蘇　璠　才　瀅　張　丹

(中國(guó)人民解放軍92493部隊(duì)89分隊(duì)，葫蘆島 125000)

0　引言

直流穩(wěn)壓電源主要用于為電子設(shè)備提供直流供電電源，它的好壞直接關(guān)系電子設(shè)備的正常使用及技術(shù)性能有效發(fā)揮。直流穩(wěn)壓電源性能主要用穩(wěn)定性和紋波大小來(lái)表征。直流穩(wěn)壓電源還會(huì)因電網(wǎng)電壓變化而引起穩(wěn)定輸出量的變化，同樣也會(huì)因負(fù)載變化而引起穩(wěn)定輸出量的變化，這是直流穩(wěn)壓電源中所關(guān)注的源效應(yīng)和負(fù)載效應(yīng)。針對(duì)大功率穩(wěn)壓電源越來(lái)越多，不便于移動(dòng)的現(xiàn)狀，研制設(shè)計(jì)了一種適合現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量保障用的大功率直流穩(wěn)壓電源檢定裝置。

1　裝置組成及總體設(shè)計(jì)

根據(jù)《JJG 6—1999直流穩(wěn)壓電源檢定規(guī)程》，直流穩(wěn)壓電源周期檢定主要內(nèi)容為：電源電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、輸出電壓短期穩(wěn)定性、紋波電壓、電壓表和電流表示值誤差。所以，設(shè)計(jì)裝置主要由三組裝置組成：直流電子負(fù)載、智能電網(wǎng)調(diào)整器和穩(wěn)壓電源自動(dòng)檢定裝置。系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示，直流電子負(fù)載可提供檢定過(guò)程中直流穩(wěn)壓電源滿載和空載狀態(tài)；智能電網(wǎng)調(diào)整器可輸出檢定過(guò)程中要求的242V、198V和220V電網(wǎng)電壓；穩(wěn)壓電源自動(dòng)檢定裝置部分可實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的電源電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、輸出電壓短期穩(wěn)定性、紋波電壓、電壓表及電流表示值誤差等功能的自動(dòng)測(cè)試與數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)功能如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)組成方框圖

圖2　穩(wěn)壓電源現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置實(shí)現(xiàn)功能框圖

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1　直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

直流穩(wěn)壓電源作為一個(gè)常規(guī)的電子設(shè)備，在各種電子產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程中起著重要的作用，其性能的好壞直接影響著測(cè)試結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度。為了得到理想的測(cè)試結(jié)果，阻值精確、性能優(yōu)良的負(fù)載是必要的。常規(guī)的電阻負(fù)載(滑動(dòng)變阻器和電阻箱)，由于其溫度的變化會(huì)引起阻值的變化，當(dāng)電流很大時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲及自身溫度驟然升高常常會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。比如：在對(duì)一些高精度穩(wěn)壓電源進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)時(shí)，負(fù)載的性能會(huì)影響參數(shù)值的精確性。為了測(cè)量穩(wěn)壓電源的性能，設(shè)計(jì)了一個(gè)智能的、數(shù)字化控制的直流電子負(fù)載，它不同于傳統(tǒng)的固定電阻或可變電阻器，而是采用串口控制方式，根據(jù)被檢直流穩(wěn)壓電源的額定電流控制輸出恒流、恒壓狀態(tài)，即提供檢定過(guò)程中直流穩(wěn)壓電源滿載和空載狀態(tài)。恒流功能：0～240A，最大允許誤差：±(0.1%讀數(shù)+0.05%滿度)，恒壓功能：0.1～150V，最大允許誤差：±(0.03%讀數(shù)+0.02%滿度)，設(shè)計(jì)方案如圖3。

圖3　直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)方案框圖

圖4　智能電網(wǎng)調(diào)整器設(shè)計(jì)方案框圖

2.2　智能電網(wǎng)調(diào)整器設(shè)計(jì)

穩(wěn)壓電源的檢定過(guò)程中要模擬電網(wǎng)變化檢定穩(wěn)壓電源的電源電壓調(diào)整率，傳統(tǒng)方法采用手動(dòng)調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)過(guò)程復(fù)雜。現(xiàn)采用無(wú)線控制器及智能調(diào)壓電路構(gòu)成，由穩(wěn)壓電源自動(dòng)檢定裝置無(wú)線控制單元采用遙控式無(wú)級(jí)變速技術(shù)，控制磁飽和變壓器使智能電網(wǎng)調(diào)整器輸出穩(wěn)定的242V、198V和220V電壓，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓自動(dòng)調(diào)整。原理框圖如圖4所示。

智能電網(wǎng)調(diào)整器調(diào)壓范圍：160～252V，功率5kW，穩(wěn)壓最大允許誤差：±0.5%。由接觸式調(diào)壓器、伺服電機(jī)、比較電路、檢測(cè)電路、基準(zhǔn)電路及無(wú)線接收電路等組成。穩(wěn)壓電源自動(dòng)檢定裝置在檢定電網(wǎng)調(diào)整率時(shí)，由無(wú)線控制單元發(fā)送信號(hào)，智能電網(wǎng)調(diào)整器中無(wú)線接收電路接收指令，改變基準(zhǔn)電路電壓，控制電路進(jìn)行取樣比較放大，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)改變接觸式調(diào)壓器上電刷的位置，使輸出電壓穩(wěn)定在不同的電壓值。穩(wěn)壓過(guò)程中，無(wú)電火花產(chǎn)生，連續(xù)調(diào)節(jié)，平衡迅速。設(shè)計(jì)了限位保護(hù)，一旦調(diào)壓器滑動(dòng)臂運(yùn)轉(zhuǎn)至頂端或底端，便撞擊相應(yīng)的限位開關(guān)，立刻切斷伺服電機(jī)的供電電源，則電機(jī)停轉(zhuǎn)。

2.3　穩(wěn)壓電源自動(dòng)檢定裝置設(shè)計(jì)

紋波測(cè)試：0.05mV～1V，最大允許誤差：±0.1%；直流電壓測(cè)試：0～1000V，最大允許誤差：±0.01%；直流電流測(cè)試：0～240A，最大允許誤差：±0.01%。

2.3.1采樣測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

模塊由直流電流和電壓采樣單元組成，輸入電壓信號(hào)經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換完成測(cè)量；輸入電流信號(hào)經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換、電壓調(diào)理、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換完成測(cè)量，設(shè)計(jì)方案框圖如圖5所示。

圖5　采樣測(cè)量模塊設(shè)計(jì)方案框圖

2.3.2紋波電壓測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

模塊由紋波電壓采樣單元構(gòu)成，選用ADS8344轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。ADS8344轉(zhuǎn)換芯片具有八通道模擬量輸入功能，采用16位Σ-Δ原理實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，每個(gè)通道采取同步采樣，不存在時(shí)間延遲問(wèn)題，設(shè)計(jì)方案框圖如圖6所示。

圖6紋波電壓測(cè)量模塊設(shè)計(jì)方案框圖

2.3.3控制單元設(shè)計(jì)

對(duì)各采樣單元及智能電網(wǎng)調(diào)整器和電子負(fù)載接入及輸出進(jìn)行分時(shí)控制以保證穩(wěn)定電源各檢定功能的實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)原理框圖如圖7所示。

圖7　控制單元設(shè)計(jì)方案框圖

穩(wěn)壓電源自動(dòng)檢定裝置串口發(fā)送命令，通過(guò)串口通訊和解碼器到達(dá)地址編碼器控制繼電器動(dòng)作使直流電壓、直流電流、紋波采樣單元工作；同時(shí)，穩(wěn)壓電源自動(dòng)檢定裝置串口發(fā)送命令使電子負(fù)載工作在檢定所需狀態(tài)；穩(wěn)壓電源自動(dòng)檢定裝置發(fā)送無(wú)線控制碼，使智能電網(wǎng)調(diào)整器輸出檢定電網(wǎng)調(diào)整率所需的電壓值。

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件編制任務(wù)主要包括計(jì)量校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理、人員管理和通訊控制四個(gè)模塊，采用圖形化編程語(yǔ)言VB來(lái)編制，各模塊完成的主要功能如下：

1)計(jì)量校準(zhǔn)模塊：完成直流穩(wěn)壓電源的電源電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、輸出電壓短期穩(wěn)定性、紋波電壓、電壓表示值誤差、電流表示值誤差等功能的計(jì)量校準(zhǔn)控制與數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理包含粗大誤差的判別、不確定度分析以及數(shù)據(jù)誤差計(jì)算及合格判定等算法。

2)數(shù)據(jù)管理模塊：完成計(jì)量校準(zhǔn)形成的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、維護(hù)以及證書和記錄、報(bào)告的輸出。

3)通訊控制模塊：實(shí)現(xiàn)可控硬件單元的控制與數(shù)據(jù)傳輸和通信，和計(jì)量校準(zhǔn)模塊各功能同步實(shí)現(xiàn)。

4)人員管理模塊：完成計(jì)量校準(zhǔn)人員權(quán)限設(shè)置及密碼管理。

4　裝置的測(cè)試結(jié)果

該裝置研制完成后對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，各功能滿足所有直流穩(wěn)壓電源紋波電壓，電壓表和電流表示值誤差的檢定，電源電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、輸出電壓短期穩(wěn)定性滿足0.04%以下級(jí)別的檢定要求。本裝置測(cè)試數(shù)據(jù)見表1、表2和表3，一般直流穩(wěn)壓電源技術(shù)要求與本裝置技術(shù)指標(biāo)比較見表4。

表1直流電子負(fù)載測(cè)試數(shù)據(jù)

恒壓模式恒流模式設(shè)置值(V)標(biāo)準(zhǔn)值(V)實(shí)際誤差%最大允許誤差%結(jié)論設(shè)置值(A)標(biāo)準(zhǔn)值(A)實(shí)際誤差%最大允許誤差%結(jié)論22　0004-0　02±0　03合格1010　0009-0　009±0　03%合格100100　011-0　011±0　04%合格150150　017-0　0113±0　05%合格55　0011-0　02±0　1合格1010　006-0　0600±0　1合格100100　071-0　0710±0　1合格240240　062-0　0258±0　2合格

表2智能電網(wǎng)調(diào)整器電壓穩(wěn)定誤差測(cè)試數(shù)據(jù)

示值(V)實(shí)際值(V)實(shí)際誤差%最大允許誤差%結(jié)論198197　710　1±0　5合格220219　90　05±0　5合格242241　790　09±0　5合格

表3穩(wěn)壓電源自動(dòng)檢定裝置測(cè)試數(shù)據(jù)

電壓測(cè)試電流測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)值(V)顯示值(V)實(shí)際誤差%最大允許誤差%結(jié)論標(biāo)準(zhǔn)值(A)顯示值(A)實(shí)際誤差%最大允許誤差%結(jié)論0　20　200006-0　003±0　01合格0　20　2000050　002±0　01合格11　00002-0　002±0　01合格11　000080　008±0　01合格1010　00009-0　0009±0　01合格22　000090　004±0　01合格100100　0007-0　0007±0　01合格1515　00090　006±0　01合格10001000　008-0　0008±0　01合格200200　0110　006±0　01合格紋波電壓測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)值(mV)顯示值(mV)實(shí)際誤差%最大允許誤差%結(jié)論標(biāo)準(zhǔn)值(mV)顯示值(mV)實(shí)際誤差%最大允許誤差%結(jié)論0　050　04999-0　02±0　1合格109　995-0　05±0　1合格0　10　100060　06±0　1合格100100　030　03±0　1合格

表4直流穩(wěn)壓電源檢定項(xiàng)目技術(shù)要求與本裝置技術(shù)指標(biāo)比較表

直流穩(wěn)壓電源檢定項(xiàng)目直流穩(wěn)壓電源一般技術(shù)要求穩(wěn)壓電源自動(dòng)檢定裝置技術(shù)指標(biāo)是否滿足檢定要求紋波電壓0　05～100mV0　05mV～1V是電壓表、電流表示值誤差±(0　2%～0　5%)±0　01%是電源電壓調(diào)整率0　001%～1%±0　01%0　04%以下負(fù)載調(diào)整率0　001%～1%±0　01%0　04%以下輸出電壓短期穩(wěn)定性0　005%/10min～5%/10min±0　01%0　04%/10min以下

5　結(jié)束語(yǔ)

穩(wěn)壓電源現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置已經(jīng)研制完成，經(jīng)性能試驗(yàn)和計(jì)量測(cè)試滿足大功率穩(wěn)壓電源和通用直流穩(wěn)壓源的現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)、檢定和測(cè)試要求，自動(dòng)完成檢定工作，提高了檢定工作效率，目前已用該裝置建立了直流穩(wěn)壓源測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，具有很好的推廣應(yīng)用前景。其中直流電子負(fù)載帶有光電隔離的串行通信接口，可實(shí)現(xiàn)程序控制，并可任意多個(gè)擴(kuò)展，可任意多個(gè)擴(kuò)展，擴(kuò)展電流范圍為N×240A(N為擴(kuò)展數(shù)量)。

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