直流紋波測量標(biāo)準(zhǔn)模塊

陳靜 方杰/福建省計量科學(xué)研究院

0 引言

直流紋波的成分復(fù)雜，它的形態(tài)一種為高于工頻的類似正弦波的諧波，另一種為寬度很窄的脈沖波。紋波可以用有效值或峰值來表示，也可以用絕對量或用相對量來表示[1]。紋波為疊加于直流信號上的小幅度交流成分，具有豐富的頻譜特性，按信號處理的方式，紋波不具備周期特性，所以紋波的測量為確定頻率范圍內(nèi)紋波的大小。紋波只能被正確測量，而無法被準(zhǔn)確測量[2]。通常希望直流穩(wěn)定電源中沒有紋波存在，因?yàn)橛屑y波存在會帶來許多危害，如使電網(wǎng)發(fā)生諧振而引發(fā)事故；增加損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率；使電氣設(shè)備不能正常運(yùn)行，加速絕緣老化；使繼電保護(hù)、自動裝置、計算機(jī)系統(tǒng)等不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)；使測量和計量儀器不能準(zhǔn)確計量；影響充電設(shè)備性能等[3]。

在動力電池測試系統(tǒng)中，直流紋波是一項(xiàng)重要的性能參數(shù)。在開展動力電池充電性能測試時，輸出的直流紋波（包括電壓和電流）會對電池性能造成影響，改變電池的溫升、影響單體電壓平衡，降低電池的循環(huán)壽命，減小測試系統(tǒng)自身的負(fù)載率和利用率[4]。

1 紋波測量標(biāo)準(zhǔn)模塊

1.1 紋波測量方法

按GB/T 17626.17-2005[4]定義，紋波的含量為從脈動量中去除直流分量后所得到的量。傳統(tǒng)的紋波測量設(shè)備有寬頻交流毫伏表或數(shù)字示波器。交流毫伏表由于只能測量交流信號，可以從直流電壓中提取出交流小信號。使用示波器測量紋波時，示波器設(shè)置為交流耦合模式，此外，還要考慮測量探頭的環(huán)路結(jié)構(gòu)給紋波測量帶來的干擾。

正確測量紋波的注意事項(xiàng)有如下幾個方面：

1）工作負(fù)載的選擇。測量直流電源紋波時，一般要求電源工作在額定功率內(nèi)，負(fù)載所引入的噪聲必須遠(yuǎn)低于被測電源的紋波，避免因負(fù)載含有的容性或感性成分造成的干擾再次注入電源端，因此，一般選用純阻性大功率負(fù)載。

2）交流毫伏表頻帶的選擇。文獻(xiàn)[2]比較系統(tǒng)地介紹了直流穩(wěn)定電源的輸出紋波測量方法，即測量20～20×103Hz頻率范圍內(nèi)（紋波測量的通用性頻譜范圍）的紋波。因此，一般選擇帶寬高于20 MHz的交流毫伏表。

3）示波器測量的正確方法。關(guān)鍵問題為消除測量過程中引入的干擾及正確設(shè)置測量標(biāo)準(zhǔn)器。其一，示波器應(yīng)設(shè)置為交流耦合模式，選用寬帶存儲示波器時，應(yīng)將帶寬限制設(shè)置為20 MHz，濾除頻帶外的噪聲。示波器應(yīng)浮地連接，避免同被測電源共地而引入地線干擾。其二，測量引線的正確接法。如采用示波器原裝探頭，除了設(shè)置探頭的衰減比為1∶1之外，應(yīng)盡量減小探頭的探針和接地線之間構(gòu)成的環(huán)路面積，使探頭在測量過程中減小高頻拾取。

1.2 直流紋波測量標(biāo)準(zhǔn)模塊

作為計量標(biāo)準(zhǔn)，對直流穩(wěn)定電源100 kHz以內(nèi)的輸出紋波成分進(jìn)行準(zhǔn)確測量。直流紋波測量標(biāo)準(zhǔn)模塊如圖1所示，圖中AD623為前置放大模塊，AD637為有效值轉(zhuǎn)換模塊，模塊的實(shí)物如圖2所示。

圖1 直流紋波測量標(biāo)準(zhǔn)模塊

圖2 直流紋波測量標(biāo)準(zhǔn)模塊實(shí)物

1.3 工作原理

直流穩(wěn)定電源的輸出紋波一般幅度較小，為毫伏級，要準(zhǔn)確測量紋波，需要先將其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?。前置放大模塊采用的主芯片為AD623，增益設(shè)置為G=10，此時帶寬為800 kHz。滿足200 mV，100 kHz的紋波輸入要求。前置放大模塊的輸出端接至有效值轉(zhuǎn)換模塊AD637，將紋波信號轉(zhuǎn)換為直流電壓輸出。

AD623是一款單芯片儀表放大器，采用經(jīng)典三運(yùn)放改進(jìn)設(shè)計，通過調(diào)整片內(nèi)電阻的絕對值，使用戶只需設(shè)置一個外部電阻，實(shí)現(xiàn)增益準(zhǔn)確編程。使用時要重點(diǎn)注意直流偏置問題。

AD637是一款高準(zhǔn)確度寬帶“RMS-DC”轉(zhuǎn)換器，最大非線性為0.02%；有效值輸入范圍為0～2 V，當(dāng)波峰系數(shù)達(dá)到3時也僅增加0.1%的附加誤差，因此，可以計算復(fù)雜的輸入波形的真有效值。

由于AD637在較高輸入幅度時具有更高的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度，并且儀表放大器AD623比AD637具有更好的動態(tài)響應(yīng)特性，所以，信號的變換順序?yàn)橄确糯笤俎D(zhuǎn)換。而不宜先將紋波轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后再放大進(jìn)行測量。

對于電子線路的噪聲干擾問題，尤其在紋波測量中更容易引入其他的高頻干擾，如對地電容性泄漏引入的地線干擾，所以兩個模塊的工作電源采用共地的方式，并且所有的信號連接通道都采用高頻同軸線纜連接，盡量降低噪聲給測量結(jié)果帶來的影響。

儀表放大器輸出信號的直流偏置、增益非線性、動態(tài)響應(yīng)特性及真有效值轉(zhuǎn)換的非線性誤差為紋波測量主要誤差來源。為了提高測量準(zhǔn)確度，采取了適當(dāng)?shù)拇胧?）整體重復(fù)性測量，使用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)信號源對整個紋波測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重復(fù)性測量和驗(yàn)證，通過重復(fù)性測量，得出紋波測量標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換刻度因子Kn；2）對紋波測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幅頻特性試驗(yàn)，在規(guī)定頻率范圍內(nèi)獲得頻率修正因子Kf；3）對紋波測量標(biāo)準(zhǔn)開展線性測量，在規(guī)定的紋波幅度范圍內(nèi)獲得回歸曲線模型。綜合以上幾種方法，可以提高紋波測量的準(zhǔn)確度。

2 直流紋波測量標(biāo)準(zhǔn)模塊軟件系統(tǒng)

基于LabVIEW平臺開發(fā)軟件系統(tǒng)。軟件的主體功能包括：采樣功能配置、采樣數(shù)據(jù)的傳輸、處理及結(jié)果表達(dá)。采樣數(shù)據(jù)的傳輸及處理是本項(xiàng)目軟件系統(tǒng)的核心，軟件的整體結(jié)構(gòu)按模塊化設(shè)計。

紋波參數(shù)分析模塊的實(shí)現(xiàn)通過兩種方法：波形檢索法、轉(zhuǎn)換測量法。其中波形檢索法使用較為局限，受限于采樣器的采樣頻率，只適合在紋波規(guī)定頻率較低的情況下使用。波形檢索法的處理步驟分成兩個階段，其一，通過波形的波峰檢測VI，求取輸入時域信號波形的波峰和波谷，并求取出現(xiàn)波峰和波谷對應(yīng)的時間位置，利用二階導(dǎo)數(shù)對檢測到的波峰和波谷的銳利程度進(jìn)行近似測量。實(shí)際上，波峰檢測算法使用二次擬合查找波峰，需在數(shù)據(jù)點(diǎn)之間進(jìn)行插值，因此，索引的數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)號可能不是整數(shù)，即檢測到的波峰未必是輸入數(shù)據(jù)序列中實(shí)際存在的點(diǎn)。使用波峰檢測VI只是為了尋找輸入波形的波峰和波谷的可能位置。其二，通過波形極值VI搜索波形的極值（包括最大值和最小值）及出現(xiàn)極值的時間位置。綜合兩個階段的處理結(jié)果，通過設(shè)置時間寬度（通常小于一個采樣時間間隔），作為一個選擇條件，從而獲得輸入波形的波峰和波谷數(shù)值，及對應(yīng)的時間。

波形檢索法在紋波參數(shù)分析中具有更大的不確定性，所以本項(xiàng)目結(jié)合工程實(shí)際情況，提出了轉(zhuǎn)換測量法。其利用真有效值轉(zhuǎn)換原理，首先通過前置放大模塊，將紋波信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，以利于后續(xù)的有效值轉(zhuǎn)換。放大后的紋波信號傳輸至有效值轉(zhuǎn)換模塊后，變換為直流電壓輸出，轉(zhuǎn)換測量法的本質(zhì)為將紋波變換為直流電壓進(jìn)行測量。轉(zhuǎn)換測量法也有一定的缺陷，即無法檢測紋波信號的峰谷值。受硬件條件的制約及項(xiàng)目的工程需求，要求紋波測量頻率范圍在100 kHz以內(nèi)。此頻段外的紋波測量仍需要借助示波器或?qū)拵Ы涣骱练?。紋波參數(shù)分析模塊的前面板設(shè)計如圖3所示。

圖3 紋波參數(shù)分析模塊前面板

3 直流紋波測量標(biāo)準(zhǔn)模塊性能實(shí)驗(yàn)

為了考查直流紋波測量標(biāo)準(zhǔn)裝置的性能，對其開展了性能試驗(yàn)。在采用轉(zhuǎn)換測量法時，前置放大模塊的帶寬為120 kHz，有效值轉(zhuǎn)換部分的帶寬為8 MHz，紋波信號的輸入帶寬主要取決于前置放大模塊。利用幅頻特性試驗(yàn)獲得輸入帶寬，并基于試驗(yàn)結(jié)果獲得頻率修正數(shù)學(xué)模型。利用高準(zhǔn)確度示波器校準(zhǔn)儀9500B作為信號源，由9500B輸出500～120×103Hz的正弦波信號，用34470A測量直流紋波測量模塊輸出的直流電壓。幅頻特性試驗(yàn)響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 直流紋波測量模塊幅頻響應(yīng)曲線

將紋波變換為直流，采用了有效值轉(zhuǎn)換功能，主要誤差為有效值轉(zhuǎn)換過程的非線性誤差。通過線性測量獲得線性修正數(shù)學(xué)模型。線性校準(zhǔn)結(jié)果見表1。

表1 直流紋波測量模塊線性校準(zhǔn)結(jié)果

由幅頻特性試驗(yàn)和線性測量，建立幅頻特性曲線和線性修正曲線的數(shù)學(xué)模型，在軟件中編制相應(yīng)的修正公式。其中與頻率相關(guān)的數(shù)值通過轉(zhuǎn)換系數(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)定頻率下的紋波測量，與線性誤差有關(guān)的數(shù)值通過線性誤差擬合公式，直接對測量結(jié)果進(jìn)行修正。選擇9500B作為信號源，34470A作為測量標(biāo)準(zhǔn)表，采用直接比較法開展直流紋波測量，測量結(jié)果如表2所示。

表2 直流紋波測量結(jié)果

為了考察直流紋波測量模塊的實(shí)際測量功能，選定了兩種被試對象，便攜式計算機(jī)電源適配器和開關(guān)電源。試驗(yàn)用34470A高準(zhǔn)確度數(shù)字多用表作為標(biāo)準(zhǔn)表，34470A具有300 kHz的輸入帶寬，在交流耦合模式下，具備真有效值測量功能。測量結(jié)果見表3。

表3 直流紋波測量結(jié)果

4 結(jié)語

本文研究了基于轉(zhuǎn)換測量法的直流紋波測量標(biāo)準(zhǔn)裝置，通過前置放大模塊在要求的帶寬內(nèi)對紋波信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅缓罄谜嬗行е缔D(zhuǎn)換技術(shù)，將紋波的測量轉(zhuǎn)換成直流電壓進(jìn)行測量。相比傳統(tǒng)使用示波器測量紋波，不但提高了紋波參數(shù)的測量準(zhǔn)確度，也避免了傳統(tǒng)示波器法測量紋波易受干擾的問題。