一種高精度電壓電流取樣器

焦海波

（第七一五研究所，杭州，310023）

一種高精度電壓電流取樣器

焦海波

（第七一五研究所，杭州，310023）

利用高精密運算放大器和高速響應(yīng)緩存器的特性，設(shè)計了一種高精密電壓電流取樣器，頻率范圍100 Hz～500 kHz，具有頻率范圍寬、動態(tài)范圍大、取樣系數(shù)檔位多、取樣精度高的特點。

電壓；電流；取樣器；精度高；取樣系數(shù)

為了真實地獲得單個換能器、換能器基陣以及其它水聲設(shè)備的實際工作狀態(tài)下的聲學(xué)性能參數(shù)，就要建立相應(yīng)的測試系統(tǒng)，其中功率放大器是換能器向水中發(fā)射聲波的重要設(shè)備。由于功率放大器的輸出電壓、電流比較大，通常用自帶的電壓監(jiān)視輸出端口或者用大功率電阻分壓取樣得到電壓信號，用電流互感器取樣得到電流信號。這樣取樣得到的電壓、電流信號不但取樣系數(shù)單一，不便于測試；而且由于電壓、電流信號取樣誤差偏大，不滿足測試系統(tǒng)對電壓、電流的測量不確定度要求，為此設(shè)計了一種通用的高精度電壓電流取樣器，經(jīng)過實際應(yīng)用，取得較滿意的效果。

1 電路設(shè)計結(jié)構(gòu)

電壓電流取樣器電路采用模塊化的設(shè)計思想，取樣電壓、電流電路相互獨立，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、可靠。電壓電流取樣器電路主要由電壓衰減電路、電壓增益調(diào)理電路、電流衰減電路和電流增益調(diào)理電路四部分組成（如圖1）。

圖1 電壓電流取樣器電路原理示意圖

1.1 電壓衰減電路

電壓電流取樣器作為一個通用類的儀器，工作頻率范圍100 Hz～500 kHz，對取樣電壓的精度要求非常高，同時取樣系數(shù)檔位可調(diào)。為了后期增益電路的安全保護(hù)，衰減電路直接對輸入信號衰減60 dB，使其位于安全電壓范圍內(nèi)，再利用增益電路按相應(yīng)的系數(shù)取樣電壓信號。衰減電路主要由14個電阻串聯(lián)組成衰減網(wǎng)絡(luò)（如圖2），由于信號頻率最高達(dá)500 kHz，所以在每個衰減電阻上并聯(lián)一個電容來匹配，防止信號的失調(diào)。

圖2 電壓衰減電路

功率放大器的信號輸出端直接連接換能器和取樣器，功放輸出信號可能會有瞬間高壓，從而對衰減電路和增益電路有一定的沖擊，損壞電路。為了防止瞬間高壓沖擊，在信號衰減60 dB后采用二穩(wěn)壓管鉗位保護(hù)電路。

1.2 電壓增益調(diào)理電路

電壓增益調(diào)理電路主要把衰減60 dB后的電壓信號進(jìn)行相位、直流偏置和輸入輸出阻抗的調(diào)理?？紤]到取樣器取樣電壓的設(shè)計指標(biāo)要求比較高，同時對環(huán)境條件也有嚴(yán)格的要求，經(jīng)過反復(fù)的比較，選擇了NS公司生產(chǎn)的高速響應(yīng)緩存器LH0033CG以及高精密運算放大器LH0032CG。這兩種芯片除了通用性能較高外，還有一些輔助的功能可提高電壓的取樣精度。通過調(diào)節(jié)電阻R4來改變緩存器輸出的直流偏置（如圖3），調(diào)節(jié)電容C4可以改變信號的質(zhì)量。這兩個輔助功能可以省去另外搭建電路實現(xiàn)功能，減少分布電容的影響。

經(jīng)過衰減的信號可以通過不同繼電器的通斷來實現(xiàn)不同電壓取樣系數(shù)的輸出。調(diào)節(jié)R1、R2、R3、C1、C2、C3實現(xiàn)不同取樣系數(shù)下輸出電壓幅值及相位的高精度。在圖3電路中的U3、U4為負(fù)反饋正相放大電路，引入負(fù)反饋，可以穩(wěn)定輸出電壓或電流，避免放大電路輸出電壓或電流由于各種因素的變化而引起增益的改變。該負(fù)反饋放大電路還可以避免運算放大器極高的開環(huán)增益[1]使放大器無法正常工作在線性區(qū)域，產(chǎn)生不必要的振蕩現(xiàn)象，最后再通過U5將信號轉(zhuǎn)化為低阻抗輸出。

圖3 電壓增益調(diào)理電路

圖4 電流增益調(diào)整電路

1.3 電流衰減電路

電流衰減電路是指通過電流互感器將流經(jīng)取樣器的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。電流互感器依據(jù)電磁感應(yīng)原理把數(shù)值較大的一次電流通過一定的比例轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流，再通過分壓電阻把電壓信號放大后轉(zhuǎn)變成按比例輸出的電壓信號。由于電流互感器模塊技術(shù)比較成熟，在此就不詳述了。

1.4 電流增益調(diào)理電路

如圖4所示，電流互感器將流經(jīng)取樣器的電流轉(zhuǎn)化為衰減40 dB的電壓信號后，通過 U1、U2組成正相放大電路對信號進(jìn)行調(diào)整，輸出放大量為A0=1+Rf/Ri，通過改變電阻Rf來調(diào)節(jié)各個系數(shù)電壓值的精度，電路中的電容用來調(diào)節(jié)相位的精度，輸出系數(shù)還是通過控制繼電器的不同吸合，實現(xiàn)不同電流取樣系數(shù)的輸出。

1.5 信號調(diào)理電路帶寬

增益調(diào)理電路的帶寬主要由緩存器LH0033CG、LH0002CN及運算放大器LH0032CG的帶寬決定。LH0033CG、LH0032CG和LH0002的帶寬分別為100 MHz、70 MHz、50 MHz，調(diào)理電路的帶寬遠(yuǎn)大于500 kHz。LH0032CG的增益越大，帶寬越小，調(diào)理電路采用兩級放大，減少帶寬變窄。該取樣器的工作頻率在500 kHz以下，所選芯片可以滿足使用。

1.6 取樣電路精度保證[2]

電路中精度受到元器件自身特性、高頻信號附加電容、電阻的精度和噪聲、PCB設(shè)計以及元器件布局等眾多因素的影響。為保證取樣器的取樣精度，我們選用性能指標(biāo)高的電阻和電容；連接線采用雙絞屏蔽線；規(guī)范布線，減少元器件之間的相互干擾。

2 測試結(jié)果

2.1 主要參數(shù)

根據(jù)美國Instrument公司VIT-13（電壓電流取樣器）的技術(shù)指標(biāo)，確定電壓電流取樣器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：電壓取樣系數(shù)：1 mV/V，10 mV/V，100 mV/V；最大輸入電壓：2 500 VRMS；

電流取樣系數(shù)：100 mV/A，1 V/A，10 V/A；最大輸入電流：20 ARMS；

精度：100 Hz～50 kHz取樣電壓誤差不大于1%，取樣電流誤差不大于1%，相位不大于1°；

50 ～200 kHz取樣電壓誤差不大于2%，取樣電流誤差不大于2%，相位不大于2°；

200 ～500 kHz取樣電壓誤差不大于5%，取樣電流誤差不大于5%，相位不大于5°；

輸出阻抗：50 ?。

2.2 測試結(jié)果

用標(biāo)準(zhǔn)源給取樣器一個額定的電壓值，在100 Hz～500 kHz頻率范圍內(nèi)依次測試出各個電壓取樣系數(shù)輸出電壓值，如圖5所示。

圖5 電壓取樣輸出值

用標(biāo)準(zhǔn)源給取樣器一個額定的電流值，在100 Hz～500 kHz頻率范圍內(nèi)依次測試出各個電流取樣系數(shù)輸出電流值，如圖6所示。

圖6 電流取樣輸出值

測試數(shù)據(jù)表明該電壓電流取樣器電壓、電流取樣精度完全滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的高精度電壓電流取樣器，將電壓和電流取樣電路整合為一臺通用類測試儀表，可以隨時獲取大功率電壓、電流的精確取樣數(shù)值；同時取樣器具有取樣電壓電流的頻率范圍寬、動態(tài)范圍大、取樣系數(shù)檔位多、取樣精度高的特點，研制的取樣器的技術(shù)指標(biāo)與VIT-13相當(dāng)，已很好用于水聲測試系統(tǒng)和工程應(yīng)用等多種場合。

[1]RROBERT T PAYATER.電子技術(shù)[M].北京: 科學(xué)出版社,2008.

[2]FRANCO SR.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計[M].西安: 西安交通大學(xué)出版社,2009.