交直流仪表现场标准源设计

交直流仪表现场标准源可以用来检定测试交直流电压表、电流表和单相、三相有功功率表、无功功率表、相位表、功率因数表、频率表等多种工频仪表及电量变送器。该系统具有体积小、重量轻、操作方便等特点，特别适合现场使用。同时该系统具有功能多、准确度高的优点，也适合实验室使用。该系统性价比高、一机多能，市场前景十分看好。

1主要特点

（1）多功能、高准确度、大功率，可广泛应用于检定各种工频仪表。

（2）输出电压、电流、相位、功率因数、频率等均为软件启动，量程可自动或手动切换，对负载冲击小。

（3）电压、电流、相位、功率因数、频率等均可逐位调节，连续步进，并有满度和清零键，使用方便。

（4）具有过流、过压自动保护、自动复位的功能。

（5）320X240LDC大屏幕显示，可同时显示输出电压、电流、相位、功率因数、频率等参数，并且可显示所调节的值的相对误差和绝对误差。

（6）具有外部校准功能，可保持校准后的准确度。

2技术指标

（1）输出频率范围：40.00~65.00Hz，准确度±0.02%，调节细度：0.01Hz.

（2）输出交流电压范围：A相15~660V，分为150V、250V、400V、600V四个量程；B、C相为15~440V.分为150V、250V、400V三个量程。

（3）输出直流电压范围：10mV~660V，分为75mV、200mV、2V、10V、150V、250V、400V、600V八个量程。

（4）输出交流电流范围：50mA~33A，分为500mA、1A、5A、30A四个量程。

（5）输出直流电流范围：5mA~22A，分为20μA、200μA、2mA、20mA、500mA、1A、5A、20A八个量程。

（6）输出交直流电压、电流调节细度，优于1×10-5，六位数字逐位调节，每个量程均可在0~110%之间调节。

（7）交流电压、电流移相范围：0.00～359.99°，调节细度0.01°，准确度±0.05°。

（8）交流电压、电流、功率（PF=1）准确度：0.05%.

（9）直流电压准确度：0.02%.

（10）直流电流5A~20mA；量程准确度：0.02%；其他量程准确度：0.05%.

（11）交流电压、电流输出额定功率：30W.

（12）测量时间范围：1ms~100s，准确度：±0.1ms.

（13）可以加2~20次谐波。幅度为基波0~30%.


图1交直流仪表现场标准源直流原理图


图2电压幅值控制原理

3工作原理

此仪表的直流部分原理见图1，交流部分见图3.下面从交流幅值控制原理、交流相位控制原理、直流电压控制原理及直流电流幅值控制原理分别进行分析。

3.1交流幅值控制原理


图3交直流仪表现场标准源交流原理图

交流电压幅值控制过程见图2.

在稳态时，输出电压

其中B包括放大器衰减系数和交直流转换系数，从上式可以看出输出电压的稳定度，取决于直流基准及放大器衰减系数和交直流转换系数。直流基准的稳定度优于10×10-5，放大器衰减系数和交直流转换系数优于20×10-5，输出电压的稳定度优于20×10-5.只要稳定度达到了要求，通过校准可使电压准确度保证在0.05级。

同样原理，按上述方法也可以使电流准确度保证在0.05级。

3.2交流相位控制原理

从上面的分析可以看出对电压、电流的控制只能对其幅值进行控制，对其相位没有控制作用，对电压、电流的相位采取单独一套控制系统，见图4.


图4相位控制原理

电压、电流分别经过过零电路和整行电路变成方波信号，电压方波信号直接加到鉴相器中，电流方波一路经过反相器加到门控电路中，另一路直接加到门控电路中，门控电路加到鉴相器中。当电压、电流相位在180～360°之间时，门控电路控制电压、电流直接进行鉴相；当电压、电流相位在180°以内时，门控电路控制电压和电流的反向信号进行鉴相，这时的鉴相值应减去180°。

鉴相器输出的时间间隔信号表示电压和电流的相位差。用12MHz的脉冲测量此信号，测量计数器的值为Nx，则

频率是65Hz，测量分辨率最低0.0019°

频率为40Hz，测量分辨率最高0.0012°

通过测量的相位值调节信号源相位，使相位输出值稳定在设定值，由于测量分辨率较高，通过单片机很容易把相位控制在±0.05°以内。

3.3直流电压控制原理

直流电压控制原理见图5.


图5电压控制原理图

在稳定的状态下，输出电压

UE是数模变换器输出电压，UE输出电压0~11V，E是误差放大器的放大倍数[4]，M是电压取样系数，K是前置放大器和功率放大器的放大倍数，其值趋近无穷大，所以

输出值在不同量程可改变电压取样系数M的值，可使输出电压在一量程内连续输出。

3.4直流电流幅值控制原理

电流幅值控制原理见图6.


图6电流幅值控制原理

在稳定状态下输出电流：

同电压原理一样输出电流：

UE输出值是0~11V，通过调整取样电阻R0和误差放大器的放大倍数E的值，可使输出电流在22A~2μA之间分量程连续调节。

4技术特点

本装置采用电压、电流、相位三个独立的控制系统，电压、电流跟踪直流，响应时间快、输出稳定性好、准确度高。相位控制准确、稳定、可靠。并且采用数字式合成信号源、脉冲调宽式数模转换等数字技术，使整个装置调试方便、维修简单、输出调节范围宽、调节细度提高，输出电流、电压、功率、相位、功率因数、频率等可以逐位修正、连续步进，并且还可快速升到满度值，使用更加方便。

本装置控制系统设计集成度高，采用高型并行点擦存储器和闪烁程序存储器、先进的程序运行监视芯片和大规模可编程器件，所用芯片少、可靠性高、可操作性好、调试维修方便。而且还具有外部校准功能，可保持校准后的准确度。

5结语

本系统应用广泛，主要解决了二次电网的参数测量及其溯源问题。本系统同时还可以应用到清洁能源如风能、太阳能的测试，也可以作为仪器仪表企业的标准，用于产品的质量控制和标定。本系统对于企业提高产品质量、能源系统提高运行效率，都有很大作用，对社会经济发展有着重要意义，社会效益十分显著。