一种高精度的直流电能计量标准源的制作方法

本实用新型属于直流电能计量技术领域，具体涉及一种高精度的直流电能计量标准源。

背景技术：

目前用于直流充电机进行能效评估的直流电能计量标准源设备，需要实现直流大电流的精准测量，并在直流电流源和电压源上叠加高精度的交流成分、以进行能效评估和现场校验工作；针对于直流大电流测量，传统主要采用四端电阻法、霍尔法、磁光效应测量法和直流比较仪法；四端电阻法测量电流时由于电阻自热会导致精度降低，且功耗和设备体积较大；霍尔法测量电流时受外界温度影响较大，所以精度难以提高；磁光效应测量法操作简单且能够防止被电磁干扰，但是其测量的精度也较低；而针对于直流纹波叠加下的高精度输出与计量，目前尚无相关成熟应用技术。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种快捷、方便、结构简单、固定效果好、柔性固定的高精度的直流电能计量标准源。

本实用新型的目的是这样实现的：一种高精度的直流电能计量标准源，包含直流比较仪，高精度的直流电能计量标准源包含有恒压源、恒流源、电能误差计算模块、电能脉冲采集模块、误差显示模块、fpga；fpga连接dac模块，用户经计算机界面连接微处理器，微处理器连接直流恒压源、恒流源，直流恒压源和恒流源连接测试仪，测试仪连接校准系统的脉冲采集模块，电能误差计算模块连接测试仪和校准系统和显示模块；所述的fpga连接有纹波叠加单元，纹波叠加单元由dac模块、adc模块、调理电路、取样模块、高压输出运放模块、加法器组成；所述的加法器、高压输出运放模块、取样模块依次串联。

本实用新型提供的高精度的直流电能计量标准源，还具有以下技术特征：

进一步地，所述的fpga采用大容量的现场可编程逻辑门阵列模块，型号10m50sce144c8g。

进一步地，dac模块为16位ad5622a。

进一步地，adc模块为20位的sar型ltc2378。

进一步地，gps时钟校验模块包含tdc-gpx芯片。

进一步地，取样模块主要分为电压取样模块和电流取样模块，电压取样模块通过多个电阻串联，然后并联在电压输出的红黑端子上；电流取样模块是通过把取样电阻串联在输出黑端接回系统参考地的回路中。

进一步地，加法器采用通用型精密运放opa189。

进一步地，fpga将预设电压/电流值经dac模块转为模拟量，模拟电压经功率放大和变压器升压模块后，输出相应量程的电压值；用户经计算机界面设定校准点并传递至微处理器，微处理器计算选定的电压、电流，控制直流恒压源、恒流源切换到最佳量程，同时输出所需的电压、电流至被校测试仪；测试仪产生标准脉冲，输出至校准系统的脉冲采集模块；电能误差计算模块比较测试仪脉冲数和校准系统脉冲数进行电能误差计算，并传递数据值至显示模块进行显示；所述的fpga通过dac模块连接直流预运放模块和纹波预运放模块，所述的取样模块通过调理电路连接直流预运放模块和纹波预运放模块，所述的直流预运放模块和纹波预运放模块加法器并联连接。

进一步地，采用直流比较仪技术，采用磁通检测模块将待测电流转换为电压信号，并控制功率放大器控制输出，最终使得铁芯达到磁平衡，以实现大电流的精准测量；时钟校验：集成了高精度gps绝对时钟接收功能

进一步地，检定时系统误差的主要来源为被检脉冲与标准脉冲上升沿不一致，本测试仪的解决方案是通过脉冲延时数字补偿技术，采用tdc芯片。

进一步地，纹波叠加模块的整体结构介绍如下：需要叠加的纹波(即交流)信号与本身的直流信号在系统中有着类似的处理方法；单纯从纹波的角度来看，它主要由独立的数模转换器，交流信号处理电路，加法器，功率输出，高压采样，隔直电路，反馈电路以及与直流共用的模数转换器等组成。

进一步地，fpga采用大容量的现场可编程逻辑门阵列模块，型号10m50sce144c8g，最大频率达450mhz，可编程逻辑资源为50k，可用内存1677312bits，片上有flash存储无需外围配置芯片即可独立实现强大的逻辑编程和数据处理，fpga具有继电器切换、收据采集等功能，可提升系统处理效率。

进一步，直流恒压源，恒压源通过电阻分压采样进行反馈，以保证整个系统的稳定运行；其中u1负责信号的预处理，型号为opa189，拥有极小的3μv失调电压以及5.2nv/√hz的噪声表现，可以完美地对来自dac的信号进行放大预处理，即调整幅值及提供驱动能力；u2负责功率放大，型号为lm3886；通过变压器进行放大后最大可输出1150v，经电阻采样进行反馈。

进一步，恒流源通过电阻采样进行反馈，以保证整个系统的稳定运行；其中u1负责信号的预处理，型号为opa189，拥有极小的3μv失调电压以及5.2nv/√hz的噪声表现，可以完美地对来自dac的信号进行放大预处理，即调整幅值及提供驱动能力；u2负责功率放大，型号为lm3886，通过变压器进行放大后最大可输出600a；输出电流电阻采样进行反馈。

进一步，直流的dac采用16位ad5622a，其失调电压极低，仅10mv，可控制直流输出的幅值；纹波采用双dac方式进行处理，其中1块是12位的ad7845j，它负责产生不同频率的交流波形，另一dac模块是ad5622a，它负责对交流波形调幅。

进一步，adc模块采用20位的sar型ltc2378，模块拥有1000ksps的采样速率，对所述项目中所涉及到的频带都有着极好的采样效果；通过将电压信号、电流信号进行反馈采样处理为数字型号，并送入fpga进行运算处理。

进一步，gps时钟校验模块采用tdc-gpx芯片进行测量，该芯片是一种基于内部传播时间延迟的数字转换器，包括3路lvpecl差分输入和8路lvttl单端测试通道，其出发沿均可配置，测量精度达27ps。

进一步，调理电路介绍如下，电压反馈、电流反馈传输过程中不可避免受到高频噪声等干扰，通过设计低通滤波器抑制干扰，通过设计二阶巴特沃斯低通滤波器进行信号调理。

进一步，取样模块主要分为电压取样和电流取样；电压取样通过多个电阻串联，然后并联在电压输出的红黑端子上，将1000v的高压分压为1v的低压采样信号，电阻采用进口精密电阻，其温度飘移仅为±10ppm；分压电阻的总阻值高压10mω，不会分流造成电流输出能力下降；电流取样是通过把取样电阻串联在输出黑端接回系统参考地的回路中来实现的，不同的电流量程采用不同的采样电阻与之对应。

进一步，关于加法器，本发明创造使用加法器的参数为：输出信号＝直流信号+0.2*交流信号，可实现在不衰减纹波信号的情况下，完成纹波含量为直流的20％的要求；加法器采用通用型精密运放opa189；同时加入继电器设计，可实现加法器控制不同的带宽，以满足信号的输出频带要求。

传统方法及其不足：传统方案为实现在直流电量上添加纹波成分，直接用da输出混合波形(直流加纹波)，然后功率放大输出，在输出端将波形进行交流反馈，保证整个系统的稳定运行，此方法主要有以下三点不足：

①、波形的调节分辨率低。在原da的区间内，不仅需要实现直流满度，还要叠加最多20％的纹波成分。在最理想的情况下，加入20％纹波成分后，直流值满度值为原满度值的78％，故调节分辨率大大降低。

②、直流的精度低。因直流与纹波采用相同的输出、反馈硬件结构，而纹波是交流信号，对于带宽的要求范围大，使得直流信号中存在大量噪声成分，直接降低了直流电参数精度。

③、调节机制不稳定，由于运算放大器对于直流和纹波的处理效果不同，所以在混叠了纹波的直流波形中，直流和交流成分的调节无法同步的，这会导致反馈系统的不稳定现象，进而影响整个系统运行的稳定性。

本发明创造的改进方法和思路：在硬件和软件上分离直流和纹波，具体如下：

①、将直流和纹波在生成和反馈处进行分离，在功率放大和输出处进行叠加，后端用adc进行采样；直流和纹波都有其独立的dac，不同的硬件放大和反馈电路，独立的dac可保证直流和交流更高的调节分辨率和输出精度。

同时，直流回路带宽较低，可有效去除高频噪声，提升输出的稳定度；纹波电路中可以进行隔直操作，消除由运放产生的失调电压等直流噪声；模块化设计保证了直流和纹波信号的准确度。

②、增加数字电路和模拟电路之间的电气隔离。因dac在不同的频率工作状态下，会有不同的噪声输出，这将影响设备的直流输出性能；根据相关标准，纹波的频率需在100hz～1khz之间调整，所以在不同频率下输出时，直流电量的准确度会受到不同程度的影响；通过隔离数字电路与模拟电路，可有效消除dac对直流电量的干扰。

关于本发明创造使用的fpga介绍：fpga器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵，能够有效的解决原有的器件门电路数较少的问题；fpga芯片并非单纯局限于研究以及设计芯片，而是针对较多领域产品都能借助特定芯片模型予以优化设计；从芯片器件的角度讲，fpga本身构成了半定制电路中的典型集成电路，其中含有数字管理模块、内嵌式单元、输出单元以及输入单元等。

为了方便理解本发明创造，本发明创造涉及的标准电压/电流输出、纹波叠加、差检定原理介绍如下：

(1)标准电压/电流输出：fpga将预设电压/电流值经dac模块转为模拟量，模拟电压经功率放大和变压器升压模块后，输出相应量程的电压值，其最大输出电压达1150v，最大输出电流600a：装置采用直流比较仪技术实现直流大电流的精准反馈测量，电压/电流准确度等级可达0.02级。

(2)纹波叠加：采用纹波叠加及精密电能计量技术，将直流分量和交流纹波分量分别计量，解决了在直流大电压源、电流源中叠加频带100hz～1000hz、幅值和相位均可调的高精度交流成分，并能实现纹波叠加下直流电能的精准计量，纹波准确度达可0.05级。

(3)差检定原理：检定时系统误差的主要来源为被检脉冲与标准脉冲上升沿不一致，本测试仪的解决方案是通过脉冲延时数字补偿技术，采用tdc芯片，分辨率达55ps，来测量标准脉冲与被检脉冲二者上升沿的延时，对其进行数字补偿，以实现更高的量传精度。

微处理器和fpga控制dac模块产生预设的交直流电量，经预运放模块、加法器和高压输出运放输出为所需的电量；同时，通过取样和调理模块反馈输出至预运放模块进行调节，保证输出电量的准确度；对于叠加了特定纹波量的电能测量，在预设时间为t、共n个采样点的电能e计算如下公式所示：

式中，直流电压、直流电流平均值；

纹波电压、纹波电流有效值；

θ：纹波电压和纹波电流之间的相位角。

本实用新型的有益效果：本发明创造就具体的技术手段而言，具体的说具有如下有益效果：

(1)电能检定：可输出最大1150v/600a的直流电压/电流，电能准确度达0.05级，可针对电动汽车充电机进行电压/电流、功率/电能等测试；

(2)纹波叠加：可在直流大电压源、电流源中叠加频带100hz～1000hz的高精度交流成分，其幅值、相位均可调，以进行测试仪纹波影响试验。

(3)时钟校验：集成了高精度gps绝对时钟接收功能，可实时显示北京时间，完成对充电机现场检测装置的时钟示值误差的检定。

附图说明

图1是本实用新型一种高精度的直流电能计量标准源的系统示意图。

图2是本实用新型一种高精度的直流电能计量标准源的纹波叠加单元示意图。

图3是本实用新型一种高精度的直流电能计量标准源的纹波叠加模块示意图。

图4是本实用新型一种高精度的直流电能计量标准源的恒压源示意图。

图5是本实用新型一种高精度的直流电能计量标准源的恒流源示意图。

图6是本实用新型一种高精度的直流电能计量标准源的调理电路示意图。

图7是本实用新型一种高精度的直流电能计量标准源的加法器示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型；需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1-7所示，一种高精度的直流电能计量标准源，包含直流比较仪，高精度的直流电能计量标准源包含有恒压源、恒流源、电能误差计算模块、电能脉冲采集模块、误差显示模块、fpga；fpga连接dac模块，用户经计算机界面连接微处理器，微处理器连接直流恒压源、恒流源，直流恒压源和恒流源连接测试仪，测试仪连接校准系统的脉冲采集模块，电能误差计算模块连接测试仪和校准系统和显示模块；所述的fpga连接有纹波叠加单元，纹波叠加单元由dac模块、adc模块、调理电路、取样模块、高压输出运放模块、加法器组成；所述的加法器、高压输出运放模块、取样模块依次串联。

在本申请的一个实施例中，如图1-2所示，所述的fpga连接有纹波叠加单元，纹波叠加单元由dac模块、adc模块、直流预运放模块、调理电路、纹波预运放模块、取样模块、高压输出运放模块、加法器组成；所述的加法器、高压输出运放模块、取样模块依次串联；所述的fpga通过dac模块连接直流预运放模块和纹波预运放模块，所述的取样模块通过调理电路连接直流预运放模块和纹波预运放模块，所述的直流预运放模块和纹波预运放模块加法器并联连接。

在本申请的一个实施例中，如图1-2所示，所述的fpga将预设电压/电流值经dac模块转为模拟量，模拟电压经功率放大和变压器升压模块后，输出相应量程的电压值；用户经计算机界面设定校准点并传递至微处理器，微处理器计算选定的电压、电流，控制直流恒压源、恒流源切换到最佳量程，同时输出所需的电压、电流至被校测试仪；测试仪产生标准脉冲，输出至校准系统的脉冲采集模块；电能误差计算模块比较测试仪脉冲数和校准系统脉冲数进行电能误差计算，并传递数据值至显示模块进行显示。

本实施例实施时，可以达到如下技术效果(1)电能检定：可输出最大1150v/600a的直流电压/电流，电能准确度达0.05级，可针对电动汽车充电机进行电压/电流、功率/电能等测试；(2)纹波叠加：可在直流大电压源、电流源中叠加频带100hz～1000hz的高精度交流成分，其幅值、相位均可调，以进行测试仪纹波影响试验；(3)时钟校验：集成了高精度gps绝对时钟接收功能，可实时显示北京时间，完成对充电机现场检测装置的时钟示值误差的检定。

在本申请的一个实施例中，所述的fpga采用大容量的现场可编程逻辑门阵列模块，型号10m50sce144c8g。

在本申请的一个实施例中，dac模块为16位ad5622a。

在本申请的一个实施例中，adc模块为20位的sar型ltc2378。

在本申请的一个实施例中，gps时钟校验模块包含tdc-gpx芯片。

在本申请的一个实施例中，取样模块主要分为电压取样模块和电流取样模块，电压取样模块通过多个电阻串联，然后并联在电压输出的红黑端子上；电流取样模块是通过把取样电阻串联在输出黑端接回系统参考地的回路中。

在本申请的一个实施例中，加法器采用通用型精密运放opa189。

在本申请的一个实施例中，检定时系统误差的主要来源为被检脉冲与标准脉冲上升沿不一致，本测试仪的解决方案是通过脉冲延时数字补偿技术，采用tdc芯片。

如图3所示，在本申请的一个实施例中，纹波叠加模块的整体结构介绍如下：需要叠加的纹波(即交流)信号与本身的直流信号在系统中有着类似的处理方法；单纯从纹波的角度来看，它主要由独立的数模转换器，交流信号处理电路，加法器，功率输出，高压采样，隔直电路，反馈电路以及与直流共用的模数转换器等组成。

在本申请的一个实施例中，fpga采用大容量的现场可编程逻辑门阵列模块，型号10m50sce144c8g，最大频率达450mhz，可编程逻辑资源为50k，可用内存1677312bits，片上有flash存储无需外围配置芯片即可独立实现强大的逻辑编程和数据处理，fpga具有继电器切换、收据采集等功能，可提升系统处理效率。

如图4所示，在本申请的一个实施例中，直流恒压源，恒压源通过电阻分压采样进行反馈，以保证整个系统的稳定运行；其中u1负责信号的预处理，型号为opa189，拥有极小的3μv失调电压以及5.2nv/√hz的噪声表现，可以完美地对来自dac的信号进行放大预处理，即调整幅值及提供驱动能力；u2负责功率放大，型号为lm3886；通过变压器进行放大后最大可输出1150v，经电阻采样进行反馈。

如图5所示，在本申请的一个实施例中，恒流源通过电阻采样进行反馈，以保证整个系统的稳定运行；其中u1负责信号的预处理，型号为opa189，拥有极小的3μv失调电压以及5.2nv/√hz的噪声表现，可以完美地对来自dac的信号进行放大预处理，即调整幅值及提供驱动能力；u2负责功率放大，型号为lm3886，通过变压器进行放大后最大可输出600a，输出电流电阻采样进行反馈。

在本申请的一个实施例中，直流的dac采用16位ad5622a，其失调电压极低，仅10mv，可控制直流输出的幅值；纹波采用双dac方式进行处理，其中1块是12位的ad7845j，它负责产生不同频率的交流波形，另一dac模块是ad5622a，它负责对交流波形调幅。

在本申请的一个实施例中，adc模块采用20位的sar型ltc2378，模块拥有1000ksps的采样速率，对所述项目中所涉及到的频带都有着极好的采样效果；通过将电压信号、电流信号进行反馈采样处理为数字型号，并送入fpga进行运算处理。

在本申请的一个实施例中，gps时钟校验模块采用tdc-gpx芯片进行测量，该芯片是一种基于内部传播时间延迟的数字转换器，包括3路lvpecl差分输入和8路lvttl单端测试通道，其出发沿均可配置，测量精度达27ps。

如图6所示，在本申请的一个实施例中，调理电路介绍如下，电压反馈、电流反馈传输过程中不可避免受到高频噪声等干扰，通过设计低通滤波器抑制干扰，通过设计二阶巴特沃斯低通滤波器进行信号调理。

在本申请的一个实施例中，取样模块主要分为电压取样和电流取样；电压取样通过多个电阻串联，然后并联在电压输出的红黑端子上，将1000v的高压分压为1v的低压采样信号，电阻采用进门精密电阻，其温度飘移仅为±10ppm；分压电阻的总阻值高压10mω，不会分流造成电流输出能力下降；电流取样是通过把取样电阻串联在输出黑端接回系统参考地的回路中来实现的，不同的电流量程采用不同的采样电阻与之对应。

如图7所示，在本申请的一个实施例中，关于加法器，本发明创造使用加法器的参数为：输出信号＝直流信号+0.2*交流信号，可实现在不衰减纹波信号的情况下，完成纹波含量为直流的20％的要求；加法器采用通用型精密运放opa189；同时加入继电器设计，可实现加法器控制不同的带宽，以满足信号的输出频带要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。