高精度可控电流标准源性能优化与应用技术的研究

摘要

标准源是实验室中重要的仪器设备，输出不同种类的标准信号，用于测试和校准。目前在标准源领域，国外多家公司和机构处于领先地位，而国内的标准源存在精度低、动态输出能力差、功能简单等缺点，与国外标准源有着一定的差距。本课题分析了现有电流标准源系统中影响性能的因素，研究测量和控制环节中的应用技术，从而优化电流标准源的性能，主要研究内容包括:
　　1、对数放大器改进与温度特性研究。对数放大器是对信号进行非线性压缩的放大器。分析差分对数放大器对小信号放大倍数低的原因，提出改进方案，进行仿真和实验验证。研究对数放大器在不同温度点上的输出—输入曲线，通过拟合得到对数放大器曲线系数与温度的关系，提出温度补偿方案，并进行实验验证。
　　2、双通道异步融合算法的研究。为了解决测量环节中高采样率与高精度之间的相互制约，本文采用了基于卡尔曼滤波器的双通道异步融合算法。根据仿真选取最优的低速测量通道采样率，建立测量环节算法模型分析算法的延时与测量带宽，仿真分析双通道异步融合算法在输入不同幅值、不同频率信号下的表现，分析算法的有效性与合理性。
　　3、在高采样率下的控制算法研究。分析高精度可控电流标准源的系统特征以及高采样率对系统控制的影响。针对本文系统的纯滞后特性，分析最少拍无纹波控制算法以及应用滞后补偿的PID算法在高采样率下的快速跟踪性能和抗干扰性能，与低采样率下的性能进行对比，并选择更适用于本系统的控制算法。
　　最后，设计合理的实验方案，对双通道异步融合算法、两种控制算法以及电流标准源的动态输出精度进行验证。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表清单

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 高精度电压电流标准源国内外研究现状

1．3 论文研究内容与研究意义

1．3．1 论文研究内容

1．3．2 论文研究意义

2 高精度可控电流标准源现状分析

2．1 电流标准源对数放大器存在的问题分析

2．2 电流标准源异步数据融合算法存在的问题分析

2．3 电流标准源系统控制存在的问题分析

2．4 本章小结

3 对数放大器对数曲线偏移补偿方法与温度补偿实验研究

3．1 对数放大器电路分析

3．2 对数曲线偏移补偿

3．2．1 导致对数曲线偏移的原因

3．2．2 对数曲线偏移补偿方法

3．2．3 对数放大曲线补偿实验

3．3 对数放大器温度特性与补偿

3．3．1 对数放大器实验方案

3．3．2 最佳测温点的确定

3．3．3 对数放大器曲线拟合

3．3．4 对数放大器温度补偿模型

3．3．5 对数放大器温度补偿模型的验证

3．4 本章小结

4 基于Kalman滤波的双通道异步采样数据融合算法研究

4．1 双通道异步采样数据融合算法流程

4．2 本系统卡尔曼滤波器模型选取

4．3 双通道异步数据融合算法仿真分析

4．3．1 低速通道采样率选取

4．3．2 双通道异步融合算法的群延时仿真分析

4．3．3 不同信号输入下双通道异步融合算法仿真分析

4．4 本章小结

5 高采样率下控制算法的仿真与研究

5．1 高精度可控电流标准源系统特征

5．2 高精度可控电流标准源系统数学模型建立

5．2．1 控制系统结构

5．2．2 系统传递函数的确定

5．3 最少拍无纹波控制器在高采样率下的仿真

5．3．1 最少拍控制器

5．3．2 针对本系统的最少拍无纹波控制系统设计

5．3．3 最少拍无纹波控制器仿真

5．4 应用滞后补偿的PID算法在高采样率下的仿真

5．4．1 数字PID控制器

5．4．2 Smith预估器

5．4．3 应用滞后补偿的PID算法仿真

5．5 本章小结

6 高精度可控电流标准源关键技术实验验证

6．1 双通道异步数据融合算法实验验证

6．1．1 实验验证方案

6．1．2 交流信号下的实验验证

6．1．3 常值电流输入下的实验验证

6．2 控制算法在高采样率下的实验验证

6．2．1 实验验证方案

6．2．2 快速跟踪性实验对比

6．2．3 抗干扰性实验对比

6．3 高精度可控电流标准源动态输出精度验证

6．3．1 实验验证方案

6．3．2 总谐波失真测试

6．3．3 幅值不确定度测试

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献