一种三相谐波标准源的制作方法

本实用新型涉及电力仪器领域，尤其涉及一种三相谐波标准源。

背景技术：

传统的三相谐波标准源，一般只能输出2至49次谐波，一般是基于功放 +变压器输出的方案或者SPWM调制输出，通过回采调整输出的幅值和相位，确保输出的精度。

对于功放+变压器输出的方案，频率越低所需的变压器匝数越多，低频特性受限于变压器体积和重量，因此一般难以输出较低的频率，无法输出直流，并且高次谐波含有率达不到100％，一般只能到40％，和谐波频率有关，频率越高，能输出的谐波含有率越低。

对于SPWM调制输出，其输出需要有合适的滤波器做滤波输出才能得到信号波形，并且输出波形失真大，因为输出和滤波器有关，所以难以做到宽频率范围输出。

因此，导致了当前的三相谐波标准源难以在宽频率范围内输出高精度模拟信号的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型公开了一种三相谐波标准源，解决了当前的三相谐波标准源难以在宽频率范围内输出高精度模拟信号的技术问题。

本实用新型提供了一种三相谐波标准源，包括：信号发生器、电流放大器和电压放大器；

信号发生器的第一输出端与电流放大器的输入端电连接；

电压放大器具体包括：第一运算放大器、MOS管T1、MOS管T2、MOS 管T3、MOS管T4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻 R6、电阻R7、直流电源V3和直流电源V4；

第一运算放大器的同相输入端与信号发生器的第二输出端电连接，第一运算放大器的反相输入端与电阻R1的第一端电连接，电阻R1的第二端接地；

第一运算放大器的输出端与电阻R6的第一端电连接；

电阻R6的第二端分别与MOS管T2的栅极和MOS管T3的栅极电连接，MOS管T2为N沟道的MOS管，MOS管T3为P沟道的MOS管；

MOS管T2和MOS管T3的源极接地；

MOS管T2的漏极与电阻R3的第一端电连接，MOS管T3的漏极与电阻 R5的第一端电连接；

电阻R3的第二端分别与电阻R4的第一端和MOS管T1的栅极电连接， MOS管T1为P沟道的MOS管；

电阻R5的第二端分别与电阻R7的第一端和MOS管T4的栅极电连接， MOS管T4为N沟道的MOS管；

电阻R4的第二端分别与直流电源V4的正极和MOS管T1的源极电连接；

电阻R7的第二端分别与直流电源V3的负极和MOS管T4的源极电连接；

MOS管T1和MOS管T4的漏极皆与电阻R2的第一端电连接，电阻R2 的第二端与第一运算放大器的反相输入端电连接，并以MOS管T1和MOS 管T4的漏极为电压放大器的输出端。

优选地，电流放大器具体包括：第二运算放大器、三极管F1、三极管F2、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、直流电源V1和直流电源V2；

信号发生器的第一输出端与电阻R8的第一端电连接，电阻R8的第二端与第二运算放大器的反相输入端电连接；

电阻R7的第一端与第二运算放大器的同相输入端电连接，电阻R7的第二端接地；

第二运算放大器的输出端与电阻R12的第一端电连接，电阻R12的第二端分别与三极管F1的基极和三极管F2的基极电连接，三极管F1为NPN型三极管，三极管F2为PNP型三极管；

三极管F1的集电极与直流电源V2的正极电连接，三极管F2的集电极与直流电源V1的负极电连接；

三极管F1的发射极和三极管F2的发射极皆与电阻R10的第一端电连接；

电阻R10的第一端与电阻R9的第一端电连接，电阻R9的第二端与运算放大器的反相输入端电连接；

电阻R10的第二端与电阻R11的第一端电连接，电阻R11的第二端与运算放大器的同相输入端电连接；

电阻R13的第一端接地，电阻R13的第二端与电阻R10的第二端电连接，并以电阻R10的第二端为电流放大器的输出端。

优选地，信号发生器具体包括：DSP、波形DAC和幅值DAC；

DSP的第一输出端与波形DAC的第一输入端通信连接；

DSP的第二输出端与幅值DAC的输入端通信连接；

幅值DAC的输出端与波形DAC的第二输入端通信连接；

波形DAC的第一输出端与电流放大器的输入端电连接；

波形DAC的第二输出端与第一运算放大器的同相输入端电连接。

优选地，还包括：三极管F3、电阻R14和电阻R15和电阻RL；

三极管F3的集电极与电阻R6的第二端电连接，三极管F3的发射极与电阻R14的第二端电连接，三极管F3的基极与电阻R15的第一端电连接，三极管F3为NPN型三极管；

电阻R14的第一端与MOS管T2的源极电连接，R15的第二端与MOS 管T2的源极电连接；

电阻R14的第二端与电阻RL的第一端电连接，电阻RL的第二端接地。

优选地，还包括：三极管F4、电阻R16和R17；

三极管F4的集电极与电阻R6的第二端电连接，三极管F4的发射极与电阻R16的第二端电连接，三极管F4的基极与电阻R17的第一端电连接，三极管F4为PNP型三极管；

电阻R16的第一端与MOS管T3的源极电连接，R17的第二端与MOS 管T3的源极电连接；

电阻R16的第二端与电阻RL的第一端电连接。

优选地，信号发生器还包括：脉冲触发器、差值控制器和DDS数字频率合成器；

脉冲触发器与DSP的第一输入端电连接；

DSP的第三输出端与差值控制器电连接；

差值控制器与DDS数字频率合成器电连接；

DDS数字频率合成器与波形DAC的第三输入端电连接。

优选地，信号发生器还包括：FLASH芯片；

FLASH芯片的输入端与DSP的第四输出端通信连接。

优选地，还包括：上位机；

上位机与信号发生器的输入端电连接。

优选地，上位机具体包括：PC机和TFT显示屏。

优选地，上位机具体包括：工控机和触摸屏。

从以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下优点：

本实用新型提供了一种三相谐波标准源，包括：信号发生器、电流放大器和电压放大器；信号发生器的第一输出端与电流放大器的输入端电连接；电压放大器具体包括：第一运算放大器、MOS管T1、MOS管T2、MOS管 T3、MOS管T4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、直流电源V3和直流电源V4；第一运算放大器的同相输入端与信号发生器的第二输出端电连接，第一运算放大器的反相输入端与电阻R1的第一端电连接，电阻R1的第二端接地；第一运算放大器的输出端与电阻R6的第一端电连接；电阻R6的第二端分别与MOS管T2的栅极和MOS管T3的栅极电连接，MOS管T2为N沟道的MOS管，MOS管T3为P沟道的MOS管； MOS管T2和MOS管T3的源极接地；MOS管T2的漏极与电阻R3的第一端电连接，MOS管T3的漏极与电阻R5的第一端电连接；电阻R3的第二端分别与电阻R4的第一端和MOS管T1的栅极电连接，MOS管T1为P沟道的MOS管；电阻R5的第二端分别与电阻R7的第一端和MOS管T4的栅极电连接，MOS管T4为N沟道的MOS管；电阻R4的第二端分别与直流电源 V4的正极和MOS管T1的源极电连接；电阻R7的第二端分别与直流电源V3 的负极和MOS管T4的源极电连接；MOS管T1和MOS管T4的漏极皆与电阻R2的第一端电连接，电阻R2的第二端与第一运算放大器的反相输入端电连接，并以MOS管T1和MOS管T4的漏极为电压放大器的输出端。

本实用新型中，采用MOS管作为功率器件，其输出频带可以宽至几十兆； MOS管T1和MOS管T4的输出可以通过电阻R2进行反馈，采用硬件实现闭环反馈的线性功放电路，保证了输出精度；并且采用MOS管T1和T3的作用，只需要正负10V的直流电源即可驱动第一运算放大器，巧妙实现了以低压控制高压的目的，解决了当前的三相谐波标准源难以在宽频率范围内输出高精度模拟信号的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例中提供的一种三相谐波标准源的电压放大器的电路图；

图2为本实用新型实施例中提供的一种三相谐波标准源的电流放大器的电路图；

图3为本实用新型实施例中提供的一种三相谐波标准源的电压过载保护电路的电路图。

具体实施方式

本实用新型实施例公开了一种三相谐波标准源，解决了当前的三相谐波标准源难以在宽频率范围内输出高精度模拟信号的技术问题。

请参阅图1、图2和图3，本实用新型实施例中提供的一种三相谐波标准源的一个实施例包括：信号发生器、电流放大器和电压放大器；

信号发生器的第一输出端与电流放大器的输入端电连接；

电压放大器具体包括：第一运算放大器、MOS管T1、MOS管T2、MOS 管T3、MOS管T4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻 R6、电阻R7、直流电源V3和直流电源V4；

第一运算放大器的同相输入端与信号发生器的第二输出端电连接，第一运算放大器的反相输入端与电阻R1的第一端电连接，电阻R1的第二端接地；

第一运算放大器的输出端与电阻R6的第一端电连接；

电阻R6的第二端分别与MOS管T2的栅极和MOS管T3的栅极电连接， MOS管T2为N沟道的MOS管，MOS管T3为P沟道的MOS管；

MOS管T2和MOS管T3的源极接地；

MOS管T2的漏极与电阻R3的第一端电连接，MOS管T3的漏极与电阻 R5的第一端电连接；

电阻R3的第二端分别与电阻R4的第一端和MOS管T1的栅极电连接， MOS管T1为P沟道的MOS管；

电阻R5的第二端分别与电阻R7的第一端和MOS管T4的栅极电连接， MOS管T4为N沟道的MOS管；

电阻R4的第二端分别与直流电源V4的正极和MOS管T1的源极电连接；

电阻R7的第二端分别与直流电源V3的负极和MOS管T4的源极电连接；

MOS管T1和MOS管T4的漏极皆与电阻R2的第一端电连接，电阻R2 的第二端与第一运算放大器的反相输入端电连接，并以MOS管T1和MOS 管T4的漏极为电压放大器的输出端。

需要说明的是，耐压要求主要由T1和T4承担；

当第一运算放大器的输出为正向电压时，MOS管T2导通，直流电源V4 通过电阻R4、电阻R3和MOS管T2接地，并在偏置电阻R4、电阻R3上产生分压，这时MOS管T1的G极电压低于D极电压，MOS管T1将开通，直流电源V4将有一部分电压加到Vout上，并通过反馈电阻R2送回第一运算放大器反相输入端，完成负反馈；

由于加在MOS管T3上的门电压为正，因此此时MOS管T3是截止的，由于MOS管T3截止，MOS管T4的G、D两极等电位，因此MOS管T4也是截止状态；

当输入为负向电压时，第一运算放大器的输出为负向电压时，加在MOS 管T3上的门极上的电压为负，P沟道的MOS管T3将开通，电流从“地”上通过MOS管T3、电阻R5、电阻R7流向负电源，从而在电阻R7上产生压降，电阻R7上的电压加到MOS管T4的门极上使得MOS管T4开通，电流从地上通过T4流向直流电源V3，从而有负电压加载到Vout上，并通过反馈电阻 R2完成负反馈；

在这个过程中由于加在MOS管T2上的是负电压，因此MOS管T2不导通，MOS管T1也处于关断状态；

输出电压可以正确得到反馈，并且由于MOS管T2和MOS管T3的作用，使得第一运算放大器的输出只需要±10V即可满足驱动要求，从而巧妙地实现了以低压控制高压的目的；

采用MOS管作为功率器件，其输出频带很宽可以达几十兆以上；

输出运放可选择OPA277，其单位增益带宽可达1.5MHz；

反馈电阻R2可选择精密铂电阻，其输出稳定度高达2ppm，感抗小于1 μH；

采用硬件实现闭环反馈的线性功放电路，保证了输出精度，电压功放可以高带宽、高精度地输出交直流，并且能够高精度的放大输出直流到5kHz的纯正弦波、谐波、次谐波、谐波叠加等动态功率信号。

进一步地，电流放大器具体包括：第二运算放大器、三极管F1、三极管 F2、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、直流电源V1和直流电源V2；

信号发生器的第一输出端与电阻R8的第一端电连接，电阻R8的第二端与第二运算放大器的反相输入端电连接；

电阻R7的第一端与第二运算放大器的同相输入端电连接，电阻R7的第二端接地；

第二运算放大器的输出端与电阻R12的第一端电连接，电阻R12的第二端分别与三极管F1的基极和三极管F2的基极电连接，三极管F1为NPN型三极管，三极管F2为PNP型三极管；

三极管F1的集电极与直流电源V2的正极电连接，三极管F2的集电极与直流电源V1的负极电连接；

三极管F1的发射极和三极管F2的发射极皆与电阻R10的第一端电连接；

电阻R10的第一端与电阻R9的第一端电连接，电阻R9的第二端与运算放大器的反相输入端电连接；

电阻R10的第二端与电阻R11的第一端电连接，电阻R11的第二端与运算放大器的同相输入端电连接；

电阻R13的第一端接地，电阻R13的第二端与电阻R10的第二端电连接，并以电阻R10的第二端为电流放大器的输出端。

需要说明的是，工频电流放大器一般采用交流互感器，市面上存在可以反馈交直流的零磁通交直流互感器，但是价格非常昂贵，交流互感器作为反馈取样环节，好处是取样功率小，不受输出电流大小的限制，但是存在无法反馈直流且带宽一般非常低的缺点，无法用在反馈环节里面；

本实施例中的电流放大器采用电阻取样反馈的方式；

桥臂电阻R7、R8、R9、R11可选高匹配度的精密电阻，精密电阻的温漂为2ppm；

取样电阻R4采用温漂低到5ppm的分流器；

因此电流功放可以交直流输出，并且能够高精度的放大输出直流到5kHz 的纯正弦波、谐波、次谐波、谐波叠加等动态功率信号；

为了提高低端输出的精度功放输出还需要考虑换挡，电流功放的换挡是通过切换不同的取样电阻阻值来实现的。

进一步地，信号发生器具体包括：DSP、波形DAC和幅值DAC；

DSP的第一输出端与波形DAC的第一输入端通信连接；

DSP的第二输出端与幅值DAC的输入端通信连接；

幅值DAC的输出端与波形DAC的第二输入端通信连接；

波形DAC的第一输出端与电流放大器的输入端电连接；

波形DAC的第二输出端与第一运算放大器的同相输入端电连接。

需要说明的是，DSP为信号发生器的核心，其内部对信号的控制过程如下：

DSP包括：通讯控制接口、启动触发控制、DMA控制器、波形下载管理、波形拟合算法、输出波形缓冲区、幅值控制逻辑、DMA控制器、幅值DAC、波形DAC；

通讯控制接口和波形数据下载管理连接，接收处理上层软件波形数据；

通讯控制接口和启动触发控制连接，接收处理上层软件发送的启动和触发控制信号；

通讯控制接口和波形拟合算法连接，波形拟合算法接收上层软件的控制信号，拟合输出正弦波、方波、直流、三角波、谐波叠加等波形数据；

通讯控制接口和幅值控制逻辑连接，控制动态信号波形的幅值输出；

波形数据下载管理和波形缓冲区连接、波形拟合算法和输出波形缓冲区连接，将波形数据缓存至输出波形缓冲区；

输出波形缓冲区和DMA控制器连接，DMA控制器从输出波形缓冲区读取数据并输出；

启动触发控制和DMA控制器连接，启动触发控制对DMA控制器进行控制。

之后幅值控制逻辑和幅值DAC连接，控制输出波形的幅值大小；

DMA控制器和波形DAC连接，波形DAC接收DMA传送的波形数据，控制输出波形的形状；

幅值DAC和波形DAC连接，双DA发生输出动态信号。

DSP可采用高速双核DSP(BF609)+DDR的结合，通过高速DSP进行大数据量的波形数据拟合，DSP内置几百兆的SDRAM，拟合好的波形可以直接存储在系统的内存(SDRAM)中，并通过DMA控制，在CPU不干涉的情况下按照固定的速率送给DAC进行输出，本系统使用ADI的高速高精度 DAC，数据传输率高达50Mbit/s，通过幅值DAC和波形DAC级联构成双DA，理论能够拓展32位的DAC精度；

当通讯控制接口接收上层设置的参数，通过波形拟合算法输出数字波形数据，数字波形数据通过幅值DAC和波形DAC还原为模拟信号，因此其数字波形数据直接决定还原出的模拟信号波形；

波形拟合算法是信号发生器的关键。波形拟合算法具体实现如下，包含谐波的正弦波形拟合的基本公式：

其中，n代表了谐波次数，通过公式(1)在一个周波时间内按一定的间隔取离散化的数值序列用于DAC的输出，取值点的数量和DAC的速率相匹配。假设DAC的传输速率是m＝50Mbit/s，要输出的波形的频率为f＝50Hz，一个点为16位bit的数据，那么需要的取值点数为N，则：

也就是每周波有62500点的数据，其中62500点数据就是经过波形拟合算法生成的波形数据；

目前，电力系统里面的常见的标准源一般每周波在360点到3600点；实际上每周波达到1万点以上就可以做非常精确细腻的波形输出，即使输出20 次谐波，20次谐波的波形每周波还有500点的数据量，超过现有的每周波在 360点到3600点，确保信号发生器能够精确的输出动态信号；

将三角波加上直流偏置还可以得到锯齿波，由于DMA输出速率已知，因此公式波形的采样率已知，从而可以通过运算得到输出频率的波形数据点数；

只要是周期波形，只要缓存一个周波数据，循环输出即可以得到想要的波形信号；

采用高速16位的DAC(通讯速率50MBit/s)，本实施例可以实现在50Hz 时每周波高达3～5万点的波形拟合能力，因此可以输出高精度的高次谐波，且拥有极低的波形失真度；

信号发生器采用了支持乘法参考输入功能的DAC，因此可以支持动态的参考电压输入，从而实现双DAC架构：波形DAC和幅值DAC；

波形DAC用于输出波形信号，幅值大小通过幅值DAC控制，两个DAC 都为16位，从而在不牺牲速率的前提下提供了最高32位的信号解析度。

DSP除了对信号发生的控制，还可以根据用户输出的设定值和挡位控制逻辑值表，完成挡位控制功能或者完成对系统的保护，主要有电压过载、电流过载以及系统过热，当保护发生时系统将停止输出并给出提示音，并通过通讯控制单元往上位机的人机界面发送告警信号，从而提醒用户。

进一步地，还包括：三极管F3、电阻R14和电阻R15和电阻RL；

三极管F3的集电极与电阻R6的第二端电连接，三极管F3的发射极与电阻R14的第二端电连接，三极管F3的基极与电阻R15的第一端电连接，三极管F3为NPN型三极管；

电阻R14的第一端与MOS管T2的源极电连接，R15的第二端与MOS 管T2的源极电连接；

电阻R14的第二端与电阻RL的第一端电连接，电阻RL的第二端接地。

需要说明的是，功放在实际使用中由于被测负载是经常变化的，因此很容易由于误接线或负载的原因导致输出过载，电压功放的过载情况主要有：

负载阻抗太小，功率超出了功放的输出能力；输出对地短路；相间短路；这其中最严酷的是相间短路的情况，因为电压高、冲击大，非常容易导致功放烧毁；

电流功放的过载主要为被试装置的电流回路的输入阻抗过大，导致超出功放的输出能力或者输出开路；

对于电流功放而言，这两种情况都不会对功放本身的安全造成威胁；

由于电流功放的输出端口电压有限(一般只有几伏的端口电压)，因此开路对使用者的人身安全也不会造成威胁；

电流功放这一点不同于电流互感器，电流互感器本质是一个变压器，由于非常高的次级绕组数量(相对于初级绕组)，如果开路的话将变成一个很高电压输出的升压变压器，对人身威胁较大，因此电流互感器是严禁开路的；

本实施例中的电压过载采用限流的方式进行保护，并在检测到过流后迅速停止输出，从而保护电压放大器的安全；

电压过载保护电路由电阻R14、电阻R15和三极管F3组成；

当输出过载时，流过电阻R14的电流将激增并在电阻R14上产生电压降，这个电压将加载在三极管F3的基极上从而引起三极管F3导通，随着三极管 F3开通的增加三极管F3将把T2栅极的电压拉低，因此T2栅极上的电流将被限制；

电阻R15的作用在于保护三极管F3，在瞬间的电压尖峰加载到三极管F3 上时不至于造成损坏；

对于电流功放来说，因为过载时大部分电压将加载在负载上，这对于输出功率管来说反而是负担最轻的情况，因此电流功放本身不怕过载；

电流功放的过载保护对于功放本身的可靠性来说没有意义，但是对于提醒用户功放的状态有用的，电流功放过载时驱动输出将达到最大值，严重时呈现方波形式，根据这个特点一般在驱动级设置比较器来判断是否过载。

进一步地，还包括：三极管F4、电阻R16和R17；

三极管F4的集电极与电阻R6的第二端电连接，三极管F4的发射极与电阻R16的第二端电连接，三极管F4的基极与电阻R17的第一端电连接，三极管F4为PNP型三极管；

电阻R16的第一端与MOS管T3的源极电连接，R17的第二端与MOS 管T3的源极电连接；

电阻R16的第二端与电阻RL的第一端电连接。

需要说明的是，对MOS管T3的电压过载保护电路的原理同上。

进一步地，信号发生器还包括：脉冲触发器、差值控制器和DDS数字频率合成器；

脉冲触发器与DSP的第一输入端电连接；

DSP的第三输出端与差值控制器电连接；

差值控制器与DDS数字频率合成器电连接；

DDS数字频率合成器与波形DAC的第三输入端电连接。

需要说明的是，脉冲触发器提供外部的脉冲触发信号，DSP可以记录脉冲触发和DAC的过零时刻，通过在差值控制器中对脉冲触发和DAC的过零时刻的差异来调节DDS数字频率合成器的输出，DDS数字频率合成器作为 DAC的输出时钟，调节DDS数字频率合成器的输出就可以调节波形DAC的过零时刻，直到波形DAC的过零时刻和触发脉冲的到来时刻基本同步；

调节过程使用PID调节方式来锁相，让系统的频率输出时刻跟踪上触发信号，确保输出的频率、相位准确度。由于中断响应时间是不确定的，在程序修改、或不同的控制板的情况下，都可能导致中断响应时间的差异，为了能够精确补偿由于中断响应不同导致的锁相误差，在软件上设置有触发延迟补偿设置，可以人工给定一个补偿值来调整最终的同步误差。经实际测试发现系统的跟踪误差为1μs左右，启动到同步稳定时间小于5s，具有较高的灵敏度。

进一步地，信号发生器还包括：FLASH芯片；

FLASH芯片的输入端与DSP的第四输出端通信连接。

进一步地，还包括：上位机；

上位机与信号发生器的输入端电连接。

进一步地，上位机具体包括：PC机和TFT显示屏。

需要说明的是，上位机可以是PC机和TFT显示屏，为了方便输入，还可以设置键盘和鼠标等输入设备。

除此之外，上位机还可以是：工控机和触摸屏。

需要说明的是，本实用新型中，采用MOS管作为功率器件，其输出频带可以宽至几十兆；MOS管T1和MOS管T4的输出可以通过电阻R2进行反馈，采用硬件实现闭环反馈的线性功放电路，保证了输出精度；并且采用MOS 管T1和T3的作用，只需要正负10V的直流电源即可驱动第一运算放大器，巧妙实现了以低压控制高压的目的，解决了当前的三相谐波标准源难以在宽频率范围内输出高精度模拟信号的技术问题。

并且通过高速DSP+双DA信号发生技术确保信号发生能够精确的模拟非稳态、非正弦的模拟信号，能够输出直流到5kHz的纯正弦波、谐波、次谐波等任意波形，结合高精度、高带宽、采用硬件闭环反馈的线性功放做电压电流功率放大，确保动态信号能够得到高保真的放大，动态功率信号的输出精度高。

以上对本实用新型所提供的一种三相谐波标准源进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。