高精度动态电压电流标准源精度提升方法的研究

摘要

各种科研实验室中，经常需要可以输出标准信号的设备来进行科学实验或者对设备进行测试。所需的标准信号形式各异，通常是代替自然界中的各类信息。针对上述需求，本文研究了一种高精度动态电压电流标准源，可以输出一定带宽内的任意电压或电流信号，并且具有很高的静态和动态精度。
　　 高精度动态电压电流标准源采用闭环反馈的结构作为高精度的保障。在此基础上，主要针对影响系统精度的几个因素，分别展开研究，研究内容主要涉及以下几个方面:
　　 1)电路系统的噪声分析及噪声抑制。针对高精度测量电路和高精度输出电路分别进行噪声分析，明确噪声的来源以及大小，从源头上抑制噪声，提高系统精度。实验证明，所设计的电路系统指标达到预期目标。
　　 2)电路系统恒温控制。温度是影响精密仪器精度的重要因素，本文基于半导体制冷器对电路系统进行恒温控制。在结构上保证电路温度的均匀性及热量传导的可控性，监测电路温度并采取PID控制实现电路系统温度恒定。
　　 3)动态信号的高精度控制对于反馈控制算法提出了很高的要求。本文针对影响动态控制精度的因素，研究了两种可用的算法，通过对比得到一种最优算法，通过实验验证了无论静态或者动态，输出信号都具有很高的精度。
　　 4)系统结构设计。针对精密仪器对可靠性和电磁兼容性的要求来设计机械结构，并且设计人机界面实现仪器的控制。
　　 最后针对性地设计实验，采集并处理实验数据，验证标准源的各项指标达到预期精度。

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摘要

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表格目录

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 高精度动态标准源研究现状

1．2．1 多功能校准器或标准器

1．2．2 任意波形发生器

1．2．3 高精度动态标准源

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 高精度动态标准源电路系统精度提升方法研究

2．1 高精度动态标准源电路系统精度要求

2．2 高精度测量模块的精度提升

2．2．1 采样电阻的噪声抑制与精度提升

2．2．2 信号调理电路的噪声分析与精度提升

2．2．3 ADC的噪声分析

2．2．4 基准源的噪声分析

2．2．5 单通道测量模块精度

2．2．6 多通道融合

2．3 高精度输出模块的精度提升

2．3．1 高精度输出模块基本结构

2．3．2 低通滤波器

2．3．3 多通道融合

2．4 本章小结

3 电路系统恒温控制方法研究

3．1 电路系统恒温控制基本方案

3．2 电路系统恒温控制结构

3．2．1 半导体制冷器的固定

3．2．2 热量隔断

3．2．3 温度场均一化设计

3．3 电路系统恒温控制算法

3．4 本章小结

4 高精度动态标准源反馈控制方案研究

4．1 影响控制精度的因素及对算法的要求

4．2 高精度动态标准源系统数学模型建立

4．2．1 控制系统结构

4．2．2 纯滞后时间测量

4．2．3 传递函数

4．3 应用滞后补偿的PID算法实现输出控制的研究

4．3．1 smith预估器

4．3．2 针对本系统的smith预估器设计

4．4 应用最少拍无波纹算法实现输出控制的研究

4．4．1 最少拍无波纹算法

4．4．2 最少拍无波纹算法条件分析

4．4．3 针对本系统的最少拍无波纹算法设计

4．5 控制算法仿真及实验验证

4．5．1 快速跟踪性能仿真

4．5．2 干扰抑制性能仿真

4．5．3 快速跟踪性能实验

4．5．4 干扰抑制性能实验

4．6 本章小结

5 高精度动态标准源结构

5．1 高精度动态标准源整体结构

5．1．1 电磁兼容性

5．1．2 可靠性

5．1．3 高精度动态标准源整体结构

5．2 单通道结构

5．2．1 热传导

5．2．2 电磁兼容性

5．3 人机界面

5．4 本章小结

6 高精度动态标准源的精度实验验证

6．1 高精度动态标准源实验测试方法

6．2 高精度动态标准源精度验证

6．2．1 直流指标测试

6．2．2 交流指标测试

6．3 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果