0 引言
回路電阻測(cè)試儀和直阻儀是測(cè)量變壓器、互感器等直流電阻的專(zhuān)用小電阻測(cè)試儀 [1]，由于測(cè)量對(duì)象都是微小電阻，測(cè)試儀采用四線法輸出直流大電流進(jìn)行測(cè)試，在計(jì)量檢定時(shí)都需要用直流標(biāo)準(zhǔn)電阻器對(duì)其進(jìn)行檢定校準(zhǔn)，但是傳統(tǒng)直流標(biāo)準(zhǔn)電阻由于制造工藝和成本等因素的限制無(wú)法承受大電流，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)回路電阻測(cè)試儀和直阻儀進(jìn)行檢定校準(zhǔn)的需求。
因此，針對(duì)傳統(tǒng)校驗(yàn)方法的不足，設(shè)計(jì)了基于零磁通原理的電流傳感器將大電流轉(zhuǎn)換成小電流測(cè)量，同時(shí)采用了低噪聲的電路架構(gòu)，配合高分辨率乘法型模數(shù)轉(zhuǎn)換器和差分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，研制出了模擬直流標(biāo)準(zhǔn)電阻器，電流*大測(cè)量220A，可以模擬電阻 1uΩ-1Ω 的任意電阻值。
1 總體設(shè)計(jì)
模擬直流標(biāo)準(zhǔn)電阻器主要由模擬電路和數(shù)字電路兩部分組成，如圖 1 所示。數(shù)字電路主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制 ；為減小數(shù)字電路噪聲對(duì)模擬電路的影響，采用隔離電路對(duì)數(shù)字電路和模擬電路進(jìn)行電氣隔離 [2] ；模擬電路主要實(shí)現(xiàn)了有源電阻的模擬，零磁通傳感器將回路電阻測(cè)試儀的大電流成比例的轉(zhuǎn)換為小電流，通過(guò)低溫漂采樣電阻和低噪聲的放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，將該電壓信號(hào)一路輸入到差分 ADC 電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換測(cè)量電流值，另一路輸入到乘法
DAC 電路的參考電壓輸入端，通過(guò)設(shè)定 DAC 的數(shù)值改變輸出電阻。具體理論模型推到如下。
零磁通傳感器將被檢儀器輸出的大電流轉(zhuǎn)換為小電流 I’：I I N ′ = （1）
其中，；N 為零磁通電流傳感器的轉(zhuǎn)換比例 ；I 為被測(cè)電流量。轉(zhuǎn)換的小電流信號(hào)經(jīng)過(guò)低溫漂四線采樣金箔電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào) U’：U IRS ′ ′ = × （2）
其中，Rs 為采樣電阻的阻值。
經(jīng)過(guò)低噪聲程控放大器，輸出電壓為 U’’：U KU ′′ ′ = × (3)
其中，K 為程控放大倍數(shù)。乘法型 DAC 的輸出電壓 U 為 :UU D = ×′′ （4）
其中，D 為 DAC 輸出分壓比。整個(gè)裝置四線等效輸出電阻 R 為 ：U R I = （5）
將公式（1）、（2）、（3）、（4）（5）聯(lián)立得到公式（6）
K RS R D N× = × （6）根據(jù)公式（6）可知，模擬直流電阻值 R 只與放大倍數(shù) K、采樣電阻 Rs、零磁通電流傳感器比例系數(shù) N、以及乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器的設(shè)定值 D 有關(guān)，其中，采樣電阻 Rs、比例系數(shù) N 為定值，只需改變數(shù)模轉(zhuǎn)換器 D 和放大倍數(shù) K 就可以模擬不同的電阻值。
2 關(guān)鍵技術(shù)
2.1 零磁通電流傳感器
傳統(tǒng)霍爾電流傳感器可以測(cè)量大電流，但是其準(zhǔn)確度水平只有 0.1%，很難滿(mǎn)足高準(zhǔn)確度測(cè)量要求，為此本裝置設(shè)計(jì)了零磁通的電流傳感器對(duì)直流大電流進(jìn)行測(cè)量 [3,4,5]。
零磁通電流傳感器采用雙磁環(huán)的結(jié)構(gòu)測(cè)量電流的大小，如圖 2 所示。首先在兩個(gè)幾何尺寸和磁導(dǎo)率相同的兩個(gè)磁芯M1、M2 上繞上相同匝數(shù)的繞組，通過(guò)方波激勵(lì)電路使其處于深度飽和狀態(tài)，它把輸入直流信號(hào) I 調(diào)制為二次諧波信號(hào)，通過(guò)零磁通檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為放大的直流信號(hào)送入誤差放大器進(jìn)行放大，通過(guò)功率放大器在反饋繞組 N 產(chǎn)生與被測(cè)電流 I相反的磁通，直至與 I 產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反，使磁環(huán)處于零磁通的狀態(tài)，此時(shí)零磁通檢測(cè)電路無(wú)信號(hào)輸出，有公式（7）成立 ：I IN ×= × 1 ′ (7)
在研制過(guò)程中綜合考慮傳感器體積和靈敏度的要求，選擇了匝數(shù) N=1000，被測(cè)的一次大電流根據(jù)匝數(shù)比轉(zhuǎn)換成小電流測(cè)量，由于整個(gè)磁環(huán)處于零磁通狀態(tài)，轉(zhuǎn)換比例相對(duì)誤差優(yōu)于 50ppm。
2.2 低噪聲的放大器架構(gòu)
由于整個(gè)裝置要保持很高的準(zhǔn)確度，必須降低整個(gè)電路系統(tǒng)的噪聲才可以提高準(zhǔn)確度，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了低噪聲的電路架構(gòu)，如圖 3 所示。低噪聲的電路架構(gòu)從三個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì) ：**選用低溫漂的四線金箔采樣電阻，降低采樣電阻的熱噪聲 ；**在原始二次電流信號(hào)拾取采用了低噪聲的差分放大器 AD8422，從源頭上減小了共模干擾噪聲 [6] ；第三運(yùn)放周?chē)碾娮柙銐蛐?，降低電流噪聲和熱噪聲。在原始信?hào)采樣的基礎(chǔ)上，采用低噪聲、低偏置電壓的放大器ADA4077 配合模擬開(kāi)關(guān) ADG1204 設(shè)計(jì)了程控放大電路進(jìn)行電壓信號(hào)放大，為后續(xù)電壓轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。
2.3 高分辨率乘法 DAC 的設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的電工式模擬電阻分辨率都不高，無(wú)法檢測(cè)直流電阻測(cè)試儀的靈敏度，為了提高整個(gè)裝置的分辨率，輸出 1Ω分辨率達(dá)到 1uΩ，乘法型 DAC 分辨率要 20bit，傳統(tǒng)的乘法型 DAC 轉(zhuǎn)換器的分辨率無(wú)法滿(mǎn)足要求，因此設(shè)計(jì)了雙 DAC 合成的轉(zhuǎn)換電路 [7]。本裝置采用了 16bit 的乘法型 DAC 轉(zhuǎn)換器AD5543 和 8bit 的乘法型 DAC 轉(zhuǎn)換器 AD5540 通過(guò)設(shè)計(jì)的加法電路合成 20bit 高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖 4 所示。具體理論推導(dǎo)如下 ：
UV D H REF H = × (8)
其中，UH 為 AD5543 輸出的電壓值，DH 為 AD5543 的設(shè)定的分壓比 ；UV D L REF L = × (9)
其中，UL 為 AD5450 輸出的電壓值，DL 為 AD5450 的設(shè)定的分壓比 ；(255 1 ) 256REFH LV U DD = × × +× (10)
公式（10）中的 U 為合成 DAC 的轉(zhuǎn)換模型，AD5543 負(fù)責(zé)合成 DAC 的高 16 位的輸出，AD5450 負(fù)責(zé)合成 DAC 低 4 位的 DAC 輸出，由于考慮到噪聲和參考電壓 VREF 的穩(wěn)定性，AD5450 只實(shí)際使用了高 4 位。
2.4 差分 ADC 電路設(shè)計(jì)
為了保證整個(gè)系統(tǒng)的電流測(cè)量準(zhǔn)確度和高分辨率，本裝置采用了差分放大器 AD8475 和 24bit 分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7190 對(duì)調(diào)理過(guò)的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化 [8,9]，如圖 5 所示。差分放大器 AD8475 將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，有效地減少了系統(tǒng)的共模干擾，同時(shí) AD8475 還擁有極低的噪聲輸出，輸出端的單極點(diǎn)低通濾波器可以減小高頻干擾 ；AD7190 配置為全差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器 , 為了達(dá)到更高的分辨率，在 AD7190 布線時(shí)將模擬與數(shù)字電路進(jìn)行了隔離，良好的去耦電路都保證了本裝置具有 20bit 的分辨率。
3 驗(yàn)證測(cè)試
依據(jù) JJF1723-2018《交直流模擬電阻器校準(zhǔn)規(guī)范》采用標(biāo)準(zhǔn)源表法對(duì)本課題研制的模擬直流標(biāo)準(zhǔn)電阻器進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖 6 所示。采用標(biāo)準(zhǔn)源法對(duì)直流電流誤差進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖 7 所示。
分別采用 20A、100A、200A 測(cè)試電流對(duì) 20mΩ、40mΩ、60mΩ、80mΩ、100mΩ 點(diǎn) 進(jìn)行模擬，從圖 6 可以看出不同測(cè)試電流對(duì)同一個(gè)電阻值的模擬，電阻的相對(duì)誤差基本一致，偏差都小于 0.01% ；且所有模擬電阻的相對(duì)誤差都小于 0.05%。
對(duì) 20A、50A、100A、150A、200A 的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，從圖 7 可以看出，隨著電流的減小，電流相對(duì)誤差不斷增大，在 20A 這點(diǎn)電流誤差達(dá)到了 -0.02%，這主要是由于零磁通電流傳感器在量程 10% 時(shí)，傳感器本身的線性度有所下降，導(dǎo)致電流誤差增大。
4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了零磁通電流傳感器、采用低噪聲的電路架構(gòu)、設(shè)計(jì)了高分率 DAC 和差分 ADC 轉(zhuǎn)換電路，研制成功了模擬直流標(biāo)準(zhǔn)電阻器，經(jīng)測(cè)試，電流測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)優(yōu)于 0.02 級(jí)，模擬直流電阻準(zhǔn)確度優(yōu)于 0.05 級(jí)，完全可以滿(mǎn)足計(jì)量機(jī)構(gòu)對(duì)回路電阻測(cè)試儀、直阻儀等小電阻直流測(cè)試儀的檢定校準(zhǔn)需求。本裝置受限于零磁通電流傳感器，只能對(duì)直流電流進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)交流電流不能同時(shí)測(cè)量，因此，本裝置還需要對(duì)零磁通傳感器交流電流測(cè)量上做進(jìn)一步研究，完成交流模擬電阻的研制。
