一種1MHz高準確度交流電阻分壓器的設(shè)計研究

郝婷婷胡志遠鄭文超王保林何梓濱盧曉勃宋德強宋淑娟

（北京東方計量測試研究所，北京100094）

1 引 言

隨著國防軍工計量技術(shù)的發(fā)展，比例計量的量程擴展問題顯得尤為重要，采用比例標準裝置可使測量儀器統(tǒng)一為標準形式，其結(jié)構(gòu)簡單可靠，測量準確度也高于直接用儀器，為了解決交流電壓比例量值傳遞過程中存在無法溯源的問題，擴展已有的交流電壓比例量值計量范圍，研制相應(yīng)的計量標準器以及計量校準技術(shù)是非常必要的。 本文研制的寬頻交流電阻分壓器與現(xiàn)有直流電阻分壓器的主要區(qū)別在于電路中電阻器件的時間參數(shù)和線路中各種寄生電容對分壓器相角誤差的影響。 為了減少電阻器引入的寄生電容影響，等電位屏蔽分壓器采用電容分壓器設(shè)計，而非電阻分壓器設(shè)計。 試驗測試過程中，不同于直流電阻分壓器，寬頻交流電阻分壓器使用采樣裝置進行校準測試，利用緩沖放大器以及采樣裝置的輸入端進行阻抗匹配保證了測量結(jié)果的準確可靠。

2 電阻分壓器基本原理

寬頻電阻分壓器是用于精密交流電壓測量的比例裝置，可在DC ～1MHz 頻率范圍內(nèi)成比例的將交流高電壓信號變換成可被數(shù)字儀表或采樣裝置測量的低電壓信號。 電阻分壓器的基本原理比較簡單，輸出電壓值等于分壓器電阻的比例值與輸入電壓的乘積。 然而，在實際使用中尤其是交流電路中，電阻分壓器受負載電容影響比較多。 為抵消負載電容引起的頻響特性，電路中增加負載電容、等電位屏蔽電容、電阻器補償電容，模型原理如圖1 所示，以減少各處雜散電容對分壓器相角誤差的貢獻，通過仿真實驗，結(jié)合電容器對分壓器比例誤差測量值的影響量，逐一確定各電容的初始容值，并在后續(xù)實際測試中再進行精確調(diào)整，最終達到可靠的測試結(jié)果。

圖1 并聯(lián)補償電容的電阻分壓器模型圖Fig.1 Resistance voltage divider model of parallel compensation capacitor

3 分壓電阻的設(shè)計

1MHz 高準確度寬頻交流分壓器基于二倍率設(shè)計，每只分壓器有固定分壓比例，共10 只，額定輸入電壓從小到大分別為2V，4V，8V，16V，32V，64V，120V，240V，480V，600V，輸出電壓均為0.8V，保證高量程電壓是低量程電壓的兩倍，輸入阻抗為（0.5～150）kΩ 之間，工作電流4mA。 為保證分壓比例具有良好的長期穩(wěn)定性，寬頻交流電阻分壓器選用的電阻元器件關(guān)注了準確度、長期穩(wěn)定性、頻響特性、溫度系數(shù)、功率系數(shù)幾項主要技術(shù)指標。在電阻器類型確定后，根據(jù)工作電壓、阻值、功率、溫度系數(shù)和電壓系數(shù)等確定所需電阻的各項參數(shù)。

由于使用采樣測量分壓比例，交流電阻分壓器除了要考慮分壓器的穩(wěn)定性和分壓器比例誤差外，還要考慮分壓器的相角誤差影響，同時考慮到分壓器相角誤差能通過半電壓負載遞推法進行校準，分壓器的結(jié)構(gòu)采用最基本的電阻串聯(lián)式分壓的原理，提高可靠性的同時，減小溫度以及開關(guān)泄漏電流的影響。 為達到良好的屏蔽效果，文章設(shè)計采用全同軸型電阻分壓器。 電流從位于與軸線對稱的電阻流入，并通過外部圓筒導(dǎo)體返回，下臂電阻采用圓盤形同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計。 根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，5 或5 的倍數(shù)下的電磁場可近似為圓，文中電阻分壓器上臂電阻和下臂電阻都采用5 線并聯(lián)形式。 經(jīng)測試，同軸型電阻分壓器分布參數(shù)更小，與已有交流電阻分壓器產(chǎn)品相比，具有更優(yōu)異的比例誤差和相角誤差。 在1MHz 高頻下，突破交流電阻分壓器頻率為100kHz 的頻率上限，并且在1MHz 頻率下，仍保持較高的技術(shù)指標。

4 校準結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

使用自校準采樣分析系統(tǒng)裝置對交流電阻分壓器的比例誤差和相角誤差進行校準，系統(tǒng)由多功能標準源FLUKE5720A（含放大器）、NI 高精度數(shù)字采集控制器和計算機組成。 由于寬頻電阻分壓器的輸出阻抗較大（一般存在幾百歐姆的電阻和幾十皮法到幾百皮法的電容），如果直接使用寬頻交流電壓測量設(shè)備進行測量，會引入較大的誤差。 因此在測試過程中，使用1：1 的緩沖放大器置于分壓器末端用于阻抗變換。 在測試中把緩沖放大器當作電阻分壓器的一部分，對電阻分壓部分、電容盒、緩沖放大器進行整體誤差校準。

利用交直流轉(zhuǎn)換標準裝置對采樣分析系統(tǒng)進行校準測試，然后5720A／5725A 多功能標準源輸出的交流電壓信號通過被測寬頻電阻分壓器分壓后，進入采樣分析系統(tǒng)，經(jīng)過采樣分析后得到的測量值為分壓器的輸出值。 起始分壓器2V／0.8V 的校準依靠高精度數(shù)字采樣系統(tǒng)在滿量程點與半量程點具有良好的線性作保證。 電阻分壓器的輸入值，由交直流熱電轉(zhuǎn)換裝置向直流電壓溯源得到。

整個系統(tǒng)采用半電壓負載遞推法進行，首先校準裝置零點，使用多功能標準源輸出0.8V 電壓，不經(jīng)過分壓器，直接接入高精度數(shù)字采樣控制器的CH0 和CH1 兩個通道運行測試，記錄此時系統(tǒng)測試得到的比例誤差和相角誤差，對系統(tǒng)進行零點誤差的修正。 然后繼續(xù)使用高精度數(shù)字采樣控制器，從同一0.8V 信號校準2V／0.8V 分壓器，再用2V／0.8V在半負載電壓下校準4V／0.8V，確定了4V／0.8V 后，在半負載電壓下校準8V／0.8V，依次遞推到600V／0.8V。 在此過程中，始終以CH0 通道為參考，CH1通道為被測。 校準軟件采用LabVIEW 語言編程，界面與結(jié)果如圖2 所示，將分壓器輸入與輸出電壓相比得到分壓器的實際比例值，運算過程基于非整周期補償算法。 校準過程利用了同一信號下的電壓比例為1 ∶1 及相角為0°的這個自然標準，保證了系統(tǒng)測試的準確度與穩(wěn)定度。

圖2 高準確度數(shù)字采樣測量軟件界面與結(jié)果圖Fig.2 The interface and results of high accuracy digital sampling measurement software

1MHz 高準確度交流電阻分壓器校準系統(tǒng)的測試結(jié)果如表1 所示。 由于所使用的多功能標準源交流電壓輸出范圍有限，本次校準結(jié)果中32V 以上的分壓器輸入最高至100kHz（600V 分壓器輸入至10kHz）頻率點的校準結(jié)果。

表1 1MHz 高準確度交流電阻分壓器校準系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)Tab.1 The data of 1MHz high accuracy AC resistance voltage divider calibration system

經(jīng)實驗驗證，排除交流電阻分壓器的相角誤差影響，采樣裝置本身的相角誤差非常小，在10kHz頻率時，兩通道的相角誤差小于0.001°，在100kHz頻率時，兩通道的相角誤差小于0.01°，在1MHz 頻率時，兩通道的相角誤差小于0.1°。 校準過程中，將采樣卡本身的相角誤差作為固定零點誤差加以修正，經(jīng)計算得出由于采樣卡相位測量的不確定度可以忽略。 最終整套裝置測試結(jié)果指標優(yōu)，比例誤差不確定度達到5 ×10～5 ×10（=2），相角誤差不確定度達到5μrad ～1mrad（=2）。

5 結(jié)束語

綜上，使用校準分析采樣系統(tǒng)對1MHz 高準確度交流電阻分壓器進行校準，裝置中高速數(shù)據(jù)采集卡具有60MHz 內(nèi)部時鐘，采樣速率最高可達到15MHz。 利用雙通道進行同步采樣，兩個通道共用同一個時鐘的方法，非常適合寬頻電壓測量，極大的解決了電學(xué)計量中比例計量量程擴展的問題，為后續(xù)交流電壓比例溯源技術(shù)的研究，以及擴展國防系統(tǒng)交流電壓比例的量值傳遞覆蓋范圍打下基礎(chǔ)。