專利名稱：交流電荷源及其校準方法
技術領域：
本發明涉及電荷源技術，特別是ー種交流電荷源及其校準方法。所述交流電荷源的輸出電荷量受輸出負載和輸出電壓的影響很小，具有交流恒荷源的特性，能適用于高精度電路。
背景技術：
用于校準交流電荷測量儀器、交流電荷放大器和交流信號調理器的交流電荷源，也稱交流電荷校準器，均采用如圖1所示基本工作原理。圖1是現有技術交流電荷源的電路原理結構圖。圖1中，交流電荷源I包括交流電壓源Es，所述交流電壓源Es —端通過內部參考電容Cs連接電荷輸出高端2，另一端連接電荷輸出低端3，交流電荷量Qo自內部參考電容Cs經電荷輸出高端2輸出。在交流電壓值Es和電容值Cs已知的情況下，根據公式
(I)確定輸出的交流電荷量Q。，其前提是輸出電壓為零，或者小到可以忽略的程度。Q0=CsXEs....................................(I)這種電荷源結構簡單，輸出噪聲小，但存在著如下問題:(I)輸出電荷量受被校準儀器的輸入電容的影響:由于交流電荷源主要用于校準交流電荷測試儀器和交流電荷放大器等，某些被校準的儀器采用電容器對電荷量進行采樣，該電容器成為交流電荷源輸出端的負載，這時，等效電路如圖2所示。圖2是現有技術電荷源接入電容負載時的等效電 路結構原理圖。在圖2中，交流電荷源I的電荷輸出高端2與電荷輸出低端3之間連接著負載電容Q。當輸出端的負載電容值為4吋，實際的輸出電荷量為:— (. ( 1- y F/ )
° C +^i s由負載電容引起的輸出電荷量相對誤差Y c；為:
(.'f =---…J
(L +(’*由公式(3)可知，Q越小，產生的誤差越大。只有當Q遠大于Cs時，其影響才能忽略。有的被校儀器最小的輸入等效電容值4為100pF，當交流電荷源的內部參考電容值Cs等于IOOpF時，此項誤差達到50%。交流電荷源輸出電荷量受被校準儀器的輸入電容的影響非常大。(2)輸出電荷量受被校儀器輸入端輸入電壓的影響:當被校準儀器的輸入端存在輸入電壓時，交流電荷源的實際輸出電荷量為:Q0=CsX (Es-Vi)…… ....................................⑷輸入電壓的不確定對交流電荷源輸出的電荷量有著直接的影響。特別是在準確度要求高的工作環境下，這ー問題更為突出
發明內容
為了解決現有交流電荷源中存在的輸出電荷量受輸出負載和輸出電壓的影響問題，本發明提供ー種交流電荷源及其校準方法。所述交流電荷源可以在一定的范圍內，輸出電荷量受輸出負載和輸出電壓的影響很小，能準確、穩定地輸出交流電荷，具有交流恒荷源的特性，因而能適用于高精度電路。本發明的技術方案如下:交流電荷源，其特征在于，包括內部交流電壓源，所述內部交流電壓源通過內部參考電容連接電荷輸出高端，所述內部參考電容的兩端對應連接差分放大電路的兩個輸入端，所述差分放大電路的輸出端連接交直流轉換電路的輸入端，所述交直流轉換電路的輸出端通過模數轉換電路連接微處理器，所述微處理器連接內部交流電壓源，所述內部交流電壓源為程控交流電壓源，相對于所述電荷輸出高端的電荷輸出低端接地。所述微處理器為單片微處理器。所述程控交流電壓源為程控正弦電壓發生器。所述程控交流電壓源由數模轉換電路DAC和低通濾波器組成，產生正弦電壓信號，頻率范圍0.1Hz 10kHz，輸出的交流電壓有效值為I 10V，相對誤差小于0.03%。在所述電荷輸出高端與所述電荷輸出低端之間設置有等電位屏蔽端。所述差分放大電路連接另一放大電路的同相端，所述另ー放大電路的反相端與輸出端均連接跟隨電壓輸出端。用于上述交流電荷源的反饋自動調整方法，其特征在于包括如下步驟:A、程控交流電壓源輸出電壓Vil`等于輸出電荷量設定值Qs除以內部參考電容的電容值Cs;B、測量出內部參考電容兩端的交流電壓有效值Vcl，并據此進行反饋調整；
/ \ I"/'C、用逼近通式なt計算程控交流電壓源的下ー個設定值Vi(n);式中:
Vi(n)表示第n次程控交流電壓源輸出電壓設定值，Vi(Iri)表示第(n-1)次程控交流電壓源輸出電壓設定值，Vcfc^1)表示第(n-1)次測量出的內部參考電容兩端的交流電壓有效值；利用所述逼近通式達到輸出電荷量設定值與輸出電荷量實際值之間的差值滿足誤差要求吋，則結束反饋調整。用于上述交流電荷源的校準方法，其特征在于，包括如下步驟:A、在電荷輸出端連接ー個標準電容，其電容值為Cn ;B、交流電荷源輸出電荷量設置為0，采用數字交流電壓表測量跟隨電壓輸出端的第一個交流電壓值VfI ;C、交流電荷源輸出電荷量設置為Qs，采用數字交流電壓表測量跟隨電壓輸出端的第二個交流電壓值VF2，通過Vf2減去VfI后得到VF，通過Vf與Cn的乘積得到輸出電荷量標準值Qn，比較設置值Qs與標準值Qn完成校準。本發明的技術效果:采用本發明的技術方案，具有很好的恒荷特性，等效源電容小于KT15F ;消除了泄漏和干擾對輸出電荷量的影響，保證交流電荷量的準確輸出，解決了現有交流電荷源中存在的輸出電荷量受輸出電壓和負載電容的影響問題。標準電容器的電容值可以溯源到電容參數，數字多用表的交流電壓測量溯源到交流電壓參數。因此，本發明的交流電荷源校準方法，交流電荷量可以直接溯源到交流電壓和電容參數。
圖1是現有技術交流電荷源的電路原理結構圖。圖2是現有技術電荷源接入電容負載時的等效電路結構原理圖。圖3是實施本發明的交流電荷源的電路原理結構圖。圖4是另ー個實施本發明的交流電荷源的電路原理結構圖。圖5是實施本發明校準交流電荷源的方法采用的校準電路結構原理圖。圖6是現有交流電荷源技術的電壓矢量圖。附圖標記列示如下:1_交流電荷源；2_電荷輸出高端；3_電荷輸出低端；Es -內部交流電壓源；Cs-內部參考電容；Qo-輸出電荷量；Vo-電荷輸出端交流電壓；Cf負載電容；4_差分放大電路；5_交直流轉換電路；6_模數轉換電路；7_微處理器；8_程控交流電壓源；a-前向通道；9_單片微處理器；10-程控正弦電壓發生器；11-另ー放大電路；12_第I差分放大器；13_屏蔽端；14_跟隨電壓輸出端；15_數字交流電壓表；Cn-標準電容；V1-輸入交流電壓'Ne-內部參考電容兩端交流電壓；16_差分放大器増益調節電阻；17_差分放大器反向端的等電位點。
具體實施例方式下面結合附圖(圖3-圖6)對本發明進行說明。圖3是實施本發明的交流電荷源的電路原理結構圖。如圖3所示，交流電荷源1，包括內部交流電壓源Es，所述內部交流電壓源Es通過內部參考電容Cs連接電荷輸出高端2，所述內部參考電容Cs的兩端對應連接差分放大電路4的兩個輸入端(+，_)，所述差分放大電路4的輸出端連接交直流轉換電路5的輸入端，所述交直流轉換電路5的輸出端通過模數轉換路6連接微處理器7，所述微處理器7連接內部交流電壓源Es，所述內部交流電壓源Es采用程控交流電壓源8，相對于所述電荷輸出高端2的電荷輸出低端3接地。圖4是另ー個實施本發明的交流電荷源的電路原理結構圖。如圖4所示，所述微處理器7采用單片微處理器9。所述程控交流電壓源為程控正弦電壓發生器10。所述程控交流電壓源8由數模轉換電路DAC和低通濾波器組成，產生正弦電壓信號，頻率范圍0.1Hz 10kHz，輸出的交流電壓有效值為I 10V，相對誤差小于0.03%。在所述電荷輸出高端2與所述電荷輸出低端3之間設置有等電位屏蔽端13。所述差分放大電路4包括第I差分放大器12，所述第I差分放大器12外接一個增益調節電阻16，所述第I差分放大器12的反相端的等電位點17連接另一放大電路11的同相端，所述另ー放大電路11的反相端與輸出端均連接跟隨電壓輸出端14。用于上述交流電荷源的反饋自動調整方法，其特征在于包括如下步驟:A、程控交流電壓源輸出電壓設定值Vil等于輸出電荷量設定值Qs除以內部參考電容的電容值Cs;B、測量出內部參考電容兩端的交流電壓有效值Vca，并據此進行反饋調整；C、
Q Y..用逼近通式
權利要求
1.流電荷源，其特征在于，包括內部交流電壓源，所述內部交流電壓源通過內部參考電容連接電荷輸出高端，所述內部參考電容的兩端對應連接差分放大電路的兩個輸入端，所述差分放大電路的輸出端連接交直流轉換電路的輸入端，所述交直流轉換電路的輸出端通過模數轉換電路連接微處理器，所述微處理器連接內部交流電壓源，所述內部交流電壓源為程控交流電壓源，相對于所述電荷輸出高端的電荷輸出低端接地。
2.據權利要求1所述的交流電荷源，其特征在于，所述微處理器為單片微處理器。
3.據權利要求1所述的交流電荷源，其特征在于，所述程控交流電壓源為程控正弦電壓發生器。
4.據權利要求1所述的交流電荷源，其特征在于，所述程控交流電壓源由數模轉換電路DAC和低通濾波器組 成，產生正弦電壓信號，頻率范圍0.1Hz 10kHz，輸出的交流電壓有效值為0.1 10V，相對誤差小于0.03%。
5.據權利要求1所述的交流電荷源，其特征在于，在所述電荷輸出高端與所述電荷輸出低端之間設置有等電位屏蔽端。
6.據權利要求1所述的交流電荷源，其特征在于，所述差分放大電路連接另ー放大電路的同相端，所述另ー放大電路的反相端與輸出端均連接跟隨電壓輸出端。
7.于上述交流電荷源的反饋自動調整方法，其特征在于包括如下步驟: A、程控交流電壓源輸出電壓Vil等于輸出電荷量設定值Qs除以內部參考電容的電容值Cs; B、測量出內部參考電容兩端的交流電壓有效值Vca,并據此進行反饋調整； /J I/ C、用逼近通式ぶ計算程控交流電壓源的下ー個設定值vi(n);式中:vi(n)表示第n次程控交流電壓源輸出電壓設定值，Vi(n_D表示第(n-1)次程控交流電壓源輸出電壓設定值，Vcfc^1)表示第(n-1)次測量出的內部參考電容兩端的交流電壓有效值；利用所述逼近通式達到輸出電荷量設定值與輸出電荷量實際值之間的差值滿足誤差要求吋，則結束反饋調整。
8.于上述交流電荷源的校準方法，其特征在于，包括如下步驟:A、在電荷輸出端連接ー個標準電容，其電容值為Cn ;B、交流電荷源輸出電荷量設置為0，采用數字交流電壓表測量跟隨電壓輸出端的第一個交流電壓值Vfi ;C、交流電荷源輸出電荷量設置為Qs，采用數字交流電壓表測量跟隨電壓輸出端的第二個交流電壓值Vf2，通過Vf2減去Vfi后得到Vf，通過Vf與Cn的乘積得到輸出電荷量標準值Qn，比較設置值Qs與標準值Qn完成校準。
全文摘要
交流電荷源及其校準方法。所述交流電荷源可以在一定的范圍內，輸出電荷量受輸出負載和輸出電壓的影響很小，能準確、穩定地輸出交流電荷，具有交流恒荷源的特性，因而能適用于高精度電路。其特征在于，包括內部交流電壓源，所述內部交流電壓源通過內部參考電容連接電荷輸出高端，所述內部參考電容的兩端對應連接差分放大電路的兩個輸入端，所述差分放大電路的輸出端連接交直流轉換電路的輸入端，所述交直流轉換電路的輸出端通過模數轉換電路連接微處理器，所述微處理器連接內部交流電壓源，所述內部交流電壓源為程控交流電壓源，相對于所述電荷輸出高端的電荷輸出低端接地。
文檔編號G05F1/56GK103092247SQ20131004815
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月6日 優先權日2013年2月6日
發明者王斌, 馮文武, 延峰, 焦海妮, 桑琳 申請人:北京東方計量測試研究所