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摘要：提出了一種基于電流型有源模擬電阻器的多功能電阻測(cè)試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)。引用直流比較儀大電流測(cè)量技術(shù)和精密仿真電阻技術(shù)，并以32位微處理器為核心，采用精密電阻，信號(hào)調(diào)理器，DA乘法器等高線性度元件模擬大功率電阻器。具有線性度好、精度高、成本低、操作智能化等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于回路電阻測(cè)試儀、直阻儀、接地導(dǎo)通直流電阻儀等的檢定。

關(guān)鍵詞：模擬大功率電阻器；直流比較儀大電流測(cè)量技術(shù)；精密仿真技術(shù)；高線性度；回路電阻測(cè)試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH89

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design of Multifunction Resistance Tester Calibration

CHEN Xin¹，ZHOU Zhe Ling¹，LIU Gao²

（1.Shantou Power Grid, Shantou 515041, China; 2. Tunkia Co.,Ltd，Changsha 410100, China）

Abstract：A loop resistance tester calibration which based on current-mode active analog resistor is proposed in the paper. The calibration references technology of large current measurement based on dc comparator and precision simulation resistance technique, With 32 bit microcontroller as the core, DC comparator, precision resistor, conditioner, DA amplifiers and other high linearity components are used in the calibration to analog resistors. The calibration has the characteristics of high linearity, high precision, low cost, smart and so on. The calibration is widely used in verification of loop resistance tester、dc resistance tester、Grounding conduction dc resistance tester.

Keywords: analog resistors, technology of large current measurement based on dc comparator, precision simulation resistance technique, high linearity, loop resistance tester calibration

1. 引言

回路電阻測(cè)試儀和直阻儀是電力設(shè)備設(shè)施檢測(cè)的常用設(shè)備。回路電阻測(cè)試儀是用于測(cè)量開(kāi)關(guān)、斷路器、變壓器等設(shè)備的接觸電阻、回路電阻的專用測(cè)試設(shè)備，其測(cè)試電流為 100A 或更大的直流電流，也被稱為“接觸電阻測(cè)試儀"^[1]。直阻儀是用于測(cè)量變壓器、互感器、電機(jī)繞組等感性被測(cè)對(duì)象的直流電阻的專用測(cè)試設(shè)備，也被稱為“直流電阻快速測(cè)試儀"^[2]。

接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀是用于測(cè)量交流電網(wǎng)供電的電器設(shè)備（如家用電器、電動(dòng)電熱器具、電氣設(shè)備及測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電氣設(shè)備等）的可觸及金屬殼體與該設(shè)備引出的安全接地端（線）之間導(dǎo)通電阻的儀器。

回路電阻測(cè)試儀、直阻儀和接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀都是測(cè)量電阻的儀器^[3]，采用典型的四線制測(cè)量法，通過(guò)輸出一個(gè)直流或交流電流，施加于被測(cè)體的兩個(gè)端鈕之間，并測(cè)量電流流過(guò)被測(cè)體所產(chǎn)生的壓降，然后通過(guò)電壓和電流之比得出被測(cè)體的電阻值。根據(jù)相關(guān)規(guī)程要求，這三類儀器需檢定項(xiàng)目基本一致，本文提出的多功能電阻測(cè)試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)，摒棄傳統(tǒng)電阻箱方案，采用精密仿真電阻技術(shù)和大電流測(cè)量技術(shù)，可模擬連續(xù) 1 μΩ~3.75 Ω 任意電阻值，能滿足大部分回路電阻測(cè)試儀、直阻儀及接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀的檢定需求。

2. 技術(shù)原理及其實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)是基于電流型有源模擬器設(shè)計(jì)的，采用直流比較儀作為電流轉(zhuǎn)換裝置。依據(jù)《 DL/T 967-2005 回路電阻測(cè)試儀與直流電阻快速測(cè)試儀檢定規(guī)程》，有源模擬電阻器包括電流型有源模擬電阻器和電壓型有源模擬電阻器。電流型有源模擬電阻器相相比電壓型有源模擬電阻器降低對(duì)無(wú)源標(biāo)準(zhǔn)電阻器的功率要求，由于沒(méi)有實(shí)際的電流功耗，避免了無(wú)源標(biāo)準(zhǔn)電阻器在大電流測(cè)試時(shí)溫漂影響^[4]。

本系統(tǒng)中難點(diǎn)在于電流轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)，因需要將被檢測(cè)試儀產(chǎn)生高達(dá) 600A 的大電流按一定比例轉(zhuǎn)換成小電流，轉(zhuǎn)換精度直接影響模擬電阻精度。本系統(tǒng)采用新型直流比較儀^[5]進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，相比傳統(tǒng)的直流比較儀能夠快速捕捉電流的快速變化，且測(cè)量頻率范圍寬（見(jiàn)圖1）

圖1 新型直流比較儀

Fig.1 A improved DC comparator

該直流比較儀由雙鐵芯疊加繞線而成。S、C 為 A 和 B 共同繞組，S 為磁通檢測(cè)繞組，C 為比較儀次級(jí)繞組，N4單獨(dú)繞制在鐵芯 A 上，為激勵(lì)繞組。其中鐵芯 A 由高導(dǎo)磁率軟磁材料制作，鐵芯 B 由低導(dǎo)磁率鐵氧體材料制作。

圖2 鐵芯B測(cè)量電路

Fig.2 Measuring circuit of iron core B

圖2 為鐵芯 B 測(cè)量電路圖。實(shí)現(xiàn)原理：S 線圈檢測(cè)磁通經(jīng)過(guò)磁通檢測(cè)模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，控制功率放大器增大或減少輸出，流經(jīng)次級(jí)繞組電流隨之增加或減小，通過(guò)不斷的調(diào)節(jié)，最終使得鐵芯 B 達(dá)到磁平衡。系統(tǒng)平衡建立的時(shí)間不超過(guò) 1 μs。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻R進(jìn)行電流采樣，測(cè)試得到 Us。從而可以計(jì)算出 I_P 值。同時(shí)磁通信號(hào)可作為報(bào)警信號(hào)等狀態(tài)信號(hào)。

式中：k為比例常數(shù)。

3. 系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)是基于電流型有源模擬電阻器原理進(jìn)行拓展設(shè)計(jì)的，將被檢測(cè)試儀產(chǎn)生的大電流輸入到本系統(tǒng)的電流轉(zhuǎn)換模塊按一定比例轉(zhuǎn)換成小電流，通過(guò)精密電阻轉(zhuǎn)換成小電壓，后經(jīng)過(guò)電壓采樣及增益模塊放大成比例電壓信號(hào)輸入到分壓模塊，由控制器進(jìn)行控制其分壓比，最后經(jīng)過(guò)緩沖電路輸出給被測(cè)儀器的電壓采樣端，形成測(cè)試回路。通過(guò)由微控制器控制分壓模塊電路中的分壓比調(diào)節(jié)檢定時(shí)檢點(diǎn)電阻的阻值。電壓采樣及程控放大模塊輸出另一路電壓輸入到 A/D 采樣模塊，由控制器進(jìn)行運(yùn)算出對(duì)應(yīng)的示值電流及做相關(guān)分析。原理框圖如圖 3 所示。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

Fig.3 Schematic diagram of the system

被檢測(cè)試儀輸出大電流 I1 經(jīng)過(guò)寬頻直流比較儀轉(zhuǎn)換成小電流 I2

式中 I1—被檢測(cè)試儀產(chǎn)生的大電流

k—寬頻直流比較儀變比。

小電流 I2 經(jīng)過(guò)精密電阻電路后得到電壓 U2

式中 R—精密電阻的阻值。

電壓 U2 經(jīng)過(guò)電壓采樣及增益模塊后得到電壓 U3

式中 k1— U2 經(jīng)過(guò)電壓采樣及程控放大模塊電壓信號(hào)放大比例系數(shù)。

電壓 U3 送入 A/D 采樣模塊，由控制器運(yùn)算對(duì)應(yīng)的示值電流及做相關(guān)運(yùn)算分析，經(jīng)過(guò)分壓模塊輸出電壓值 U1

式中 k2—U3 經(jīng)過(guò)分壓模塊由控制器設(shè)定的放大比例系數(shù)。

因此被檢電阻測(cè)試儀所測(cè)得的實(shí)際電阻值 R1

系統(tǒng)中精密電阻的阻值 R 為固定值，信號(hào)放大比例系數(shù) k1、直流比較儀變比 k 值保持不變。因此檢定時(shí)，微控制器控制分壓模塊中的分壓比即 k2 值便可調(diào)節(jié)出不同的檢定電阻阻值。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)，采用架構(gòu)嵌入式微處理器加外圍設(shè)計(jì)電路搭建的平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 4 所示。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

Fig.4 Hardware structure of the system

3.2.1 電源模塊

整個(gè)電源模塊的設(shè)計(jì)采用線性電源，且數(shù)字部分和模擬部分相互隔離，模擬部分各路電源供電也相互隔離或用磁珠相連，減少電源的紋波和噪聲對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的干擾及減少系統(tǒng)之間各部分相互干擾，保證整個(gè)系統(tǒng)的高精度及高線性度。

3.2.2 數(shù)字部分

微處理器具體采用新架構(gòu)的微處理器，具有*的處理能力及豐富的接口，本設(shè)計(jì)在其上移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及相關(guān)調(diào)度。微處理器內(nèi)部集有設(shè)計(jì)中常有的資源，本設(shè)計(jì)用到的資源，如圖4 中數(shù)字部分：3 個(gè)獨(dú)立的 USART 接口，一個(gè)連接顯示模塊，為面板顯示提供人機(jī)界面，工作時(shí)顯示出整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況并通過(guò) LCD 上的觸摸屏與用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，一個(gè)連接按鍵組，使用戶操作更加方便快捷，一個(gè)通過(guò) RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片與上位機(jī)提供連接接口；1 個(gè) IIC 接口，連接存儲(chǔ)芯片來(lái)增加存儲(chǔ)空間；2 個(gè) SPI 接口，一個(gè)連接模擬部分的 DA 乘法器設(shè)定分壓模塊的放大比例系數(shù)，一個(gè)連接模擬部分 A/D 轉(zhuǎn)換器，獲取采樣的電壓信號(hào)并運(yùn)算對(duì)應(yīng)的示值電流及做相關(guān)運(yùn)算分析；部分的 GPIO 接口，控制模擬部分的程控放大及獲取報(bào)警狀態(tài)等。

3.2.3 模擬部分

系統(tǒng)在基于電流型有源模擬電阻器原理基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展設(shè)計(jì)的，如圖 4 模擬部分：保護(hù)電路：保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)被檢測(cè)試儀產(chǎn)生的大電流超過(guò)系統(tǒng)所能承受的范圍時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)通過(guò) MCU 控制蜂鳴器給用戶發(fā)出報(bào)警，并自動(dòng)斷開(kāi)測(cè)試回路，保護(hù)系統(tǒng)不被檢測(cè)儀產(chǎn)生的大電流損壞；寬頻直流比較儀：將被檢測(cè)試儀產(chǎn)生的大電流按一定比例轉(zhuǎn)換成小電流。差分采樣：與精密電阻 R一起將小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，差分采樣大大降低了前端采樣共模噪聲的干擾；增益：通過(guò) MCU 控制實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)不同量程下對(duì)應(yīng)比例的放大；A/D 轉(zhuǎn)換器：將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過(guò)隔離的 SPI 接口送入到 MCU，運(yùn)算出對(duì)應(yīng)的示值電流及做相關(guān)分析；DA 乘法器：MCU 通過(guò)電氣隔離的 SPI 接口控制 DA 乘法器輸出來(lái)調(diào)節(jié)分壓比達(dá)到系統(tǒng)調(diào)節(jié)電阻阻值的目的。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)^[6]作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具體流程如圖 5 所示。

（一）初始化，將操作系統(tǒng)、程序變量及硬件相關(guān)配置進(jìn)行初始化；

（二）創(chuàng)建任務(wù)，包括建立按鍵響應(yīng)任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)、顯示任務(wù)、通信任務(wù)、故障處理任務(wù)等；

（三）任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)通過(guò)液晶屏、觸摸屏和按鍵旋鈕等和用戶進(jìn)行交互，調(diào)用程序中的相關(guān)任務(wù)線程控制相關(guān)硬件完成電流測(cè)量、報(bào)警處理、誤差計(jì)算、電阻值設(shè)置、參數(shù)設(shè)置等功能。

圖5 程序流程圖

Fig.5 The program flow chart

4. 系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果

4.1 驗(yàn)證電路

參考《 JJG l66—93 直流電阻器》檢定規(guī)程采用伏安法進(jìn)行校準(zhǔn)，以驗(yàn)證多功能校準(zhǔn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度是否符合設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。可調(diào)恒流源提供了測(cè)試的電流，量程為 0～600 A；電流轉(zhuǎn)換器和電壓表一起組成了電流測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。整個(gè)校準(zhǔn)方案測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成如圖 6 所示。

圖6多功能校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置框圖

Fig.6 Block diagram of multifunction calibration system

4.2 數(shù)據(jù)分析

多功能校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量。

4.2.1 電流測(cè)量誤差

表 1 為 20 A 量程下在不同電流測(cè)試時(shí)的相對(duì)誤差，相對(duì)誤差小于 0.011%。

表 2 為 100 A 量程下在不同電流測(cè)試時(shí)的相對(duì)誤差，相對(duì)誤差小于 0.01%。

4.2.2 電阻誤差

表3 為 75 mΩ 時(shí)不同測(cè)試電流下的實(shí)際電阻值，其相對(duì)誤差小于 0.003％

表4 為固定測(cè)試電流 100 A 時(shí)模擬大功率電阻不同阻值時(shí)的誤差

從表中可看出，其相對(duì)誤差都在 0.004％ 內(nèi)。這是由于系統(tǒng)采用的器件件如直流比較儀、差分采樣放大器、信號(hào)放大器、D/A 轉(zhuǎn)換器等都是高線性度元件，保證系統(tǒng)的高線性度。經(jīng)過(guò)多次及不同阻值及電流下的測(cè)試驗(yàn)證，系統(tǒng)模擬輸出電阻準(zhǔn)確度都能在 0.02% 范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

5. 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的多功能電阻測(cè)試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)在傳統(tǒng)電流型有源模擬電阻器有所創(chuàng)新，采用精密仿真電阻技術(shù)和大電流測(cè)量技術(shù)，并將三類儀器檢定裝置合并，電阻值可設(shè)置范圍廣，可模擬連續(xù) 1uΩ~3.75Ω 任意電阻值，達(dá)到 10nΩ 的分辨力和 0.02 級(jí)的精度；測(cè)試電流范圍大，可達(dá) 600 A 和 0.02 級(jí)的精度，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)內(nèi)行水平，滿足三類儀器的檢定要求，已廣泛應(yīng)用于回路電阻測(cè)試儀、直阻儀和接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀等儀器的檢定工作。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] JJG1052-2009, 回路電阻測(cè)試儀、直阻儀檢定規(guī)程[S].

[2] DL/T967-2005, 回路電阻測(cè)試儀與直流電阻快速測(cè)試儀檢定規(guī)程[S].

[3] 李瑞堅(jiān).回路電阻測(cè)試儀校準(zhǔn)方法研究及不確定度評(píng)定 [J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2014，41（5）：35-37.

[4] 李寶樹(shù).電磁測(cè)量技術(shù) [M] .北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[5] 李維波，毛承雄，陸繼明，等.基于飽和電抗器結(jié)構(gòu)下的新型直流比較儀原理 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（4）：24-28.

[6] 李志明，檀永等.STM32嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南 [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

本論文相關(guān)產(chǎn)品：TD1450 模擬直流電阻標(biāo)準(zhǔn)器（回路電阻測(cè)試儀校驗(yàn)裝置）

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