专利名称：交流电压电流转换器及检定交流小电流表的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种电压电流转换器技术，特别是一种高准确度的交流电压电流转换器以及 使用该交流电压电流转换器精确检定2uA-2mA/10Hz~10kHz交流小电流表的方法及实现 该方法的装置。
背景技术：
目前的交流电压电流转换器通常为采用电压电阻变换法实现的电压电流转换器，由于这 种转换器使用的高值电阻器在不同频率下交流电阻的电阻值不同，而目前电阻只有在1kHz 下的溯源数据，所以存在交流高值电阻的量值溯源问题，无法实现交流电压到小电流的精 确转换，同时，目前交流小电流表的检定方法主要是交流分流器(交流电阻)，测量其两端 的交流电压，从而计算实现交流电流量。由于交流电阻目前国家计量院没有溯源途径，因 此采用交流电阻方式检定交流小电流表技术难度很大，还会有一系列的溯源验证问题。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种交流电压电流转换器，采用标准电容将电压 源准确转换为交流小电流，本发明还涉及检定交流小电流表的装置和方法，并有效的解决 了交流小电流的溯源问题。
本发明的技术方案是
一种交流电压电流转换器，其特征在于包括标准电容、仪表放大器，所述标准电容设置 为外接式，所述仪表放大器的输入偏置电流〈lpA，输入阻抗>10130,所述标准电容通过四 线接入法与仪表放大器连接，所述四线接入法为电容端lH作为外部电压信号输入端，将电 容端VH引到仪表放大器正向输入端，电容端VL连接仪表放大器反向输入端，电容端t作
为信号输出端。
上述标准电容为四端对标准电容。
上述仪表放大器为三运放差动放大器，所述三运放差动放大器包括两个前置缓冲器和与 前置缓冲器相连的单位增益差分放大器，两个前置缓冲器为输入差分电压提供单位增益， 单位增益差分放大器提供对地的单端输出电压，所述两个前置缓冲器之间连接反馈电阻，所述前置缓冲器的输入偏置电流〈lpA，输入阻抗>10130;所述单位增益差分放大器的增益 误差<0.01%;输入失调电压〈50uV;所述标准电容的Vh和Vt端连接两个前置缓冲器的输入端。
上述标准电容外壳制成屏蔽体，并通过高绝缘屏蔽电缆与仪表放大器连接。
上述高绝缘屏蔽电缆为三同轴聚四氟乙烯绝缘电缆。
还设置有等电位屏蔽电路，所述等电位屏蔽电路为两个前置缓冲器各自连接有一个电压 跟随器，前置缓冲器的输出端引出与三运放差动放大器的差分输入相等的电位，并分别连 接到电压跟随器输入端，所述电压跟随器的输出连接前置缓冲器的输入信号线的中间屏蔽
层，所述电压跟随器的输入偏置电流〈lpA，输入阻抗>10130。
采用上述交流电压电流转换器的一种检定交流小电流表的装置，其特征在于包括标准电 压源、交流电压电流转换器、频率计和交流数字电压表，所述标准电压源的正向端接入电
容端Ih，标准电压源的反向端和电容端lL分别接入被检交流小电流表的lL端和lH端，所述
数字电压表和频率计分别与仪表放大器的输出相连。
上述被检交流小电流表、仪表放大器和频率计分别通过GPIB接口连接计算机，所述计
算机通过交流电压和交流电流之间的电压电流转换的传递关系计算并显示出交流电流值。 采用上述的交流电压电流转换器的一种检定交流小电流表的方法，其特征在于包括如下
步骤
A、 标准电压源通过上述交流电压电流转换器转换成交流电流，所述交流电流输入至被 检交流小电流表；
B、 将交流电压电流转换器中的仪表放大器的输出分别连接交流数字电压表和频率计， 并通过交流数字电压表测量标准电容两端的交流电压，通过频率计测量交流电流频率；
C、 被检交流小电流表、仪表放大器和频率计分别通过GPIB接口连接计算机，所述计 算机通过交流电压和交流电流之间的电压电流转换的传递关系计算并显示出交流电流值。
技术效果
本发明提供的一种交流电压电流转换器，通过采用外接式的标准电容四线接入法接入仪 表放大器，仪表放大器的输入偏置电流〈lpA，输入阻抗>10130，采用具有TQ级输入电阻 和pA级偏置电流的仪表放大器来测量标准电容两端电压，将交流电压转换为交流电流，采 用四端对标准电容能有效地降低外界的影响，能有效地保证交流电压电流转换器转换的准 确性；仪表放大器为三运放差动放大器，三运放差动放大器的前置缓冲器的输入偏置电流 <lpA，输入阻抗〉10130;单位增益差分放大器的增益误差<0.01%;输入失调电压〈50uV，使得电压电流转换器对测量结果的相对影响小于lXlO—5;同时大大降低了标准电容到标准 电压源间引线的阻抗影响和泄漏影响；采用三同轴聚四氟乙烯高绝缘电缆作为连接线材料, 其绝缘电阻可达10"Q，中间层可作为等电位屏蔽层，保护内层电路，降低泄漏电流；使用 等电位屏蔽技术，在仪表放大器的前置缓冲器上取出三运放差动放大器的差分输入电压的 等电位信号，作为输入高低端电压的屏蔽，避免泄漏的产生；由于使用了三同轴电缆及接 插件屏蔽设计、等电位屏蔽技术、三运放差动放大技术等，有效的降低了外部干扰和噪声、 保证了交流电压电流转换器的准确性和稳定性。
本发明检定交流小电流表的装置，采用了能够精确的将标准电压源转换为交流电流的交 流电压电流转换器，包括标准电压源、交流电压电流转换器、频率计和交流数字电压表， 数字电压表和频率计分别与仪表放大器的输出相连，被检交流小电流表、仪表放大器和频 率计分别通过GPIB接口连接计算机，计算机通过交流电压和交流电流之间的电压电流转换 的传递关系计算并显示出交流电流值来校准交流小电流表，能够精确检定交流小电流表的 值。检定交流小电流表的方法，通过电压电流转换器、标准电压源、交流数字电压表及频 率计来产生标准的交流小电流，并来校准交流小电流表；交流电压电流转换器将标准电压 源施加在标准电容上，然后将标准电容两端的电压放大并送至交流标准电压表，通过计算 得到交流电流值来校准交流小电流表，将交流小电流溯源到电容、交流电压和频率上，解 决了溯源问题。
图1是本发明交流电压电流转换器的原理图2是本发明交流电压电流转换器的仪表放大器的电路图3是本发明检定交流小电流表的装置的原理框图4是本发明检定交流小电流表的装置的测试数据表；
图5是本发明检定交流小电流表的装置的相对扩展不确定度表。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1是本发明交流电压电流转换器的原理图。一种交流电压电流转换器，包括标准电容、 仪表放大器，选用的仪表放大器的输入偏置电流〈lpA，输入阻抗>10130，标准电容设置为 外接式，并通过四线接入法与仪表放大器连接，所述四线接入法为电容端lH作为外部电压信号输入端，将电容端VH引到仪表放大器正向输入端，电容端V^连接仪表放大器反向输 入端，电容端lL作为信号输出端。标准电容优选为四端对标准电容，本实施例中，标准电
容采用Agilent的16380系列电容，仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出 的闭环增益单元，它能够放大两输入信号电压之差而抑制对两输入端共模的任何信号，这 里仪表放大器选为三运放差动放大器，包括两个前置缓冲器和与前置缓冲器相连的单位增 益差分放大器，两个前置缓冲器为输入差分电压提供单位增益，单位增益差分放大器提供 对地的单端输出电压，两个前置缓冲器之间连接反馈电阻，前置缓冲器的输入偏置电流 <lpA，输入阻抗>10130;单位增益差分放大器的增益误差<0.01%;输入失调电压〈50uV。 我们选用了 BB公司生产的静电计级运算放大器OPA128LM作为输入缓冲级，选用精密单 位增益差分放大器INA105BM作为输出级来搭建仪表放大器电路，静电计级运算放大器 0PA128LM作为前置缓冲器，具有极低的偏置电流、失调电压漂移；极高的输入阻抗、开环
增益和频率响应，其典型技术指标为输入偏置电流40fA;输入失调电流30 fA;输入 失调电压140uV;输入失调电压漂移5uV/° C;输入阻抗大于10"Q;开环增益128dB; 频率响应lMHz;输出电阻100Q;供电电压土15V，单位增益差分放大器INA105BM片 内集成4只25kQ高准确度、温漂一致的激光蚀刻电阻，保证了准确的增益和较高的共模抑
制比，典型技术指标为增益误差0.005%;非线性误差0.0002%;输出阻抗0. 01 Q ;
-3dB截止频率lMHz;输入失调电压50uV;输入失调电压漂移5uV/° C， INA105BM很 高的CMRR、很好的线性度、失调电压漂移和频率特性，检定时环境条件温度为20° C±2° C，湿度为30%朋 70%朋。
图2是本发明交流电压电流转换器的仪表放大器的电路图。其中仏、Us为前置缓冲器， 为输入差分电压提供单位增益;U8为单位增益差分放大器，提供对地的单端输出电压;Agilent 的16380系列电容的Vh和vl端连接两个前置缓冲器OPA128LM的输入端。还设置有等电 位屏蔽电路，该等电位屏蔽电路为两个前置缓冲器各自连接有一个电压跟随器，前置缓冲 器的输出端引出与差分输入相等的电位(缓冲级为单位增益)，并分别连接到电压跟随器输 入端，所述电压跟随器的输出连接前置缓冲器的输入信号线的中间屏蔽层，电压跟随器的 输入偏置电流〈lpA，输入阻抗〉10130。图2中，仏、仏为OPA128LM构成的电压跟随器， 提供等电位屏蔽电压。使用等电位屏蔽技术，可以避免泄漏的产生，0PA128LM有极低的失 调电压和漂移、极高的输入阻抗和良好的频率特性，对仪表放大器缓冲级输出的影响非常 小，可忽略不计。
交流电压电流转换器在制作时将标准电容设置为外接式，可以根据需要得到的交流小电流幅值、频率以及公式/"-2;r./.C".C/"，来确定所需的标准电容量值，从而更换不同量
程的标准电容，本发明交流电压电流转换器的外壳采用纯铁材料制成一个闭合的壳体， Agilent的16380系列电容外壳可以是铁制屏蔽体，标准电容与交流电压电流转换器电路的 连接通过同轴电缆，这样两部分在工作时，形成了一个完整的屏蔽体，有效的降低空间电 磁场的干扰影响；标准电容通过高绝缘屏蔽电缆与仪表放大器连接，高绝缘屏蔽电缆可以 选择三同轴聚四氟乙烯绝缘电缆，采用三同轴聚四氟乙烯高绝缘电缆作为连接线材料，其 绝缘电阻可达10"Q，中间层可作为等电位屏蔽层，保护内层电路，降低泄漏电流；选用聚 四氟乙烯高绝缘的接插件及转换插头，还可以减少泄露；标准电容四线接入法连接，在电 位端取出标准电容两端电位差，最小化了引线交流参量的影响。
由于使用了三同轴电缆及接插件屏蔽设计、等电位屏蔽技术、三运放差动放大技术等， 有效的降低了外部干扰和噪声、保证了交流电压电流转换器的准确性和稳定性。
标准电容采用的是Agilent公司的16380系列电容，优选地，年相对稳定性指标优于3 X1(T4，并通过中国计量院校准，计量院校准后的不确定度为3X10—5 (^=2)，并采用壳体接 低电位端等电位屏蔽电压的方法，为寄生电容提供了旁路通道，消除了该误差源；仪表放 大器的前置缓冲器OPA128LM输入失调电压约为140uV，失调电流为30fA，偏置电流为 40fA，失调电压漂移为5uV/° C，这些影响量在电路中复合为共模干扰量，我们选择特性 接近的两个放大器作为输入级，经过差分放大器消除该部分共模干扰；仪表放大器差分输 入端的输入阻抗约为1015Q，而不同频率、电容值和电压组合所对应的最大电容阻抗为1.59 X109，仪表放大器的输入阻抗高于被测量输出阻抗的105倍，所以仪表放大器输入阻抗引 入的误差可忽略不计；可以采用多功能标准源5720A对仪表放大器的输入和输出电压、频 率进行校准，采用逐点校准输入输出电压的方法，因此仪表放大器的非线性误差和电压增 益误差可不必考虑，采用逐点校准输入输出频率的方法，因此仪表放大器的频率误差可不 必考虑，这样就消除了仪表放大器的自身误差。
图3是本发明检定交流小电流表的装置的原理框图。该装置采用了本发明提供的交流 电压电流转换器，本发明检定交流小电流表的装置包括标准电压源、交流电压电流转换器、 频率计和交流数字电压表，标准交流电压源在输出电压点上，24小时相对稳定性指标应优
于3X10"4，所述标准电压源的正向端接入电容端IH，标准电压源的反向端和电容端IL分别
接入被检交流小电流表的L端和Ih端，所述数字电压表和频率计分别与仪表放大器的输出 相连。这里标准电压源选择5720A，交流数字电压表选择8508A，且在所测量的电压点上， 相对年稳定性应优于1.5X10"4,频率计选择53131A， 5720A输出交流电压，加载在16380系列标准电容的两端，产生交流电流，则流过电容的电流等于流过被检表的电流。标准电 容在容量值较小、工作频率较低时其等效输出阻抗非常大，如果采用交流数字电压表8508A 直接测量其端电压(输入阻抗多为GQ级)的方法，易造成交流数字电压表内阻分流，形 成较大测量误差，且交流数字电压表测量交流电压时的输出失调电流较大，成为电路的噪 声电流，因此采用了具有TQ级输入电阻和pA级偏置电流的仪表放大电路，来测量标准电
容两端电压，用公式/ =2v/.C .R计算流过标准电容的电流作为标准值来检定被检小电
流表。从而使测量设备对电路中电流的影响降至最低，同时排除了标准电容到标准电压源 间引线的阻抗影响和泄漏影响。
为了避免或最大限度减轻泄漏电流和泄漏电阻对检定交流小电流表的影响，采取了等电 位屏蔽措施，具体地是，将仪表放大器的"Guard-"和"Guard+"端为等电位屏蔽输出端， 分别对应输入的标准电容Vl及VH端电位；"Guard+"输出接至连接标准电容与仪表放大器 输入同向端的三同轴电缆的中间层导体，减少高输出阻抗源的泄漏；"Guard-"输出接至连 接标准电容与仪表放大器输入反向端的三同轴电缆的中间层导体以及标准电容的外层屏蔽 壳体，降低泄漏的同时也为标准电容内部的寄生电容提供了旁路通道，排除了寄生电容(并
联)对测量的影响。
被检交流小电流表、仪表放大器和频率计分别通过GPIB接口连接计算机，计算机通过 交流电压和交流电流之间的电压电流转换的传递关系计算并显示出交流电流值，通过计算 机程序控制完成控制、计算和自动检定，如运用Labview7.0编制交流小电流自动化测试程 序，可以选择被检小电流表的量程和测量点，根据确定的电压电流转换公式，可以自动计 算得到交流小电流值，并动态的以表格形式显示测试数据，测量过程中有操作提示，如提 示更换标准电容和接线，测试完成后，测试结果能够保存在电子文件中，并可以根据需要 出自动生成测试报告，例如可以自动写到EXCEL中存档，完成对交流小电流表的检定，节 省了计算和数据记录的时间，提高了测量工作效率，节省了人力成本。其中，由电压转换
为电流的计算公式为/"-2w/^C".R，其中Cn为标准电容的电容值，f为交流电流频率，
Un为交流电压的有效值，In为交流电流的有效值。 一种检定交流小电流表的方法，包括如下步骤
A、 标准电压源通过上述交流电压电流转换器转换成交流电流，所述交流电流输入至被 检交流小电流表；
B、 将交流电压电流转换器中的仪表放大器的输出分别连接交流数字电压表和频率计，
并通过交流数字电压表测量标准电容两端的交流电压，通过频率计测量交流电流频率；C、被检交流小电流表、仪表放大器和频率计分别通过GPIB接口连接计算机，所述计 算机通过交流电压和交流电流之间的电压电流转换的传递关系计算并显示出交流电流值。
交流电压电流转换器将标准电压源施加在标准电容上，然后将标准电容两端的电压放大 并送至交流标准电压表，通过计算得到标准电流值来校准交流小电流表，将交流小电流溯 源到电容、交流电压和频率上，解决了溯源问题。
图4是本发明检定交流小电流表的装置的测试数据表，测量了数字多用表8508A的数据。
经评定，可以得到本发明检定交流小电流表的装置的相对扩展不确定度表，如图5所示， 其中不确定度^2，"为相对扩展不确定度。
以上所述的实例仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
权利要求
1. 一种交流电压电流转换器，其特征在于包括标准电容、仪表放大器，所述标准电容设置为外接式，所述仪表放大器的输入偏置电流＜1pA，输入阻抗＞1013Ω，所述标准电容通过四线接入法与仪表放大器连接，所述四线接入法为电容端IH作为外部电压信号输入端，将电容端VH引到仪表放大器正向输入端，电容端VL连接仪表放大器反向输入端，电容端IL作为信号输出端。
2. 根据权利要求1所述的一种交流电压电流转换器，其特征在于所述标准电容为四端对标准电容。
3. 根据权利要求1或2所述的一种交流电压电流转换器，其特征在于所述仪表放大器 为三运放差动放大器，所述三运放差动放大器包括两个前置缓冲器和与前置缓冲器相连的 单位增益差分放大器，两个前置缓冲器为输入差分电压提供单位增益，单位增益差分放大 器提供对地的单端输出电压，所述两个前置缓冲器之间连接反馈电阻，所述前置缓冲器的 输入偏置电流〈lpA，输入阻抗>10|30;所述单位增益差分放大器的增益误差<0.01%;输入 失调电压〈50uV;所述标准电容的Vh和VL端分别连接两个前置缓冲器的输入端。
4. 根据权利要求3所述的一种交流电压电流转换器，其特征在于所述标准电容外壳制 成屏蔽体，并通过高绝缘屏蔽电缆与仪表放大器连接。
5. 根据权利要求4所述的一种交流电压电流转换器，其特征在于所述高绝缘屏蔽电缆 为三同轴聚四氟乙烯绝缘电缆。
6. 根据权利要求5所述的一种交流电压电流转换器，其特征在于还设置有等电位屏蔽 电路，所述等电位屏蔽电路为两个前置缓冲器各自连接有一个电压跟随器，前置缓冲器的 输出端引出与三运放差动放大器的差分输入相等的电位，并分别连接到电压跟随器输入端， 所述电压跟随器的输出连接前置缓冲器的输入信号线的中间屏蔽层，所述电压跟随器的输 入偏置电流〈lpA，输入阻抗>10130。
7. 采用权利要求1至6之一所述的交流电压电流转换器的一种检定交流小电流表的装 置，其特征在于包括标准电压源、交流电压电流转换器、频率计和交流数字电压表，所述 标准电压源的正向端接入电容端Ih，标准电压源的反向端和电容端lL分别接入被检交流小 电流表的Il端和Ih端，所述数字电压表和频率计分别与仪表放大器的输出相连。
8. 根据权利要求7所述的检定交流小电流表的装置，其特征在于所述被检交流小电流 表、仪表放大器和频率计分别通过GPIB接口连接计算机，所述计算机通过交流电压和交流 电流之间的电压电流转换的传递关系计算并显示出交流电流值。
9.采用权利要求1至6之一所述的交流电压电流转换器的一种检定交流小电流表的方法，其特征在于包括如下步骤A、 标准电压源通过所述交流电压电流转换器转换成交流电流，所述交流电流输入至被 检交流小电流表；B、 将交流电压电流转换器中的仪表放大器的输出分别连接交流数字电压表和频率计， 并通过交流数字电压表测量标准电容两端的交流电压，通过频率计测量交流电流频率；C、 被检交流小电流表、仪表放大器和频率计分别通过GPIB接口连接计算机，所述计 算机通过交流电压和交流电流之间的电压电流转换的传递关系计算并显示出交流电流值。
全文摘要
一种交流电压电流转换器，包括标准电容、仪表放大器，所述标准电容设置为外接式，仪表放大器的输入偏置电流＜1pA，输入阻抗＞10<sup>13</sup>Ω，标准电容通过四线接入法与仪表放大器连接，四线接入法为电容端I<sub>H</sub>作为外部电压信号输入端，将电容端V<sub>H</sub>引到仪表放大器正向输入端，电容端V<sub>L</sub>连接仪表放大器反向输入端，电容端I<sub>L</sub>作为信号输出端。本发明采用标准电容实现了从交流电压到交流电流的准确转换，还提供了能够精确的检定交流小电流表的装置及方法，并有效的解决了交流小电流的溯源问题。
文档编号G01R35/00GK101285852SQ20081011265
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月26日 优先权日2008年5月26日
发明者明 严, 屠治国, 琳 桑, 斌 王 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五一四研究所