低頻電子電壓表檢定裝置的設計與實現

摘 要：本文依據國內外研究現狀和相應檢定規程，設計了一種低頻電子電壓表檢定裝置。從工作原理、關鍵技術和技術指標等方面對檢定裝置進行了詳盡的闡述。

關鍵詞：低頻電子電壓表 檢定裝置 DDS合成技術

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（c）-0129-01

《JJG782-1992低頻電子電壓表檢定規程》規定，低頻電壓表校準主要包含兩個項目：基本誤差和頻率附加誤差[1]。目前，校準低頻電子電壓表沒有專用的儀器設備，國內外校準機構一般使用Fluke5520A和9100等，這兩種校準器不能滿足交流電壓在3 mV以下，頻率500 kHz以上的校準要求。更重要的是，由于低頻電子電壓表的量程檔位多，頻率低至5 Hz，高至1 MHz，使用多功能校準器時需要大量的參數設置操作，造成校準工作效率低下。依據這一現狀，設計了一種低頻電子電壓表檢定裝置。

1 結構和原理介紹

微處理器是整個系統的控制核心，各個功能模塊在它的控制下協同工作。正弦波發生器在微控制器的控制下產生指定頻率的正弦波信號，與標準電壓發生器輸出的直流電壓進行合成，產生指定頻率和幅度的交流信號；再經過功率放大模塊、升壓變壓器、衰減器等模塊的處理，產生0.3 mV～300 V的輸出信號。

主要模塊的功能簡要介紹如下。

（1）正弦波發生器：在微控制器的控制下產生指定頻率的正弦波信號。

（2）標準電壓發生器：在微控制器的控制下產生指定幅度的直流電壓。

（3）乘法器：將正弦波信號和直流標準電壓進行合成，產生指定頻率和幅度的交流信號。

（4）功率放大模塊、升壓變壓器、衰減器：功率放大模塊將乘法器輸出的交流信號進行放大，提供給升壓變壓器產生3～300 V的電壓，或經過衰減器產生0.3V以下的電壓，0.3～3 V的電壓由功率放大器直接輸出。

（5）輸出切換開關：在微控制器的控制下選擇相應的交流信號路徑，輸出所需的信號。

（6）有效值測量模塊：對輸出信號的幅度進行測量，以便于微控制器對信號幅度進行頻率補償。

（7）電源模塊：產生系統中各功能模塊所需的工作電壓。

（8）微控制器：控制各個模塊協同工作從而輸出所需的電壓信號，實現人機交互，響應用戶的操作。

2 關鍵技術說明

本檢定裝置的關鍵技術主要是頻率合成、信號處理和信號的有效值測量。下面分別對這些技術及其解決途徑進行分析說明。

2.1 頻率合成技術

頻率合成是指對一個標準信號頻率經過一系列處理，產生具有相同穩定度的大量離散頻率的技術。目前頻率合成主要有三種方法：直接模擬合成法、鎖相環（Phase -Locked Loop，PLL）合成法和DDS合成法。直接模擬合成法利用倍頻、分頻、混頻及濾波等技術，從單一或幾個參考頻率中產生多個所需的頻率。該方法頻率轉換時間快（一般小于100 ns），但是電路復雜、體積大、功耗大。PLL合成法通過PLL完成頻率的倍頻、分頻、混頻等運算，該方法結構相對簡化、頻譜純度高，但存在高分辨率和快轉換速度之間的矛盾，一般只用于大步進頻率合成技術中。DDS是近年來迅速發展起來的一種新的頻率合成方法，從相位概念出發，通過查表法產生所需波形，可以精確調節和控制頻率，且具有很高的頻率分辨率和轉換速度，特別適合5 Hz～1 MHz的頻率范圍的頻率合成。

為了保證信號頻率的準確性和穩定性，本檢定裝置采用溫度補償式晶體振蕩器來產生參考時鐘。隨著微電子技術的飛速發展，ADI、Qualcomm、Sciteg和Stanford等公司相繼推出各種性能優良的DDS集成電路產品，本檢定裝置采用此類集成電路。

2.2 信號處理技術

為滿足低頻電子電壓表基本誤差的校準需要，本檢定裝置的輸出信號幅度0.3 mV～300 V。功率放大器無法直接輸出過小和過大的信號，必須用變壓器進行升壓或衰減器進行衰減。本檢定裝置計劃將輸出電壓幅度劃分為四段：0.3 mV～0.3 V、0.3～3 V、3～30 V、30～300 V。0.3～3 V由功率放大器直接輸出，0.3 mV～0.3 V由0.3～3 V信號經過衰減器的衰減得到，其余兩段信號由0.3～3 V信號經過升壓變壓器升壓得到。

第一段信號由于幅度小，噪聲將成為影響信號質量的主要因素。通過設計低噪聲的處理電路，并通過優化衰減器參數的選擇，降低衰減器引入的噪聲的影響。第三和第四段信號需經過變壓器進行升壓，由于在不同頻率下，變壓器的磁耦合、損耗等參數表現出非線性，會使輸出信號產生附加失真，還會造成輸出信號幅度的非線性變化。為解決這個問題，一方面可通過選擇非線性小的高頻變壓器以盡可能降低失真；另一方面，由于損耗不可避免，采用頻率補償的方法使輸出信號的幅度具有良好的穩定性。

2.3 有效值測量技術

為了進行頻率補償，需要對輸出電壓進行準確測量。

2.3.1 交流電流的測量方法

峰值檢測是交流信號測量中速度最快的，在有響應速度要求的測量中，峰值檢測是最理想的。平均值測量具有電路結構簡單的優點，它的測量準確度受諧波影響最大，因而平均值不適合于非正弦交流信號的精密測量。對重復波形的最佳測量方法是有效值法，它不易受波形失真的影響。

2.3.2 有效值測量技術[2]

常用的有效值測量技術有熱電偶有效值變換器法、直接數值計算法和集成電路轉換法。熱電偶有效值變換器法基于熱電變換原理，優點是能夠對波峰系數很大的交變信號進行測量，但缺點是轉換精度較低、輸出電壓小、轉換時間長、器件易損壞。直接數值計算法是用高速A/D轉換器對輸入電壓波形進行等間隔的高速采樣和模數轉換，然后按均方根值的方法對輸入波形進行計算而得到其有效值。該法在對低頻信號，特別是超低頻信號測量中易于實現；但隨之頻率的升高，對A/D的轉換速度和硬件系統的數據運算能力提出很高要求。集成電路轉換法。該方法根據有效值的計算式，用集成電路實現所需的平方器、積分器和開方器，直接用硬件電路把交流信號轉換成信號的有效值輸出。隨著大規模集成電路技術的發展，該類器件日趨成熟，轉換準確度可達到0.2%。通過比較分析，在上述的三種方法中，只有集成電路轉換法滿足要求。

3 結語

低頻電子電壓表廣泛應用于工業生產的各個領域，需對其進行定期的計量檢定，本文所述的低頻電子電壓表檢定裝置提供了一種設計思路，基本能滿足實際使用要求。

參考文獻

[1]JJG782-1992，低頻電子電壓表檢定規程[S].中國計量出版社，1993.

[2]范澤良，吳征江.電子測量與儀器[M].北京：清華大學出版社，2010.