低频电子电压表检定装置的设计与实现
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作者: 潘德祥 王瑞宝 李鸥 徐飞
摘 要：本文依据国内外研究现状和相应检定规程，设计了一种低频电子电压表检定装置。从工作原理、关键技术和技术指标等方面对检定装置进行了详尽的阐述。
关键词：低频电子电压表 检定装置 DDS合成技术
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（c）-0129-01
《JJG782-1992低频电子电压表检定规程》规定，低频电压表校准主要包含两个项目：基本误差和频率附加误差[1]。目前，校准低频电子电压表没有专用的仪器设备，国内外校准机构一般使用Fluke5520A和9100等，这两种校准器不能满足交流电压在3 mV以下，频率500 kHz以上的校准要求。更重要的是，由于低频电子电压表的量程档位多，频率低至5 Hz，高至1 MHz，使用多功能校准器时需要大量的参数设置操作，造成校准工作效率低下。依据这一现状，设计了一种低频电子电压表检定装置。
1 结构和原理介绍
微处理器是整个系统的控制核心，各个功能模块在它的控制下协同工作。正弦波发生器在微控制器的控制下产生指定频率的正弦波信号，与标准电压发生器输出的直流电压进行合成，产生指定频率和幅度的交流信号；再经过功率放大模块、升压变压器、衰减器等模块的处理，产生0.3 mV～300 V的输出信号。
主要模块的功能简要介绍如下。
（1）正弦波发生器：在微控制器的控制下产生指定频率的正弦波信号。
（2）标准电压发生器：在微控制器的控制下产生指定幅度的直流电压。
（3）乘法器：将正弦波信号和直流标准电压进行合成，产生指定频率和幅度的交流信号。
（4）功率放大模块、升压变压器、衰减器：功率放大模块将乘法器输出的交流信号进行放大，提供给升压变压器产生3～300 V的电压，或经过衰减器产生0.3V以下的电压，0.3～3 V的电压由功率放大器直接输出。
（5）输出切换开关：在微控制器的控制下选择相应的交流信号路径，输出所需的信号。
（6）有效值测量模块：对输出信号的幅度进行测量，以便于微控制器对信号幅度进行频率补偿。
（7）电源模块：产生系统中各功能模块所需的工作电压。
（8）微控制器：控制各个模块协同工作从而输出所需的电压信号，实现人机交互，响应用户的操作。
2 关键技术说明
本检定装置的关键技术主要是频率合成、信号处理和信号的有效值测量。下面分别对这些技术及其解决途径进行分析说明。
2.1 频率合成技术
频率合成是指对一个标准信号频率经过一系列处理，产生具有相同稳定度的大量离散频率的技术。目前频率合成主要有三种方法：直接模拟合成法、锁相环（Phase -Locked Loop，PLL）合成法和DDS合成法。直接模拟合成法利用倍频、分频、混频及滤波等技术，从单一或几个参考频率中产生多个所需的频率。该方法频率转换时间快（一般小于100 ns），但是电路复杂、体积大、功耗大。PLL合成法通过PLL完成频率的倍频、分频、混频等运算，该方法结构相对简化、频谱纯度高，但存在高分辨率和快转换速度之间的矛盾，一般只用于大步进频率合成技术中。DDS是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法，从相位概念出发，通过查表法产生所需波形，可以精确调节和控制频率，且具有很高的频率分辨率和转换速度，特别适合5 Hz～1 MHz的频率范围的频率合成。
为了保证信号频率的准确性和稳定性，本检定装置采用温度补偿式晶体振荡器来产生参考时钟。随着微电子技术的飞速发展，ADI、Qualcomm、Sciteg和Stanford等公司相继推出各种性能优良的DDS集成电路产品，本检定装置采用此类集成电路。
2.2 信号处理技术
为满足低频电子电压表基本误差的校准需要，本检定装置的输出信号幅度0.3 mV～300 V。功率放大器无法直接输出过小和过大的信号，必须用变压器进行升压或衰减器进行衰减。本检定装置计划将输出电压幅度划分为四段：0.3 mV～0.3 V、0.3～3 V、3～30 V、30～300 V。0.3～3 V由功率放大器直接输出，0.3 mV～0.3 V由0.3～3 V信号经过衰减器的衰减得到，其余两段信号由0.3～3 V信号经过升压变压器升压得到。
第一段信号由于幅度小，噪声将成为影响信号质量的主要因素。通过设计低噪声的处理电路，并通过优化衰减器参数的选择，降低衰减器引入的噪声的影响。第三和第四段信号需经过变压器进行升压，由于在不同频率下，变压器的磁耦合、损耗等参数表现出非线性，会使输出信号产生附加失真，还会造成输出信号幅度的非线性变化。为解决这个问题，一方面可通过选择非线性小的高频变压器以尽可能降低失真；另一方面，由于损耗不可避免，采用频率补偿的方法使输出信号的幅度具有良好的稳定性。
2.3 有效值测量技术
为了进行频率补偿，需要对输出电压进行准确测量。
2.3.1 交流电流的测量方法
峰值检测是交流信号测量中速度最快的，在有响应速度要求的测量中，峰值检测是最理想的。平均值测量具有电路结构简单的优点，它的测量准确度受谐波影响最大，因而平均值不适合于非正弦交流信号的精密测量。对重复波形的最佳测量方法是有效值法，它不易受波形失真的影响。
2.3.2 有效值测量技术[2]
常用的有效值测量技术有热电偶有效值变换器法、直接数值计算法和集成电路转换法。热电偶有效值变换器法基于热电变换原理，优点是能够对波峰系数很大的交变信号进行测量，但缺点是转换精度较低、输出电压小、转换时间长、器件易损坏。直接数值计算法是用高速A/D转换器对输入电压波形进行等间隔的高速采样和模数转换，然后按均方根值的方法对输入波形进行计算而得到其有效值。该法在对低频信号，特别是超低频信号测量中易于实现；但随之频率的升高，对A/D的转换速度和硬件系统的数据运算能力提出很高要求。集成电路转换法。该方法根据有效值的计算式，用集成电路实现所需的平方器、积分器和开方器，直接用硬件电路把交流信号转换成信号的有效值输出。随着大规模集成电路技术的发展，该类器件日趋成熟，转换准确度可达到0.2%。通过比较分析，在上述的三种方法中，只有集成电路转换法满足要求。
3 结语
低频电子电压表广泛应用于工业生产的各个领域，需对其进行定期的计量检定，本文所述的低频电子电压表检定装置提供了一种设计思路，基本能满足实际使用要求。
参考文献
[1] JJG782-1992，低频电子电压表检定规程[S].中国计量出版社，1993.
[2] 范泽良，吴征江.电子测量与仪器[M].北京：清华大学出版社，2010.
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