本实用新型专利技术提供了一种基于FPGA和电压控制电流源的全自动流比器高压电桥，该全自动流比器高压电桥包括分压器、高压电源、FPGA、第一模拟输入模块、第二模拟输入模块、RT、工控机、电压控制电流源、模拟输出模块、程控放大器、流比器及测试试品，流比器包括检测线圈、第一比例线圈和第二比例线圈。检测线圈与程控放大器用来检测流比器平衡程度；两个固定匝数的比例线圈分别与测试试品和电压控制电流源相连接，通过安匝平衡原理实现试品电流的比较式测量。本实用新型专利技术的基于FPGA和电压控制电流源的全自动流比器高压电桥可实现高压条件下容性试品电容及损耗因数的测量和感性试品电感与品质因数的测量。
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及电气测量技术，尤其涉及一种基于FPGA和电压控制电流源的全自动流比器高压电桥。
技术介绍
在高电压条件下，容性试品电容值和损耗因数的测量大都采用电桥法测量，主要设备有高压西林电桥及高压流比器电桥。高压西林电桥是一种最传统容性试品电容值和损耗因数测量设备，其工作原理如图1A所示。具体地讲是把测试试品等效成复阻抗与标准电容器进行比较，调节低压侧比例臂的标准电阻R3和电容C4满足对边阻抗之积相等实现电桥平衡，而后根据电桥平衡条件计算待测参数电容值和损耗因数。低压臂电阻和电容的调节通过旋转式十进位制开关实现，只能通过人工调节，无法实现自动化测量。同时由于西林电桥为阻容电桥，只能实现容性试品的测量，不能满足感性试品的测量。高压流比器电桥其平衡条件为安匝平衡，因为用匝数比来代替电阻比，平衡时没有磁滞损耗，其测量精度较其它电桥有显著的提高，工作原理如图1B所示。电桥的平衡条件为：ICNX＝I0N0，IgNX＝IaNa。根据匝数比可求得测试试品电流，从而得到其电容值和损耗因数。改变线圈Nx中磁通的方向，使测试试品电流从线圈Nx同名端流入，可实现感性试品的测量。高压流比器电桥的平衡方法是将比例线圈按1、2、5系数抽头，手动调节比例线圈的匝数，实现安匝平衡。这种调节方式操作繁琐，对操作者的技能要求较高；且连线复杂，引线的屏蔽及可靠性问题不容忽视。为了克服电桥法人工操作及对操作人员技术要求的问题，人们提出了相位比较法。相位比较法是一种高压条件下全自动测量容性试品电容值和损耗因数的方法，其基本原理如图1C所示。电压和电流信号经过相同的两路信号预处理电路，然后进入过零比较器将交流信号过零整形为方波信号，通过比较这两个方波信号的上升沿或下降沿之间的时间差求出两个信号的相位差，进而计算出测试试品电容值和损耗因数。此方法实现了自动化测量，但是对于提取的电压信号和电流信号都属于直接测量，没有确定的基准，测量精度十分有限。综上，无论是现有的电桥法，还是相位比较法，其要么精度较低，要么需要人工操作且对操作人员技术要求较高，均不能同时实现高精度测量和自动化测量。
技术实现思路
在下文中给出了关于本技术的简要概述，以便提供关于本技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本技术的穷举性概述。它并不是意图确定本技术的关键或重要部分，也不是意图限定本技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。鉴于此，本技术提供了一种基于FPGA和电压控制电流源的全自动流比器高压电桥，以至少解决现有的电桥法和相位比较法均不能同时实现高精度测量和自动化测量的问题。根据本技术的一个方面，提供了一种基于FPGA和电压控制电流源的全自动流比器高压电桥，该全自动流比器高压电桥包括分压器、高压电源、现场可编程门阵列(FPGA)、第一模拟输入模块、第二模拟输入模块、实时控制器(RT)、工控机、电压控制电流源、模拟输出模块、程控放大器、检测线圈、流比器及测试试品，其中，流比器包括检测线圈、第一比例线圈和第二比例线圈；高压电源的高压分别加到分压器和测试试品上，其中，测试试品的电流进入第二比例线圈中；分压器得到的电压信号输入至第一模拟输入模块中，第一模拟输入模块将该电压信号从模拟信号转换为数字信号后传输至FPGA的数据输入端口中；检测线圈连接程控放大器，程控放大器将检测线圈采集到的不平衡信号放大，通过第二模拟输入模块将检测线圈得到的放大信号转换为数字信号并传输至FPGA；FPGA的输出端连接模拟输出模块，电压控制电流源采集模拟输出模块的电压信号，并将该电压信号转换为电流信号而输出至第一比例线圈中；FPGA的数字I/O端口连接至程控放大器的放大倍数接线端；FPGA与RT相连接，RT与工控机通过以太网相连接。进一步地，FPGA中可以设有标准电容与电阻并联模型。进一步地，FPGA中可以设有标准电感与电阻并联模型。进一步地，检测线圈与程控放大器用于检测流比器平衡程度，而FPGA用于根据检测线圈的输出电压大小使其数字I/O端口发出两路电平信号，并通过两路电平信号控制程控放大器选择对应的放大倍数。本技术的主要原理是：从分压器获取的实验电压模拟信号和从程控放大器获取的流比器不平衡电压信号通过第一和第二模拟输入模块转化数字信号传输到FPGA。数字电压信号通过构建的模型运算生成补偿数字电压信号，经数模转换后作为电压控制电流源的输入，电压控制电流源输出补偿电流。补偿电流流入第一比例线圈产生的磁通与测试试品电流在第二比例线圈中产生的磁通相抵消。FPGA、第一和第二模拟输入模块以及电压控制电流源等效为虚拟基准，通过工控机根据流比器不平衡电流情况调整电容(或电感)、电阻的参数，实现与实物标准电容(或标准电感)和标准电阻作用效果相同的补偿电流信号。经过多次补偿，流比器不平衡信号越来越小，最终实现安匝平衡。通过平衡时FPGA中的电路参数可求得流经测试试品的电流，进而求出测试试品的电容值和损耗因数。与现有技术相比，本技术的一种基于FPGA和电压控制电流源的全自动流比器高压电桥具有以下有益效果：(1)通过采用可控补偿电流的方式实现流比器高压电桥的安匝平衡，检测线圈与程控放大器用来检测流比器平衡程度，两个固定匝数的比例线圈分别与测试试品和电压控制电流源相连接，调节电压控制电流源的输出电流，通过安匝平衡原理实现试品电流的比较式测量，由此在高电压条件下既能够保证高精度测量，又能够实现测试过程的全自动化，操作简单，弥补了现有测试技术的不足。(2)本技术的流比器高压电桥通过采用FPGA代替传统windows操作系统，能够实时地并行处理以下几个过程：采集信号、计算补偿电流信号和发出信号；而这是传统的windows操作系统无法实现的。具体而言，本技术在采集电源电压信号和不平衡电流信号的同时发出补偿电流信号，且补偿电流信号的大小是由电源电压结合电路参数实时运算得来，这是真正并行运行的两个过程，要求控制系统有高实时性和确定性，而windows操作系统由于其单线程运行的特点并不能完全实时并行两个程序，无法满足测试要求。此外，可重新配置FPGA是有大量的逻辑门构成的数字芯片，可以对其进行定制，定制后逻辑门就被编译到了物理硬件上，除非重新编译否则不会更改，所以FPGA具有高可靠性、高确定性的优点。同时FPGA在硬件中以平行循环方式的执行并行代码，不会受到处理器核数的限制，能够实现真正的实时并行运行。(3)本技术的流比器高压电桥的基本原理依旧是安匝平衡，即流入流比器比例线圈的是可调控的电流信号，但由于采用FPGA代替传统windows操作系统，而FPGA发出的数字信号经过模拟输出模块变为电压信号，故这里采用电压控制电流源来实现电压/电流信号转化。在设计时保证电压控制电流源有确定的转换系数k，当FPGA发出数字电压一定时，补偿电流的幅值、相位也确定，通过观察补偿后检测线圈不平衡电流的变化，经过运算调整下一次FPGA输出电压。(4)本技术的流比器高压电桥，不仅能够实现高压条件下容性试品电容及损耗因数的全自动测量，还能实现感性试品电感及品质因数的全自动测量；与现有高压流比器电桥相比，本技术无需过多的连线，避本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于FPGA和电压控制电流源的全自动流比器高压电桥，其特征在于，所述全自动流比器高压电桥包括分压器(1)、高压电源(2)、FPGA(3)、第一模拟输入模块(4‑1)、第二模拟输入模块(4‑2)、RT(5)、工控机(6)、电压控制电流源(7)、模拟输出模块(8)、程控放大器(9)、流比器(10)及测试试品(11)，其中，所述流比器(10)包括检测线圈(10‑1)、第一比例线圈(10‑2)和第二比例线圈(10‑3)；所述高压电源(2)的高压分别加到所述分压器(1)和所述测试试品(11)上，其中，所述测试试品(11)的电流进入所述第二比例线圈(10‑3)中；所述分压器(1)得到的电压信号输入至所述第一模拟输入模块(4‑1)中，所述第一模拟输入模块(4‑1)将该电压信号从模拟信号转换为数字信号后传输至所述FPGA(3)的数据输入端口中；所述检测线圈(10‑1)连接所述程控放大器(9)，所述程控放大器(9)将所述检测线圈(10‑1)采集到的不平衡信号放大，通过所述第二模拟输入模块(4‑2)将检测线圈(10‑1)得到的放大信号转换为数字信号并传输至FPGA(3)；FPGA(3)的输出端连接所述模拟输出模块(8)，所述电压控制电流源(7)采集所述模拟输出模块(8)的电压信号，并将该电压信号转换为电流信号而输出至所述第一比例线圈(10‑2)中；所述FPGA(3)的数字I/O端口连接至所述程控放大器(9)的放大倍数接线端；所述FPGA(3)与所述RT(5)相连接，所述RT(5)与所述工控机(6)通过以太网相连接。...
【技术特征摘要】
1.基于FPGA和电压控制电流源的全自动流比器高压电桥，其特征在于，所述全自动流比器高压电桥包括分压器(1)、高压电源(2)、FPGA(3)、第一模拟输入模块(4-1)、第二模拟输入模块(4-2)、RT(5)、工控机(6)、电压控制电流源(7)、模拟输出模块(8)、程控放大器(9)、流比器(10)及测试试品(11)，其中，所述流比器(10)包括检测线圈(10-1)、第一比例线圈(10-2)和第二比例线圈(10-3)；所述高压电源(2)的高压分别加到所述分压器(1)和所述测试试品(11)上，其中，所述测试试品(11)的电流进入所述第二比例线圈(10-3)中；所述分压器(1)得到的电压信号输入至所述第一模拟输入模块(4-1)中，所述第一模拟输入模块(4-1)将该电压信号从模拟信号转换为数字信号后传输至所述FPGA(3)的数据输入端口中；所述检测线圈(10-1)连接所述程控放大器(9)，所述程控放大器(9)将所述检测线圈(10-1)采集到的不平衡信号放大，通过所述第二模拟输入模块(4-2)将检测线圈(10-1)得到的放大信...
【专利技术属性】
技术研发人员：李忠华，董旭，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：新型
国别省市：黑龙江;23
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