一种测量电压放大器的放大倍数和相移的装置及方法

摘要

本发明提供了一种测量电压放大器的放大倍数和相移的装置及方法，属于阻抗测量领域。该装置包括：隔离变压器、感应分流器、对比回路、测量回路、采样单元、计算单元和电源；所述隔离变压器包括一个输入端和两个输出端；其输入端与所述电源连接；两个输出端分别串联在对比回路、测量回路中；所述感应分流器包括第一绕组和第二绕组；所述第一绕组的首端接入所述对比回路的电流输入端，尾端接入所述对比回路的电流输出端；所述第二绕组的首端接入所述测量回路的电流输出端，尾端接入所述测量回路的电流输入端；所述采样单元分别与所述对比回路、测量回路、计算单元连接。利用本发明能够准确测量电压放大器的放大倍数和相移，且具备溯源性。

说明书

技术领域

本发明属于阻抗(高压和低压)测量领域，具体涉及一种测量电压放大器的放大倍数和相移的装置及方法。

背景技术

测量电压放大器的放大倍数和相移通常采用采样的方法，即通过对电压放大器的输入和输出端电压信号进行采样测量，根据采样数据计算出放大倍数和相移。但是这种方法要求电压放大器的输入和输出电压足够大，即满足采样的准确性要求。如果电压信号过小，如20mV以下，采样的准确性无法保障，也就无法获得电压放大器的放大倍数和相移。

另外，目前的测量方法不具备溯源性，溯源性是指通过不确定度链，把量值直接或间接溯源到国家基标准上，能够让测量结果更加准确。因为目前的电压放大电路放大倍数和相移的测量，常常使用示波器直接测量，所以不具备溯源性，也就无法测得放大倍数和相移的不确定度，无法让测量结果更加准确。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种测量电压放大器的放大倍数和相移的装置及方法，在电压放大器输入端的电压信号较小时，能够准确测量其放大倍数和相移，且具备溯源性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种测量电压放大器的放大倍数和相移的装置，所述测量电压放大器的放大倍数和相移的装置包括：隔离变压器、感应分流器、对比回路、测量回路、采样单元、计算单元和电源；

所述隔离变压器包括一个输入端和两个输出端；其输入端与所述电源连接；两个输出端分别串联在对比回路、测量回路中；

所述感应分流器包括第一绕组和第二绕组；所述第一绕组的首端接入所述对比回路的电流输入端，尾端接入所述对比回路的电流输出端；所述第二绕组的首端接入所述测量回路的电流输出端，尾端接入所述测量回路的电流输入端；

所述采样单元分别与所述对比回路、测量回路、计算单元连接。

具体的，所述对比回路包括依次串联连接的对比回路用第二标准电阻R

所述测量回路包括依次串联连接的测量回路用第一标准电阻R

待测电压放大器的两端分别与测量回路用第二标准电阻R

所述第一绕组和第二绕组的匝数比为1:1。

所述采样单元包括第一采样电压表和第二采样电压表；

所述第一采样电压表的两端分别与所述对比回路用第一标准电阻R

所述第二采样电压表的两端分别与所述待测电压放大器的两个电压测量端连接。

所述采样单元进一步包括采样触发器；

所述采样触发器分别与所述第一采样电压表、第二采样电压表的外触发端连接。

所述计算单元分别与所述采样触发器、第一采样电压表、第二采样电压表连接。

所述对比回路用第一标准电阻R

所述对比回路用第二标准电阻R

所述对比回路用第一标准电阻R

所述K与所述待测电压放大器的标称值相等。

进一步，本发明装置包括锁相放大器；

所述锁相放大器包括Lock-in端、A端和B端；

所述锁相放大器的Lock-in端与隔离变压器的参考绕组Ref连接；

所述锁相放大器的A端与感应分流器的第一绕组连接；

所述锁相放大器的B端与感应分流器的第二绕组连接。

本发明还提供了一种测量电压放大器的放大倍数和相移的方法，如图2所示，所述方法包括：

(1)将隔离变压器的输入端与电源连接；

(2)构建对比回路：将对比回路用第二标准电阻R

(3)构建测量回路：将测量回路用第一标准电阻R

(4)连接待测电压放大器：将待测电压放大器的两端分别与测量回路用第二标准电阻R

(5)连接采样单元：将第一采样电压表的两端分别与对比回路用第一标准电阻R

(6)连接采样触发器、计算单元：将采样触发器分别与所述第一采样电压表、第二采样电压表的外触发端连接；将计算单元分别与采样触发器、第一采样电压表、第二采样电压表连接；

(7)同步采样获得电压值：对第一采样电压表、第二采样电压表进行同步采样获得第一采样电压表上的电压值

(8)计算得到待测电压放大器的放大倍数A

所述步骤(8)的操作包括：利用下式计算获得待测电压放大器的放大倍数A

其中，b

进一步的，在所述步骤(6)和步骤(7)之间还有阻抗调节步骤，包括：

(S1)将锁相放大器的Lock-in端与隔离变压器的参考绕组Ref连接、将所述锁相放大器的A端与感应分流器的第一绕组连接、将所述锁相放大器的B端与感应分流器的第二绕组连接；

(S2)将锁相放大器设置为A-B功能；

(S3)观察锁相放大器的显示值是否为0，如果否，则在测量回路用第一标准电阻R

(S4)将锁相放大器的Lock-in端与隔离变压器的参考绕组Ref断开、将所述锁相放大器的的A端与感应分流器的第一绕组断开、将所述锁相放大器的的B端与感应分流器的第二绕组断开。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明在电压放大器输入端的电压信号较小时，能够准确测量其放大倍数和相移，且具备溯源性。

附图说明

图1本发明测量电压放大器的放大倍数和相移的装置的示意图；

图2本发明方法的步骤框图。

图3本发明实施例的示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明测量电压放大器的放大倍数和相移的装置包括：隔离变压器3(T

所述隔离变压器3(T

所述感应分流器4(T)包括第一绕组401和第二绕组402，所述第一绕组401的首端接入所述对比回路1的电流输入端，所述第一绕组401的尾端接入所述对比回路1的电流输出端；所述第二绕组402的首端接入所述测量回路2的电流输出端、所述第二绕组402的尾端接入所述测量回路2的电流输入端。

所述第一绕组401和第二绕组402的匝数比为1:1。

本实施例中，感应分流器T的第一绕组401、第二绕组402的绕组均为1000匝，其工作频率为50Hz至1kHz。铁芯材料是铁基非晶。绕制的感应分流器T反向接入电路中，即分别将一根绕组的首端和另一根绕组的尾端作为两个回路的电流输入端。在T的这种工作状态下，两个绕组紧密绞合并绕在同一铁芯上，漏感小；激磁阻抗很高，两个回路之间的电流比只由感应分流器自身的激磁阻抗决定；两个回路所带负载相等时，由于流过分流器两个绕组的电流相反，在每一个回路中产生的自感电压和互感电压是相互抵消的，因此，感应分流器只起到分流作用，即为电路提供两路相等的工作电流，且在电路中不会产生压降。

具体的，所述对比回路1包括依次串联连接的对比回路用第二标准电阻R

所述测量回路2包括依次串联连接的测量回路用第一标准电阻R

待测电压放大器7(第一级为电压跟随器，输入电压1mV-100mV，输出小于10V)的两端分别与测量回路用第二标准电阻R

所述采样单元包括第一采样电压表5和第二采样电压表6(两者均可以采用数字多用表3458)，所述第一采样电压表5的两端分别与对比回路用第一标准电阻R

所述采样单元进一步包括采样触发器，所述采样触发器分别与所述第一采样电压表5、第二采样电压表6的外触发端连接，利用采样触发器控制第一采样电压表5和第二采样电压表6进行同步采样。

所述计算单元分别与所述采样触发器、第一采样电压表5、第二采样电压表6连接，根据第一采样电压表5、第二采样电压表6的采样数据计算出电压放大器的放大倍数及相移，计算单元可以采用通用的计算机等。

获取电压放大器的放大倍数及相移的原理如下：

利用感应分流器为对比回路1和测量回路2提供相同的工作电流，其中，R

当R

其中，

根据式(2)可得电压放大器7的放大倍数A

其中，b

进一步，本发明装置包括锁相放大器，所述锁相放大器包括Lock-in端、A端和B端，本发明利用所述锁相放大器进行调节使得对比回路1和测量回路2的阻抗基本相等，即R

本发明还提供了一种测量电压放大器幅值和相移的方法，如图2所示，所述方法包括：

(1)将隔离变压器T

(2)构建对比回路1：将对比回路用第二标准电阻R

(3)构建测量回路2：将测量回路用第一标准电阻R

(4)连接待测电压放大器：将待测电压放大器7的两端分别与测量回路用第二标准电阻R

(5)连接采样单元：将第一采样电压表5的两端分别与对比回路用第一标准电阻R

(6)连接采样触发器、计算单元：将采样触发器分别与所述第一采样电压表5、第二采样电压表6的外触发端连接；将计算单元分别与采样触发器、第一采样电压表5、第二采样电压表6连接；

(7)同步采样获得电压值：对第一采用电压表、第二采样电压表进行同步采样获得第一采样电压表上的电压值

(8)计算得到待测电压放大器的放大倍数和相移：利用第一采样电压表上的电压值

进一步的，在所述步骤(6)和步骤(7)之间还有阻抗调节步骤，包括：

(S1)将锁相放大器的Lock-in端与隔离变压器T

(S2)将锁相放大器设置为A-B功能；

(S3)观察锁相放大器的显示值是否为0，如果否，则在测量回路用第一标准电阻R

(S4)将锁相放大器的Lock-in端与隔离变压器T

本实施例中的锁相放大器采用的是美国阿美特克7280锁相放大器。

具体的，本实施例中，隔离变压器T

利用本发明装置和方法测量所述电压放大器的放大倍数及相移的测试结果如表1所示：

表1

表1中，第一行表示待测电压放大器的标称值，下面是在不同的测量频率(电源频率、电路的工作频率)下利用本发明装置和方法获得的放大倍数A

而且，本发明解决了电压放大电路放大倍数和相移的溯源性问题，因为本发明采用感应分流器提供两路相等的工作电流，可以溯源到比例标准，而且用采样的方法计算放大倍数和相移，电压采样的方法可以溯源到交流电压标准，所以本发明方法具有溯源性。通过不确定性评定，本发明得到的放大倍数的不确定度0.02％(k＝2)，相移的不确定度0.004°(k＝2)，k是不确定度评定时用到的包含因子。从这两个不确定度可以看出，本发明获得的放大倍数、相移的准确度很高。

在实际应用中，利用本发明一方面可以标定电压放大器的放大倍数和相移，另一方面可以将标定好放大倍数和相移的电压放大器带入其它应用电路中，对测量的结果进行修正或补偿。例如，大电容对应的阻抗值较小，其两端的工作电压较小，可能小至1mV,。当电压小于10mV时，用采样电压表直接采样，准确度很低，数字多用表3458的采样电压要大于0.1V，所以先对电容两端的电压利用电压放大器进行放大后，再用数字表进行采样测量。因此，需要先利用本发明装置和方法测得电压放大器的幅值和相移，然后将该电压放大器连入到如图3所示电路中，实现对大电容的测量。

还可以将经过本发明测得幅值和相移的电压放大器用于由运放组成的相位超前或滞后电路的准确测量，或者用于模拟损耗标准器(电容器实部对应损耗，虚部对应电容)，实现幅值和相角的任意变换，或者用于测量阻抗的实部和虚部。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。