第 5期 檀朝彬等 :静电高压标准装置电阻分压器频率特性改进方法研究
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动可能是数据采集卡受到了高压源辐射电磁场的影 响而造成的 。为了避免高压辐射场的影响及测试方 便 ,仍选用 5 m 长的同轴电缆为采集卡输入信号传 输线 ,并考虑对其性能进行改进 。 213 分压器性能进行改进
第 21卷第 5期 2009年 10月
军械工程学院学报 Journal of O rdnance Engineering College
Vol121 No15 Oct. 2009
文章编号 : 1008 - 2956 (2009) 05 - 0045 - 03
静电高压标准装置电阻分压器 频率特性改进方法研究
212 测试结果 为检测电阻分压器的频率特性 ,现将高压正弦
表 2 去掉 5 m 长的同轴电缆后分压器测试数据
频率 /Hz 正峰值 /V 负峰值 /V 峰峰值 /V
K/%
0101
41766
- 41862
91628
01000
0110
41767
- 41860
91627
- 01010
1100
41755
- 41857
示 , C1 和 C2 为分压 (采样 )电阻的分布电容 , 则分 压系数为
aRC
=
R1
(1
+
R2
ωj R2
(1 C2
+ )
ωj R1
+ R2
C1 (1
) +
ωj R1
C1
)
。
由于被测信号频率的升高而引起的整个分压网
络阻抗的改变 ,及由此引起分压器的分压系数随着
被测信号频率的变化而变化 , 会大大影响高频段内
檀朝彬 , 霍俊秀 , 朱捷
(炮兵指挥学院廊坊校区 , 河北 廊坊 065000)
摘要 : 从电阻分压器的结构与原理入手 , 分析了其在静电高压标准装置测量使用过程中随测试信号频率变化而 产生误差的原因 , 利用加入电压跟随器和采用补偿电容等方法对该电阻分压器的频率特性进行了改进 , 使其达 到了较高的测量精度 。 关键词 : 高电压 ; 电阻分压器 ; 频率特性 ; 改进 中图分类号 : TM83 文献标识码 : A
拆除设备 ,去掉 5 m 长的同轴电缆 ,重新连接 , 测得数据见表 2。
输入信号为峰值 ±100 kV 正弦信号 ,频率范围 为 011 Hz～10 kHz。数据采集卡选用 AD 2L INK公 司生产的 PC I29111HR 100 kHz A /D 数据采集卡 ,数 据采集频率满足对 10 kHz信号的采集要求 。利用 VB 环境开发的自动测试软件可以实现对采集信号 周期及峰值等各项参数的测量 。
峰峰值 /V
91750 91730 91731 91723 91724 91811 101019
K/%
01000 - 01205 - 01195 - 01277 - 01267 01626 21759
加入电压跟随电路后 ,分压器测试数据又有了 新的变化 ,由随着输入信号频率的升高而减小变为 随着输入信号频率的升高而增加 。在 10 kHz时正 误差率竟达到 21759%。
表 3 加入电压跟随电路后分压器测试数据
频率 /Hz
0101 0110 1100 10100 100100 1 000100 10 000100
正峰值 /V
41818 41818 41812 41815 41813 41854 41960
负峰值 /V
- 41932 - 41918 - 41916 - 41908 - 41911 - 41957 - 51059
211 测试原理 测试原理图如图 3所示 。
表 1 未经改进的分压器测试数据
频率 /Hz 正峰值 /V 负峰值 /V 峰峰值 /V
K/%
0101
41780
- 41854
91634
01000
0110
41770
- 41854
91624
- 01104
1100
41769
- 41839
91608
- 01270
Abstract: The reasons of the error p roduced in the use of resistance2based voltage2divider w ith the chan2 ging of the frequency are analyzed based on the theory and structure of the resistance2based voltage divi2 der. In order to imp rove the frequency characteristic of the resistance2based voltage divider, the voltage2 follow ing device and compensative capacitance are added, and better measuring accuracy of the test result is obtained. Key words: high voltage; resistance2based voltage divider; frequency characteristic; imp roving
分压器广泛应用于高电压测量工程中 ,工程人 员通过测量分压器输出的较低电压并与其分压系数 相乘可以计算得到被测高电压的幅值 。按照电路结 构 ,分压器可以分为电阻分压器 、电容分压器和阻容 分压器三种 。静电高压标准装置信号源输出频率 011 Hz～10 kHz、电压 100 kV 的方波信号 ,为控制 信号源的功率及成本 ,其设计输出电流为 1 mA ,通 过计算可得到在 011 Hz～10 kHz频段内分压器的 阻抗 Z 应达到 | Z | = 100 MΩ。虽然电容分压器和阻 容分压器的频率特性都较电阻分压器好 ,但分压器 中过多的电容成分对较高频率信号的阻抗模值很难 达到 100 MΩ 的要求 。因此 ,该高压分压器采用电 阻分压器 ,这样才能使信号源的输出电流 ≤1 mA , 以减轻信号源的负载 。
利用电容表测得 5 m 长同轴电缆的分布电容为 470 pF,若选用该同轴电缆为传输线则相当于在分 压器采样电阻 R2 两端并入一个 470 pF的电容 ,该 电容的电抗会随着信号频率的上升而减小 ,从而影 响分压器中 R2 两端的电压幅值 ,导致采集卡所采的 电压随信号频率的升高而减小 。为了消除同轴电缆 分布电容对电压幅值的影响 ,保证数据采集卡所采 电压为采样电阻的精确电压 ,可利用 3140芯片设计 一个电压跟随电路 ,让分压器输出的电压信号先通 过电压跟随电路再经过同轴电缆传输到采集卡上 。 这样即可消除同轴电缆分布电容影响 ,保证数据采 集卡所采电压为采样电阻的精确电压 。加入利用 3140芯片设计的电压跟随电路后 ,再次测量的结果 见表 3。
分析原因为 3140 芯片的输入阻抗极大而输出 阻抗很小 ,完全消除了同轴电缆分布电容对电压幅 值的影响 ,因而使分压器的分压电阻 R1 与采样电阻 R2 二者分布电容不满足 R1 C1 = R2 C2 所造成的 。因 此考虑在分压器采样电阻 R2 上并入补偿电容 ,使分 压电阻与 采 样 电 阻 二 者 所 并 的 电 容 满 足 R1 C1 = R2 C2 的要求 。多次试验测得 :当在分压器采样电阻 R2 两端并入 48 pF 的电容时 ,其在 011Hz～10kHz 频段内的误差最小 ,分压精度最高 。此时 ,由 R1 C1
10100
41760
- 41832
91592
- 01436
100100
41762
- 41847
91609
- 01259
1 000100 41717
- 41780
91497
- 11422
10 000100 41562
- 41545
91107
- 51470
依据电阻分压器在低频段内分压精度较高的事 实 ,选取频率为 0101 Hz信号的分压幅值为基准 ,其 峰峰值为 91634 V。其后随着信号频率的升高分压 幅值逐次减小 。当信号频率达到 10 kHz时其峰峰 值仅为 91107 V ,最大幅值衰减 - 51470%。考虑电 路结构 ,分析原因可能是将分压器输出信号引入 A / D 数据采集卡的同轴电缆的分布电容造成的 。同轴 电缆的分布电容与分压器的采样电阻 R2 并联 ,随着 信号频率的升高 ,分布电容的电抗减小 ,从而影响了 A /D 数据采集卡的输入电压幅值 。
aR
= Uo Ui
= R2 。
R1 + R2
电阻分压器工作在低频段 (工频段内 )时 , 因其
分布电容的电抗较大而认为分布电容对分压器的分
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军械工程学院学报 2009
压比没有影响 ,所以电阻分压器在直流和低频段内 分压精度较高 。随着被测信号频率的升高 , 电阻分 压器分布电容的电抗会减小 , 从而导致整个分压网 络的阻抗改变 。于是分压器的等效电路如图 2 所
K/%
01000 01000 - 01010 - 01019 - 01269 - 01497 01456
由测量结果可以看出 ,经过改进后该电阻分压 器的频率特性得到了明显改善 ,最大正负误差率分 别为 01456%和 - 01497% , 达到了在 011 Hz～10 kHz频率范围内分压误差率 ≤015%的测试精度要 求。
= R2 C2 可计算得到分压电阻的分布电容约为 01004 8 pF,采样电阻所并的电容应为 48 pF。
在分压器采样电阻 R2 上并入 48 pF电容后 ,测
试数据见表 4。
表 4 改进后的分压器测试数据