一种电压电流标准源专利检索-测时学专利检索查询-专利查询网

一种电压电流标准源
申请号	CN202410012923.2	申请日	2024-01-04	公开(公告)号	CN117849419A	公开(公告)日	2024-04-09
申请人	广东昂立电气自动化有限公司;			发明人	梁东林; 吴为; 杨晓珑; 程丛敏; 邵诚霖; 许志和; 赵艳;
摘要	本申请公开了一种电压电流标准源，本申请提供的宽频电压电流标准源基于FPGA模块和对时模块，通过对时模块实现标准源的绝对相位控制，通过时延预控补偿逻辑，保证输出电压电流具有高精度相位，通过FPGA模块结合对时模块提供的时间同步信号辅助电压、电流输出幅值、频率、相位的控制以及对数模转换模块输出信号的控制，实现定时修正输出通道的时延，最后通过功放模块将数模转换模块输出的模拟信号转换成与时间同步的高精度恒压或恒流信号，作为标准源的电压电流输出，解决了现有的电压电流标准源高频电压电流信号输出的相位精度低的技术问题。
权利要求	1.一种电压电流标准源，其特征在于，包括：主控模块、FPGA模块、卫星对时模块、数模转换模块和功放模块；所述主控模块、所述卫星对时模块与所述FPGA模块的信号输入端连接，其中，所述主控模块用于与所述FPGA模块进行交互，以控制所述FPGA模块的运行和/或对所述FPGA模块反馈的数据进行运算，所述卫星对时模块用于向所述FPGA模块提供时间同步信号；所述FPGA模块用于根据所述主控模块的发送的控制信号和所述卫星对时模块提供的时间同步信号，向所述数模转换模块输出电压、电流的数字信号和时间控制信号，其中，所述时间控制信号用于控制所述数模转换模块的输出时机；所述数模转换模块根据所述时间控制信号，将所述数字信号转换成模拟信号；所述功放模块用于接收所述模拟信号，并对所述模拟信号进行功率放大处理，得到标准源的输出电压和输出电流。 2.根据权利要求1所述的一种电压电流标准源，其特征在于，所述功放模块具体包括：电压功放子模块和电流功放子模块。 3.根据权利要求2所述的一种电压电流标准源，其特征在于，还包括：运放滤波电路；所述运放滤波电路的一端与所述数模转换模块连接，另一端分别与所述电压功放子模块和所述电流功放子模块连接，用于与所述数模转换模块输出的模拟信号进行滤波，再将滤波后的模拟信号输入到所述电压功放子模块和/或所述电流功放子模块。 4.根据权利要求3所述的一种电压电流标准源，其特征在于，所述运放滤波电路具体为低通滤波电路。 5.根据权利要求2所述的一种电压电流标准源，其特征在于，所述电流功放子模块具体包括：第一运放电路、MOS管运放电路、采样电阻和第二运放电路；所述第一运放电路的一个输入端用于接收所述模拟信号，输出端用于与所述MOS管运放电路连接，所述MOS管运放电路的输出端与所述采样电阻连接；所述第二运放电路的输入端与所述采样电阻连接，输出端与所述第一运放电路的另一输入端连接，形成负反馈回路。 6.根据权利要求5所述的一种电压电流标准源，其特征在于，所述采样电阻为低温漂电阻。 7.根据权利要求5所述的一种电压电流标准源，其特征在于，所述MOS管运放电路的驱动电流的约束公式为： I＝Cgs*dv/dt 式中，I为所述MOS管运放电路的驱动电流，Cgs是MOS管栅极与源极之间的电容，dv/dt为MOSFET管开关瞬态过程中漏极－源极电压的变化率。 8.根据权利要求1所述的一种电压电流标准源，其特征在于，所述卫星对时模块具体为：GPS对时模块或北斗对时模块。 9.根据权利要求1所述的一种电压电流标准源，其特征在于，还包括：隔离模块；所述隔离模块设置在所述FPGA模块与所述数模转换模块之间，以及所述FPGA模块的开入量端口和开出量端口处。 10.根据权利要求9所述的一种电压电流标准源，其特征在于，所述隔离模块包括：高速磁耦合器。
说明书全文	一种电压电流标准源技术领域 [0001] 本申请涉及电力系统测量技术领域，尤其涉及一种电压电流标准源。背景技术 [0002] 电力系统的源网荷储各环节大量使用变流器等电力电子设备，导致系统特性与传统的同步机电源主导的电力系统有所不同，特性之一是电压电流功率包含大量的低于工频的间谐波以及高于工频的中高频谐波、间谐波分量。由于宽频振荡会严重威胁大电网的安全稳定运行，为此需要对宽频振荡现象进行精准监测，而宽频测量装置的研发必须用到高精度的宽频电压电流标准源，用于提供相关的宽频测试信号，实现测量装置的性能测试，然而，现有的电压电流标准源，一般都是针对PMU装置、故障录波器、电能质量监测装置的检验检测而设计，对于高频电压电流信号输出的相位精度低，无法完全满足宽频测量装置的测试需求。发明内容 [0003] 本申请提供了一种电压电流标准源，用于解决现有的电压电流标准源高频电压电流信号输出的相位精度低的技术问题。 [0004] 为解决上述技术问题，本申请提供了一种电压电流标准源，包括：主控模块、FPGA模块、卫星对时模块、数模转换模块和功放模块； [0005] 所述主控模块、所述卫星对时模块与所述FPGA模块的信号输入端连接，其中，所述主控模块用于与所述FPGA模块进行交互，以控制所述FPGA模块的运行和/或对所述FPGA模块反馈的数据进行运算，所述卫星对时模块用于向所述FPGA模块提供时间同步信号； [0006] 所述FPGA模块用于根据所述主控模块的发送的控制信号和所述卫星对时模块提供的时间同步信号，向所述数模转换模块输出电压、电流的数字信号和时间控制信号，其中，所述时间控制信号用于控制所述数模转换模块的输出时机； [0007] 所述数模转换模块根据所述时间控制信号，将所述数字信号转换成模拟信号； [0008] 所述功放模块用于接收所述模拟信号，并对所述模拟信号进行功率放大处理，得到标准源的输出电压和输出电流。 [0009] 优选地，所述功放模块具体包括：电压功放子模块和电流功放子模块。 [0010] 优选地，还包括：运放滤波电路； [0011] 所述运放滤波电路的一端与所述数模转换模块连接，另一端分别与所述电压功放子模块和所述电流功放子模块连接，用于与所述数模转换模块输出的模拟信号进行滤波，再将滤波后的模拟信号输入到所述电压功放子模块和/或所述电流功放子模块。 [0012] 优选地，所述运放滤波电路具体为低通滤波电路。 [0013] 优选地，所述电流功放子模块具体包括：第一运放电路、MOS管运放电路、采样电阻和第二运放电路； [0014] 所述第一运放电路的一个输入端用于接收所述模拟信号，输出端用于与所述MOS管运放电路连接，所述MOS管运放电路的输出端与所述采样电阻连接； [0015] 所述第二运放电路的输入端与所述采样电阻连接，输出端与所述第一运放电路的另一输入端连接，形成负反馈回路。 [0016] 优选地，所述采样电阻为低温漂电阻。 [0017] 优选地，所述MOS管运放电路的驱动电流的约束公式为： [0018] I＝Cgsdv/dt [0019] 式中，I为所述MOS管运放电路的驱动电流，Cgs是MOS管栅极与源极之间的电容，dv/dt为MOSFET管开关瞬态过程中漏极－源极电压的变化率。 [0020] 优选地，所述卫星对时模块具体为：GPS对时模块或北斗对时模块。 [0021] 优选地，还包括：隔离模块； [0022] 所述隔离模块设置在所述FPGA模块与所述数模转换模块之间，以及所述FPGA模块的开入量端口和开出量端口处。 [0023] 优选地，所述隔离模块包括：高速磁耦合器。 [0024] 从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点： [0025] 本申请提供的宽频电压电流标准源基于FPGA模块和对时模块，通过对时模块实现标准源的绝对相位控制，通过时延预控补偿逻辑，保证输出电压电流具有高精度相位，通过FPGA模块结合对时模块提供的时间同步信号辅助电压、电流输出幅值、频率、相位的控制以及对数模转换模块输出信号的控制，实现定时修正输出通道的时延，最后通过功放模块将数模转换模块输出的模拟信号转换成与时间同步的高精度恒压或恒流信号，作为标准源的电压电流输出，解决了现有的电压电流标准源高频电压电流信号输出的相位精度低的技术问题。附图说明 [0026] 为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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。 [0027] 图1为本申请提供的一种电压电流标准源的整体架构示意图。 [0028] 图2为本申请提供的一种电压电流标准源的FPGA模块、数模转换模块以及功放模块的结构示意图。 [0029] 图3为本申请提供的一种电压电流标准源的电流功放子模块的电路结构示意图。 [0030] 图4为本申请提供的一种电压电流标准源的电流功放子模块的MOS管功放电路部分的功率输出级简化电路。 [0031] 图5为本申请提供的一种电压电流标准源的电流功放子模块的第二运放电路的共模抑制电路。 [0032] 图6为本申请提供的一种电压电流标准源的压摆率曲线图。 [0033] 图7为米勒效应曲线图。 [0034] 其中，图中的附图标记包括： [0035] C、主控模块；T、卫星对时模块；DAC、数模转换模块；PA、功放模块；PAU、电压功放子模块；PAI、电流功放子模块；A1、第一运放电路；A2、第二运放电路。具体实施方式 [0036] 本申请实施例提供了一种电压电流标准源，用于解决现有的电压电流标准源高频电压电流信号输出的相位精度低的技术问题。 [0037] 为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。 [0038] 请参阅图1，本申请提供的一种电压电流标准源实施例，包括：主控模块C、FPGA模块、卫星对时模块T、数模转换模块DAC和功放模块PA； [0039] 所述主控模块C、所述卫星对时模块T与所述FPGA模块的信号输入端连接，其中，所述主控模块C用于与所述FPGA模块进行交互，以控制所述FPGA模块的运行和/或对所述FPGA模块反馈的数据进行运算，所述卫星对时模块T用于向所述FPGA模块提供时间同步信号； [0040] 所述FPGA模块用于根据所述主控模块C的发送的控制信号和所述卫星对时模块T提供的时间同步信号，向所述数模转换模块DAC输出电压、电流的数字信号和时间控制信号； [0041] 所述数模转换模块DAC根据所述时间控制信号，将所述数字信号转换成模拟信号； [0042] 所述功放模块PA包括：电压功放子模块PAU和电流功放子模块PAI，用于接收所述模拟信号，并对所述模拟信号进行功率放大处理，得到标准源的输出电压和输出电流。 [0043] 需要说明的是，在本申请提供的标准源方案中，其中主控模块C由CPU和DSP组成，负责数据处理和与FPGA模块直接的数据交互； [0044] FPGA模块主要负责数据的实时处理，包括对时处理和开入开出的处理，实现电压、电流输出幅值、频率、相位的控制； [0045] 卫星对时模块T可以采用GPS对时模块或北斗对时模块，用于实现标准源的绝对相位控制，通过时延预控补偿逻辑，保证输出电压电流具有高精度相位。 [0046] 硬件部分的核心在于与PPS同步的高精度宽频电压、电流信号生成。 [0047] PPS同步技术：通过处理器晶振的选用和根据卫星对时模块T提供的PPS信号，即时间控制信号定时修正输出通道的时延来实现。FPGA从PPS信号触发开始计时，计时时间为时延补偿时间；FPGA以计时停止时刻为起点，控制数模转换模块DAC输出信号。 [0048] 当FPGA模块输出的数字信号经数模转换模块DAC后转成模拟信号后，传输到功放模块PA，通过功放模块PA配合FPGA的时间控制，将DAC信号转换成与PPS同步的高精度恒压或恒流信号，以作为标准源的电压电流输出。 [0049] 本申请提供的宽频电压电流标准源基于FPGA模块和对时模块，通过对时模块实现标准源的绝对相位控制，通过时延预控补偿逻辑，保证输出电压电流具有高精度相位，通过FPGA模块结合对时模块提供的时间同步信号辅助电压、电流输出幅值、频率、相位的控制以及对数模转换模块DAC输出信号的控制，实现定时修正输出通道的时延，最后通过功放模块PA将数模转换模块DAC输出的模拟信号转换成与时间同步的高精度恒压或恒流信号，作为标准源的电压电流输出，解决了现有的电压电流标准源高频电压电流信号输出的相位精度低的技术问题。 [0050] 在此基础上，如图2所示，本实施例提供的宽频电压电流标准源还可以进一步包括以下特征： [0051] 在一些实施例中，本实施例提供的标准源结构，还包括：运放滤波电路； [0052] 所述运放滤波电路的一端与所述数模转换模块DAC连接，另一端分别与所述电压功放子模块PAU和所述电流功放子模块PAI连接，用于与所述数模转换模块DAC输出的模拟信号进行滤波，再将滤波后的模拟信号输入到所述电压功放子模块PAU和/或所述电流功放子模块PAI。 [0053] FPGA模块数字信号经数模转换模块DAC后转成模拟信号后且在传输到，经滤波电路后进行滤波处理后再传输到由高速精密运放构成的信号放大电路，进一步提高标准源的输出精度。 [0054] 其中，本实施例提及的运放滤波电路可以为低通滤波电路LPF。 [0055] 进一步地，如图3和图4所示，本实施例的电流功放子模块具体包括：第一运放电路、MOS管运放电路、采样电阻和第二运放电路； [0056] 所述第一运放电路的一个输入端用于接收所述模拟信号，输出端用于与所述MOS管运放电路连接，所述MOS管运放电路的输出端与所述采样电阻连接； [0057] 所述第二运放电路的输入端与所述采样电阻连接，输出端与所述第一运放电路的另一输入端连接，形成负反馈回路。 [0058] 所述采样电阻为低温漂电阻。 [0059] 进一步地，所述MOS管运放电路的驱动电流的约束公式为： [0060] I＝Cgsdv/dt [0061] 式中，I为所述MOS管运放电路的驱动电流，Cgs是MOS管栅极与源极之间的电容，dv/dt为MOSFET管开关瞬态过程中漏极－源极电压的变化率。 [0062] 需要说明的是，数字信号经数模转换模块后转成模拟信号，经滤波电路后来到由高速精密运放构成的信号放大电路，最后经过由高速线性MOS管构成的功率放大电路进行输出，对放大后的输出信号用低温漂、无感的采样电阻进行取样所得的电压信号返送回精密运放构成的放大电路形成负反馈，保证恒压、恒流特性，同时通过提高功放滤波电路带宽与输出波形上升下降速度来实现低延时的快速输出。 [0063] 本标准源实现恒流输出基本原理为：通过第一运放电路A1正相与数模转换模块或运放滤波电路输出的信号U(A1开环增益高，反相电平此时为0V，误差输出为正压)，第一运放电路A1输出电平经驱动级后N管开通，当流经R电流达到I＝U/N/R时，电流稳定，完成恒定电流过程。U为注入信号，R为采样电阻，为降低采样电阻的功耗，故选低阻值电阻，为匹配输入电压需I转U,经放大倍数N，最终计算方式为：I＝U/N/R。 [0064] 由于信号U为数模转换模块产生，精度在万分之一以内，N为固定增益，剩下变量R，选低温漂的R,额定功率下让温升尽量小，即可保证精度； [0065] 负载在0Ω～0.4Ω变动时，恒流精度保护不变，由I转U的运放算大器共模抑制能力实现，一般定义为差分增益与共模增益之比,计算方式为:共模抑制比，可参考图5，(CMRR)＝差分增益/共模增益,理想情况下，共模输出为零，这就意味着CMRR无穷大，只放大差分信号，从而实现0Ω～0.4Ω恒流值不变。 [0066] 本标准源实现宽频输出基本原理为：如图6所示，实现宽频的前提需放大器有足够的压摆率被定义为放大器输出信号可达到的最大摆动速率，它以伏每微秒为单位。DAC出来信号的压摆率是满足要求的，难点在于功率级，要求大电流动态输出同时具备速度的能力，由于恒流源电路是一个整体，整个信号链须按足够的压摆率去设计。功率MOS管从截止‑导通‑饱和需要一个过程，主要受影响就是米勒效应，如图7所示，MOS管开启可看作是驱动电压通过栅极电阻Rg对Cgs充电过程，如图4所示，要提升速度，2个选择：要么Rg小，要么Cgs小，Cgs选型MOS管时已定，受限于MOS管各项要求限制，如承受功耗、内阻、工作频率等，所剩Rg小的选项，Rg小即代表驱动电流需大，根据预设驱动电流计算公式用I＝Cgs*dv/dt，在驱动电流可以满足该驱动电流计算公式约束的前提下，选用阻值更小栅极电阻，使得宽频输出电流小，相同的驱动能力，更容易驱动，且功率管发热量小，采样电阻温升低，精度变化小。 [0067] 进一步地，还包括：隔离模块； [0068] 所述隔离模块设置在所述FPGA模块与所述数模转换模块之间，以及所述FPGA模块的开入量端口和开出量端口处。其中，所述隔离模块可以采用：高速磁耦合器，它具有可单向传递信息、通频带宽、寄生反馈小、消噪能力强、抗电磁干扰性能好等特点，具有较高地线性度以及优良数据信号隔离性能。 [0069] 从以上技术方案可以看出，本实施例的方案具有以下优点： [0070] (1)具备GPS/BDS(北斗)对时模块，可实现与GPS同步输出的高精度宽频电压电流源，精度优于宽频测量装置标称时间准确度； [0071] (2)电压、电流输出范围：0～120V，0～12.5A，准确度不低于±0.05％ [0072] (3)与PPS同步的相位准确度：基波不大于0.05°； [0073] (4)恒流特性：宽频电流源输出0～12.5A，频率范围2.5Hz～3000Hz，负载变化范围0～0.4Ω时，幅值的准确度不低于±0.05％，最大相位误差不超2.5°； [0074] (5)恒压特性：宽频电压源输出0～120V，范围2.5Hz～3000Hz，负载变化范围0～50VA时，幅值的准确度不低于±0.05％，最大相位误差不超2.5°； [0075] (6)频率范围：2.5Hz～3000Hz，准确度不低于0.0005Hz； [0076] (7)支持宽频振荡模拟：包括低频振荡、次/超同步振荡、宽频振荡等； [0077] (8)支持手动测试和自动测试菜单，一键式启动自动测试，提高入网检测和现场调试工作的效率。 [0078] (9)具有接收、处理子站采集的模拟量和开关量信息的通信功能。 [0079] 在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0080] 除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

意见反馈