专利名称：一种高精度工频微差源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对传统互感器校验仪的精度进行测试的高精度工频微差源。
技术背景
为了保证电力系统安全经济运行，必须对电力设备的运行情况进行监控。但一般 的测量和保护装置不能直接接入一次高压侧，而需要将一次系统的高电压和大电流信号转 换为便于二次设备测量的低电压和小电流信号，这个转换过程主要是通过电力互感器来完 成的。通常我们对电量的计量都是通过检测电力互感器二次侧的电压、电流实现。电力互 感器的准确度直接影响二次侧的计量准确性。因此，对于电力互感器，我们需要检测其比值 误差和相位误差。根据国家计量检定规程，检定方法主要为差值法，主要是比对标准互感器 与被检互感器的比值误差与相位误差。测试手段是使用互感器校验仪测量误差。所以互感 器校验仪的准确度，直接影响互感器的检定结果。因此，在计量法实施细则中，互感器校验 仪也被列入接受强制管理的计量器具目录，必须对其进行周期检定。对于互感器校验仪的 检定方式，规程是有明确规定的，具体实现方法是互感器校验仪检定装置输出已知幅值差 和相位差的两个电流或电压信号，输出到被检校验仪的两对测量端子上，被检校验仪的测 量结果与互感器校验仪检定装置的输出值之间的差值，即为它的测量误差。
现有的检定装置主要是通过比率电源型检定装置来实现的，比率电源型的检定装 置主要是由市电接入，然后通过一个谐振滤波器，再经过一个调压变换器形成一路工作电 压UP，一路工作电流Ip ;差值信号Ux和Ix主要是通过取样互感器变换而来，取样互感器的 一次侧接入的是Up和Ip信号，Ux与Ix的比例调节是通过变换取样互感器的二次侧的抽头 来实现不同比例的输出，相位的调节主要是通过连接一些电容、电感器件来移相调整。此种 方法实现的工频比例电源的输出调节精度较低，调节起来是通过控制很多个转盘旋钮来手 动实现，调节比较复杂，自动化程度不高。发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种高精度工频微差源，输出采用全数字 波形拟合技术，输出精度高，输出波形的幅度和相位可单独通过软件控制调节，调节自动化 程度高且简单易行，标准回路与差值回路采用数字隔离方式，使输出的信号能任意叠加。
解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是
一种高精度工频微差源，包括信号发生模块和功率放大模块，其特征在于
所述的信号发生模块包括主控芯片Blackfin531、看门狗电路(watchdog)、同步 动态随机存储器(SDRAM)、闪存单元(FLASH)、数模转换单元(16位DAC)、参考数模转换单元 (VREFDAC)、光电隔离器、RS232通讯单元、数字隔离单元和第一、第二前置放大，还有供电电 源AC-DC模块给信号发生模块内部的所有芯片提供工作电源，以及DC-DC模块提供通讯电 源；
所述的watchdog、SDRAM、FLASH分别通过数据总线与主控芯片Blackf in531连接，
所述的主控芯片Blackf in531的输出经16BUDAC后分为两路输出一路经第一前 置放大后直接输出V3，V4,另一路经数字隔离后再经第二前置放大后输出VI，V2，VI，V2与 V3, V4不共地；V1和V3为所述的功率放大模块的电压放大模块的启动信号，V2和V4为所 述的功率放大模块的电流放大模块的启动信号；
所述的前置放大组成和连接关系为DAC的输出经过一个电阻RQl输入到运放UB 的反相输入端，运放的正相输入端接地，在运放UB的反相输入端和输出端之间，并联有桥 臂电阻RQ2和补偿电容CQ，RQ2与RQl组成放大电路，最终的输出V为输入的RQ2/RQ1倍， CQ用于补偿电路中的相移；
所述的VREFDAC给16BUDAC提供参考电压；
所述的RS232通讯单元经光电隔离后与主控芯片Blackfin531连接。
所述的功率放大模块包括电压放大模块和电流放大模块；
所述的电压放大模块包括第一差分运放器、第一至第四电阻R1/R2/R3/R4、第一 电容C、第一功放U1、第一运放U2和第一变压器Tl ；
第一差分运放的输入为主控芯片Blackfin531的输出电压Vl或V3、输出至第一电 阻；
第一功放Ul的同相输入端输入第一电阻的输出；
变压器初级的一端接第一功放Ul的输出、另一端接地，变压器次级为最终电压输 出端；
第二电阻两端分别连接在第一功放Ul的同相输入端和变压器次级输出端之间；
第一功放Ul的反相输入端和输出端之间并联有第一电容C、第三电阻R3,以及第 一运放U2的输出端和反相输入端；
第一运放U2的同相输入端以及输出端经第四电阻R4后都接地。
所述的电流放大模块包括第二差分运放、第五电阻R10、第六电阻R20、第七电阻 R30、第八电阻R40、第九电阻R50、第二电容Cl、第二功放U10、第二运放U20、第三运放U30、 第二变压器TlO和零磁通互感器T20，
第二差分运放的输入信号为信号发生模块主控芯片Blackfin531的输出电压V2 或V4、输出至第五电阻R10;
第二功放UlO的同相输入端输入第五电阻RlO的输出；
第二变压器TlO初级的一端接第二功放UlO的输出、另一端接地；
第二功放UlO的反相输入端和输出端之间并联有第二电容Cl、第七电阻R30，以及 第二运放U20的输出端和反相输入端；
第二运放U20的同相输入端以及输出端经第八电阻R40后都接地；
第三运放U30的同相和反相输入端分别接零磁通互感器T20初级线圈的两端，零 磁通互感器T20的次级线圈的一端接第二变压器TlO次级线圈的一端；
第三运放U30的输入端经第六电阻R20后接第二功放UlO的同相输入端；
第九电阻R50的两端分别接在第三运放U30的输出端和反相输入端之间；
第二变压器TlO次级线圈的另一端和零磁通互感器T20的次级线圈的另一端最终 输出电流；
电压回路Up和Ux的启动信号为Vl和V3，电流回路Ip和Ix的启动信号为V2和V4。
主要工作过程
所有信号处理和波形拟合部分均由主控芯片Blackf in531处理器完成，watchdog 部分主要用于防止程序跑飞，SDRAM部分用于提供程序运行过程中的数据交换场所，通过数据总线与Blackfin531互连，FLASH部分用于存放数据，通过数据总线与Blackfin531互联。
Blackfin531拟合出来的波形通过16BUDAC部分变成模拟信号，再通过前置放大部分将模拟信号输出，VREF部分用于给16BIT的DAC提供参考电压，Blackfin531与上位机软件通讯是通过RS232串口来实现的，通讯部分主要由Blackfin531的两根信号线发送 (Tx)与接收(Rx)来完成，发送与接收信号线通过光电隔离器来实现与外部信号的隔离，保证内部电路不受外部的影响。
信号发生模块输出的4路电压信号，其中Vl为标准电压Up的启动信号，V3为差值电压Ux的启动信号，V2为标准电流Ip的启动信号，V4为差值电流Ix的启动信号。
电压放大模块原理框图如图2所示，主要工作过程是信号发生模块输出的信号 Vl或V3经过差分运放后，输出信号更加平滑，失真度更小，再经过功放Ul放大，放大倍数由桥臂电阻Rl，R2决定，Rl和R2选用的是IPPM的高精度电阻，以保证输出的稳定性，功放输出驱动电压变压器Tl作为最终输出。由于变压器对于直流信号是呈现低阻抗的状态，但是几乎所有功放的输出都会含有直流分量，所以在这里我们采用运放U2与R3、C组成低通滤波器，来消除功放输出的直流部分，以保证变压器工作在正常状态下。
电流放大模块原理框图如图3所示，主要工作过程是信号发生模块输出的信号 V2或V4经过差分运放后，输出信号更加平滑，失真度更小，再由功放UlO放大，放大倍数由桥臂电阻RlO和R20决定，RlO和R20选用的是高精度电阻，以保证输出的稳定性，功放输出驱动电流变压器TlO输出。电流变压器的输出经过零磁通互感器T20取样，取样后的电流再经过运放U30与精密电阻R50组成的I/V变换器做I/V变换，I/V变换的输出再通过电阻R20反馈回去，此处零磁通互感器采用精度为IPPM的互感器以保证系统的长期稳定性。 由于变压器对于直流信号是呈现低阻抗的状态，但是几乎所有功放的输出都会含有直流分量，所以在这里我们采用运放U20，电阻R30和电容Cl组成低通滤波器，来消除功放输出的直流部分，以保证变压器工作在正常状态下。
本高精度工频微差源主要功能是测试互感器校验仪的性能，具体测试方法是高精度工频微差源输出高精度标准信号Up或Ip，模拟标准互感器二次侧输出，Up或Ip连接到被检校验仪的标准输入端；然后将已知量值的差压信号Ux或者差流信号Ix叠加在信号Up 或者Ip上，叠加后的量与标准信号Up或者Ip的比值差Λ和相位差Λ φ是已知量，叠加后的量输入到互感器校验仪的被检输入端；比较互感器校验仪的测量值与△、△ Φ的值，得到被检互感器校验仪的比值误差和相位误差。
有益效果本高精度工频微差源采用全电子程控方式输出两路高精度标准信号， 两路高精度微差信号，其中微差信号可以叠加在标准信号上，组合后的信号相对于标准信号是一个已知比例或者已知角度偏差的信号。
图1是本发明高精度工频微差源中信号发生模块原理框图2是本发明高精度工频微差源中信号发生模块的前置放大电路图3是本发明高精度工频微差源中电压放大模块原理框图4是本发明高精度工频微差源中电流放大模块原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
参见图1至图4，本发明的高精度工频微差源，主要包括2个功能模块，即信号发生 模块和功率放大模块，功率放大模块又包含电压放大模块和电流放大模块，信号发生模块 输出的交流信号经过功率放大模块放大之后再输出给用户使用。
下面首先介绍一下信号发生模块，如图1所示，信号发生模块主要包括主控芯片 Blackfin531, watchdog 部分，SDRAM 部分，FLASH 部分，16 位的 DAC 部分，VREF 部分，光电 隔离部分，RS232通讯部分，数字隔离部分，前置放大部分。信号发生模块最终输出4路幅 度与相位都单独可调的电压信号VI，V2，V3，V4，其中VI，V2是通过数字隔离部分隔离后输 出的，与V3，V4F共地。供电电源AC-DC模块，其作用是给信号发生模块内部的所有芯片提 供工作电源，DC-DC模块为信号板提供通讯电源。主要工作过程所有信号处理和波形拟合 部分均由主控芯片Blackfin531处理器完成,watchdog部分主要用于防止程序跑飞，SDRAM 部分用于提供程序运行过程中的数据交换场所，通过数据总线与Blackfin531互连，FLASH 部分用于存放数据，通过数据总线与Blackfin531互联。Blackfin531拟合出来的波形通 过16BUDAC部分变成模拟信号，再通过前置放大部分将模拟信号输出，VREF部分用于给 16BIT的DAC提供参考电压，Blackfin531与上位机软件通讯是通过RS232串口来实现的， 通讯部分主要由Blackfin531的两根信号线发送(Tx)与接收(Rx)来完成，发送与接收信号 线通过光电隔离器来实现与外部信号的隔离，保证内部电路不受外部的影响。信号板部分 输出的4路电压信号，其中Vl为标准电压Up的启动信号，V3为差值电压Ux的启动信号，V2 为标准电流Ip的启动信号，V4为差值电流Ix的启动信号。
参见图2，前置放大组成和连接关系为DAC的输出经过一个电阻RQl输入到运放 UB的反相输入端，运放的正相输入端接地，在运放UB的反相输入端和输出端之间，并联有 桥臂电阻RQ2和补偿电容CQ，RQ2与RQl组成放大电路，最终的输出V为输入的RQ2/RQ1倍， CQ用于补偿电路中的相移。
电压放大模块原理框图如图3所示，包括差分运放，电阻，电容，功放U1，运放U2， 变压器。主要工作过程是信号发生模块输出的信号Vl或V3经过差分运放后，输出信号更 加平滑，失真度更小，再经过功放Ul放大，放大倍数由桥臂电阻Rl，R2决定，Rl和R2选用的 是IPPM的高精度电阻，以保证输出的稳定性，功放输出驱动电压变压器Tl作为最终输出。 由于变压器对于直流信号是呈现低阻抗的状态，但是几乎所有功放的输出都会含有直流分 量，所以在这里我们采用运放U2与R3、C组成低通滤波器，来消除功放输出的直流部分，以 保证变压器工作在正常状态下。
电流放大模块原理框图如图4所示，包括差分运放、电阻R10、电阻R20、电阻R30、 电阻R40、电容Cl、功放U10、运放U20、运放U30、变压器TlO和零磁通互感器T20。主要工 作过程是信号发生模块输出的信号V2或V4经过差分运放后，输出信号更加平滑，失真度 更小，再由功放UlO放大，放大倍数由桥臂电阻RlO和R20决定，RlO和R20选用的是高精度电阻，以保证输出的稳定性，功放输出驱动电流变压器TlO输出。电流变压器的输出经过 零磁通互感器T20取样，取样后的电流再经过运放U30与精密电阻R50组成的I/V变换器 做I/V变换，I/V变换的输出再通过电阻R20反馈回去，此处零磁通互感器采用精度为IPPM 的互感器以保证系统的长期稳定性。由于变压器对于直流信号是呈现低阻抗的状态，但是 几乎所有功放的输出都会含有直流分量，所以在这里我们采用运放U20，电阻R30和电容Cl 组成低通滤波器，来消除功放输出的直流部分，以保证变压器工作在正常状态下。
权利要求
1.一种高精度工频微差源，包括信号发生模块和功率放大模块，其特征在于所述的信号发生模块包括主控芯片、看门狗电路、同步动态随机存储器、闪存单元、数模转换单元、参考数模转换单元、光电隔离器、通讯单元、数字隔离单元和第一前置放大、第二前置放大，还有供电电源AC-DC模块给信号发生模块内部的所有芯片提供工作电源，以及DC-DC模块提供通讯电源；所述的看门狗电路、同步动态随机存储器、闪存单元分别通过数据总线与主控芯片连接;所述的主控芯片的输出经数模转换单元后分为两路输出一路经第一前置放大后直接输出V3，V4，另一路经数字隔离后再经第二前置放大后输出V1，V2，V1，V2与V3，V4不共地； 其中，Vl和V3为所述的功率放大模块的电压放大模块的启动信号，V2和V4为所述的功率放大模块的电流放大模块的启动信号；所述的前置放大组成和连接关系为=DAC的输出经过一个电阻RQl输入到运放UB的反相输入端，运放的正相输入端接地，在运放UB的反相输入端和输出端之间，并联有桥臂电阻RQ2和补偿电容CQ，RQ2与RQl组成放大电路，最终的输出V为输入的RQ2/RQ1倍，CQ用于补偿电路中的相移；所述的参考数模转换单元给数模转换单元提供参考电压；所述的通讯单元经光电隔离后与主控芯片连接。
2.根据权利要求1所述的高精度工频微差源，其特征在于所述的功率放大模块包括电压放大模块和电流放大模块；所述的电压放大模块包括第一差分运放器、第一至第四电阻R1/R2/R3/R4、第一电容 C、第一功放U1、第一运放U2和第一变压器Tl ；第一差分运放的输入为主控芯片的输出电压Vl或V3、输出至第一电阻；第一功放Ul的同相输入端输入第一电阻的输出；变压器初级的一端接第一功放Ul的输出、另一端接地，变压器次级为最终电压输出端;第二电阻两端分别连接在第一功放Ul的同相输入端和变压器次级输出端之间；第一功放Ul的反相输入端和输出端之间并联有第一电容C、第三电阻R3,以及第一运放U2的输出端和反相输入端；第一运放U2的同相输入端以及输出端经第四电阻R4后都接地；所述的电流放大模块包括第二差分运放、第五电阻R10、第六电阻R20、第七电阻R30、 第八电阻R40、第九电阻R50、第二电容Cl、第二功放U10、第二运放U20、第三运放U30、第二变压器TlO和零磁通互感器T20，第二差分运放的输入信号为信号发生模块主控芯片Blackf in531的输出电压V2或V4、 输出至第五电阻R10;第二功放UlO的同相输入端输入第五电阻RlO的输出；第二变压器TlO初级的一端接第二功放UlO的输出、另一端接地；第二功放UlO的反相输入端和输出端之间并联有第二电容Cl、第七电阻R30，以及第二运放U20的输出端和反相输入端；第二运放U20的同相输入端以及输出端经第八电阻R40后都接地；第三运放U30的同相和反相输入端分别接零磁通互感器T20初级线圈的两端，零磁通互感器T20的次级线圈的一端接第二变压器TlO次级线圈的一端； 第三运放U30的输入端经第六电阻R20后接第二功放UlO的同相输入端； 第九电阻R50的两端分别接在第三运放U30的输出端和反相输入端之间； 第二变压器TlO次级线圈的另一端和零磁通互感器T20的次级线圈的另一端最终输出电流； 电压回路Up和Ux的启动信号为Vl和V3，电流回路Ip和Ix的启动信号为V2和V4。
全文摘要
一种高精度工频微差源，其组成和连接关系为watchdog、SDRAM、FLASH分别通过数据总线与主控芯片连接，主控芯片输出经16BitDAC分为两路一路经第一前置放大后直接输出V3，V4，为电压回路UP和UX的启动信号,另一路经数字隔离后再经第二前置放大后输出V1，V2，为电流回路IP和IX的启动信号；VREFDAC给16BitDAC提供参考电压；RS232通讯单元经光电隔离后与主控芯片Blackfin531连接。本发明输出采用全数字波形拟合技术，输出波形的幅度和相位可单独通过软件控制调节，输出精度高，调节自动化程度高，标准回路与差值回路采用数字隔离方式，使输出的信号能任意叠加。
文档编号G01R1/28GK103018503SQ20121051070
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者潘峰, 肖勇, 孙卫明, 赵伟, 张永旺, 黄建钟, 陈刚 申请人:广东电网公司电力科学研究院