才 滢
（92493部队89分队，辽宁葫芦岛125000）
摘要：设计的50 kV标准直流电压源主要用于计量直流高压表和高压分压器，采用脉宽调制电压基准和低压功率放大技术，实现1～50 kV稳定的直流电压输出，不确定度为0.05%、30 min的稳定度为0.005%。
关键词：标准电压源；脉宽调制电压基准；低压放大技术
中图分类号：TM44 文章编号：1006 - 2394( 2016) 03 - 0041 - 02
0引言
标准直流高压源是电磁学计量领域重要的测量标准设备，主要用于直流高压表和高压直流分压器的检定，从笔者工作的行业来看，这两类高压测试设备的应用越来越广，技术指标也明显提升，测量范围应用于42 kV以下的情况较多，为确保此类仪器设备可靠计量校准，需要研制满足量值传递要求的测量标准设备。鉴于被检对象的不确定度指标多为0. 1%，由于1 kV以下的直流电压源产品成熟，因此，本文拟设计一款不确定度指标为0.05%，输出范围1~50 kV的直流高压标准源，作为现有直流电压计量标准在高压测量范围的补充。
1设计原理
如图1所示，0.1～50 kV直流高压标准源由脉宽调制直流电压基准、正弦波电路、低压调整电路、升压整流电路组成。其中，脉宽调制直流电压基准输出0.1~5 V的标准直流电压信号，作为标准源积分电路的直流电压基准和设定基准；正弦波电路产生稳定的5V交流1 kHz正弦波标准电压，作为低压调整电路的激励电压；低压调整电路通过对反馈电压与设定基准电压差值的积分处理，控制压控单元的增益产生0.1~SV连续可调的正弦波1kHz标准电压信号，经低压功率放大器放大后可产生稳定的2～100 V正弦波电压信号，作为升压整流电路的输入电压；经升压整流后输出高稳定的1～50 kV直流电压。
2技术实现
2.1 脉宽调制直流电压基准设计
电压基准单元由双脉宽控制CMOS开关，齐纳稳压管，高、低阶滤波器和运算电路构成。其中，齐纳稳压管采用经过筛选处理的LM369，单只稳压电压10 V。双脉宽控制CMOS开关分别用于切换比例电阻与齐纳稳压基准的连接，实现对10 V稳压基准的斩波，由于低阶滤波器连接的比例电阻是高阶滤波器电路连接的比例电阻的1 000倍，当双脉宽控制CMOS开关的通断频率均设置为125 kHz时，在运算电路的输入端将获得分辨率高于6位的直流基准电压。考虑双脉宽控制CMOS开关的通断准确控制，将控制信号的占空比设定在50% ~100%，以实现5～10 V的稳定电压输出；同时在输出端叠加由LM369和运算放大器构成的-5 V的直流稳定基准电压，经校准后，最终实现0.1～5 V的基准电压输出。
2.2正弦波电路
本文的设计思路是采用积分和压控方式进行调压，对装置的核心正弦波发生器来说，仅要求其输出稳定5V交流1 kHz正弦波标准电压。因此，设计中采用了图2所示的文氏桥正弦波发生器，通过在反馈网络中设置低通滤波器，提高文氏桥正弦波发生器稳定性，通过稳幅电路将正弦波幅值稳定在±5.1 V，以满足设计技术指标要求。
2.3低压调整单元
低压调整单元主要由压控单元、积分单元、放大单元和采样单元组成。其中，采样单元直接将标准源1—50 kV高压输出分压成对应的0.1～5 V，与基准单元设定的0.1 ~5 V基准电压进行差值计算并经积分后，控制压控单元增益实现对5V交流1 kHz正弦波标准电压的幅度控制，产生稳定的0.1～5 V交流正弦波标准电压信号，作为低压放大器的输入信号，经低压放大器放大为2—100 V交流标准电压信号输出。该部分设计的难点在于采样电路精度的保持，设计中采用100只功率SW、温度系数0.001%、耐压1 500V的电阻串联，总阻值为500 MΩ ，串联后单个电阻上电压500 V，功耗为200 m W，设计电路如图3所示。
2.4升压单元设计
绕制专用的升压变压器，难点在于变压器材质的选择和绕制工艺。经过大量实验，将变压比提高到500:1，这样就进一步降低了功率放大器的推动电压，实现了用低压集成功放电路推动升压变压器，产生交流高压，经整流滤波后得到稳定的直流高压，大大提高了高压部分的可靠性。设计过程中还采用了高压发生电路密闭防潮、高压陶瓷管封装线路连接、电磁屏蔽防护干扰，以及使用高压屏蔽线等措施。
3不确定度分析
为验证装置的技术指标，采用标准高压直流分压器和八位半数字多用表，对装置样机50 kV点进行考核测试，每间隔10 min测量一次，取10次读数的平均值作为测试结果，如表1所示。
标准高压直流分压器最大允许误差为±0. 005%，数字多用表10 V量程最大允许误差为±0.0002%。
测量结果的实验室标准偏差为：S=0. 000 876；测量结果的不确定度为：u c=1.8×10-5；扩展不确定度为：U=3.6×10-5（k=2）；50 kV输出30 min稳定度为0. 004%。
为检验样机技术指标，经权威计量技术机构校准，给出如下技术指标：
输出电压范围：1～50 kV;
不确定度范围：0. 03 010~0.08%（k=2）；
50 kV输出30 min稳定度：0. 003%。
4结束语
本文设计的高压标准源，紧密结合实际工作需要，设计电路简单、稳定可靠，技术指标满足目前直流高压计量领域测量标准的需求，应用前景十分广阔。
