻誤差情況下進行多次實驗，DAC補償反向電流實驗數(shù)據(jù)如表4所示，DAC補償正向電流實驗數(shù)據(jù)如表5所示。

由表1和表2可以看出，在加入DAC補償后，對電流I2和經(jīng)過微差補償裝置的實測電流IA的比值進行實驗，用原表法對有源微差補償裝置的二進制比值進行測量，依靠高12位二進制分流電路結構和DAC的補償，有源微差補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，結合圖5，由于標準表的精度受限，有源微差補償裝置應有更高的分辨率。

4結束語

傳統(tǒng)電流比較儀的微差補償裝置是由精密的繞線電阻組成，長期使用手動開關操作，會對電路的準確度產(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償裝置，很好的解決了傳統(tǒng)的微差補償裝置自動化低的問題，其誤差在10-6以內(nèi)，相對標準差在2×10-7以內(nèi)，通過補償系統(tǒng)可以解決電路精度問題。本文提出的有源微差補償裝置適用于電流比較儀的自動化控制，通過校準并優(yōu)化電路設計，以合理的成本獲得了較高的測試準確度和較優(yōu)的測試離散性。由于有源微差補償裝置的補償范圍比較大，可使指零儀在較寬的范圍內(nèi)得到很好的補償，并處于指零狀態(tài)。本實驗僅做到RL=10K，研究有源微差補償裝置的電路結構。當RL=10K/2m時，理論上DAC的最低有效位理論對應于IA=I1/226+m，該精度可對比例誤差進行補償。有源微差補償裝置不僅適用于磁調制電流比較儀，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：

[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量技術[J]. 儀器儀表學報， 2013， 34（12）： 28122817.

[2]黃璐， 張鐘華， 趙偉. 交流電阻標準研究進展[J]. 電測與儀表， 2004， 41（462）： 14.

[3]張鐘華，? 賀青. 低溫電流比較儀及其應用[J]. 現(xiàn)代計量測試， 2000， 3（1）： 311.

[4]栗營利. 磁調制式直流電流比較儀的設計與研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學， 2014.

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

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

[7]蔡建臻， 黃曉釘， 潘攀. 新型量子霍爾電阻樣品計量應用研究[J]. 計量學報， 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電阻電橋設計[J]. 計算機測量與控制， 2017， 25（9）： 258261.

[9]李陽. 直流電阻比較儀[D]. 青島： 青島大學， 2017.

[10]王星維. 低溫電流比較儀自動電阻電橋前饋系統(tǒng)設計[D]. 青島： 青島大學， 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]. 儀器儀表學報， 2011， 32（9）： 19871992.

[13]王云靜， 王玉田， 曲正偉. 數(shù)字微差補償器及其在電流比較儀電橋中的應用[J]. 計量學報， 2015， 36（5）： 530534.

[14]李正坤， 張鐘華， 賀青， 等. 低溫電流比較儀動態(tài)特性的研究[J]. 儀器儀表學報， 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

基金項目：? 國家重點研發(fā)計劃資助項目（2018YFF01012605）

作者簡介：? 韓博（1996），男，碩士研究生，主要研究方向為電流比較儀。

通信作者：? 遲宗濤（1964），男，教授，主要研究方向為傳感器與信息處理等。Email： zoc545s@163.com