CN209296902U - 一种高频电流源 - Google Patents

Abstract

本申请提供的一种高频电流源，包括：FPGA模块、第一数模转换模块、第二数模转换模块和电力电子式电流发生器；所述FPGA模块用于接收与采样信号幅值成比例关系的直流幅值控制信号和与采样信号频率相同的交流频率控制信号，完成直流幅值控制信号与交流频率控制信号的编码输出及发送时序控制；通过第一数模转换模块产生直流电压模拟信号；通过第二数模转换模块产生交流电压模拟信号；通过电力电子式电流发生器输出高频电流信号。本申请结合常规的模拟式功放测试方法与数字式电流源的良好高频输出特性，可开展直流电子式互感器的频响精度、滤波截止频率、频率混叠等频率特性试验。

Description

一种高频电流源

技术领域

本实用新型涉及电流源技术领域，尤其涉及一种高频电流源。

背景技术

直流互感器是直流输电***建设和运行的重要一次设备，为***的控制和保护提供准确可靠的测量信息，其运行可靠性和测量准确性直接关系到直流输电***的安全稳定运行。现阶段我国直流输电工程所用的直流电子式互感器主要从国外进口，国内缺少相应的研制生产经验及调试校准手段，特别是在换流站现场无法对互感器及相关测量***进行有效检测，无法对直流互感器的运行工况进行评估。实际运行中，部分换流站的直流互感器多次出现测量不准、输出信号零漂过高、通道间数据差异较大等问题，给换流站电能计量、保护控制等各方面均带来了影响，严重影响了直流输电***的运行稳定性。

工程应用中，为解决直流电子式互感器的阶跃响应快速性和频率响应准确性，往往会提高其滤波回路的截止频率，改变其对高频信号的传变特性。直流***实际运行及故障过程中会伴随大量的高频信号，而直流电子式互感器的采样速率一般为10kHz或50kHz，对于超出其采样速率一半以上的高频信号会产生频率混叠，严重影响直流互感器的采样精度。目前对直流电子式互感器进行高频电流测试时，一般采用信号发生器控制电流型功率放大器来实现直流电子式互感器的频率响应测试，而频率混叠试验基本没有开展。目前的高频电流源可分为模拟式电流源和数字式电流源；

(1)模拟式电流源

如图1所示：模拟式电流源是基于小电压信号控制的推挽式线性功率放大器，由模拟器件构成，输出电流与负载无关，通过使用功率管构成调整环节，利用晶体管平坦的输出特性和深度负反馈电路可以得到稳定的恒流输出和高输出阻抗，实现了电压对电流的控制。

模拟式高频电流源控制方式如图1，通过上位机导入数据波形，生成实时数据，将波形实时数据送至主控CPU，主控CPU按照电压值输出比例生成采样值数据并送至D/A芯片，然后控制D/A芯片输出小电压信号，通过小电压信号控制推挽式线性电流型功率放大器输出高频大电流。

(2)数字式电流源

数字式电流源采用电力电子技术实现。基于PWM调制技术，使用PWM调节器来控制电子开关的导通与关断，通过控制功率开关的占空比来改变负载两端的电压，从而使通过负载的电流维持稳定，输出稳定的电流信号。

数字式高频电流源控制方式如图2，通过手动方式设置输出幅值和频率参数，改变电力电子式电流发生器的输出调制信号与载波信号，控制开关管的通断，输出幅值与频率可变的大电流模拟量。

然而，模拟式电流源本质是一个电压控制型电流源，其实现原理决定了当输出信号频率较高时，输出负载感抗会变得很高，从而导致输出波形的畸变。因此其高频输出能力具有一定限制，无法同时兼顾高频输出与大电流输出。数字式电流源采用电力电子方式实现，通过控制电子开关的快速通断实现高频信号输出。输出前需要手动控制输出信号幅值与频率参数，通过反馈调节实现高频电流的幅值与频率控制，本质上是一种固定输出式的稳态高频电流源。输出过程中无法实时调节输出信号参数，不具备对现场录波文件或仿真采样文件的回放输出功能。目前在进行直流电子式互感器的高频电流测试时，一般通过控制电流型功率放大器来实现，频率响应测试至3kHZ范围内，缺乏对更高频率信号的频率混叠试验，在测试内容上存在隐患。

因此，需要加强对直流电子式互感器高频传变特性的研究，开发具备10kHz～50kHz范围频率输出能力的高频试验电流源，以开展直流电子式互感器的频响精度、滤波截止频率、频率混叠效应等频率特性测试。

实用新型内容

本实用新型提供了一种高频电流源，具备10kHz～50kHz范围频率输出能力，能够开展直流电子式互感器的频响精度、滤波截止频率、频率混叠效应等频率特性测试。

本申请提供的一种高频电流源，包括：FPGA模块、第一数模转换模块、第二数模转换模块和电力电子式电流发生器；

所述FPGA模块分别连接所述第一数模转换模块和所述第二数模转换模块，所述第二数模转换模块连接所述电力电子式电流发生器；

所述FPGA模块用于接收与采样信号幅值成比例关系的直流幅值控制信号和与采样信号频率相同的交流频率控制信号，完成直流幅值控制信号与交流频率控制信号的编码输出及发送时序控制；

所述第一数模转换模块用于根据直流幅值控制信号产生与采样信号幅值成比例关系的直流电压模拟信号；

所述第二数模转换模块用于产生与采样信号同频的交流电压模拟信号；

所述电力电子式电流发生器用于根据接收的直流电压模拟信号与交流电压模拟信号作为幅值和频率的控制信号输出高频电流信号。

优选地，该电流源还包括频率调制模块；

所述频率调制模块连接于所述第二数模转换模块与所述电力电子式电流发生器之间；

所述频率调制模块用于将所述第二数模转换模块发送的同频的正弦的交流电压模拟信号转换为对应的同频的方波的交流电压模拟信号。

优选地，所述第一数模转换模块采用二进制补码编码，输出电压与输入数字信号关系为：

其中，V_out为输出电压，D为DAC所加载编码的十进制等效值，V_ref为基准电压。

优选地，所述频率调制模块包括低通滤波电路和方波调制电路；

所述低通滤波电路具体为二阶有源低通滤波电路；

所述方波调制电路具体为同相比例运算电路。

优选地，所述频率调制模块的电路包括：运算放大器、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容CA10、电容CA11、电容CA12、二极管；

所述电阻R11的第一端连接所述频率调制模块的输入端，所述电阻R11的第二端连接所述电阻R12的第一端；

所述电阻R12的第二端连接所述运算放大器的第三端；

所述电阻R13的第一端接地，所述电阻R13的第二端连接所述电阻R14的第一端，所述电阻R14的第二端连接所述频率调制模块的输出端；

所述电容CA10的第一端连接所述电阻R11的第二端，所述电容CA10的第二端接地；

所述电容CA11的第一端连接所述电阻R11的第二端，所述电容CA11的第二端连接所述频率调制模块的输出端；

所述电容CA12的第一端连接所述电阻R12的第二端，所述电容CA12的第二端接地；

所述二极管的一端连接所述频率调制模块的输入端，所述二极管的另一端接地；

所述运算放大器的第二端连接所述电阻R13的第二端，所述运算放大器的第四端连接-12V的电源，所述运算放大器的第六端连接所述频率调制模块的输出端，所述运算放大器的第七端连接+12V的电源。

优选地，所述电力电子式电流发生器具体用于获取输入的直流小电压信号幅值，按比例调整自身输出大电流信号的幅值；获取方波小电压信号，控制内部电力电子器件的开断，改变输出信号的频率。

优选地，所述第一数模转换模块为DAC模数转换芯片。

优选地，所述第二数模转换模块为DAC模数转换芯片。

优选地，所述FPGA模块包括***门电路、专用乘法器和数字时钟管理模块。

优选地，所述二极管具体为瞬态抑制二极管。

从以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下优点：

本申请提供的一种高频电流源，包括：FPGA模块、第一数模转换模块、第二数模转换模块和电力电子式电流发生器；所述FPGA模块用于接收与采样信号幅值成比例关系的直流幅值控制信号和与采样信号频率相同的交流频率控制信号，完成直流幅值控制信号与交流频率控制信号的编码输出及发送时序控制；所述第一数模转换模块用于根据直流幅值控制信号产生与采样信号幅值成比例关系的直流电压模拟信号；所述第二数模转换模块用于产生与采样信号同频的交流电压模拟信号；所述电力电子式电流发生器用于根据接收的直流电压模拟信号与交流电压模拟信号作为幅值和频率的控制信号输出高频电流信号。本申请结合常规的模拟式功放测试方法与数字式电流源的良好高频输出特性，可开展直流电子式互感器的频响精度、滤波截止频率、频率混叠等频率特性试验；后端输出采用电力电子式电流发生器，从原理上解决了传统模拟式功放输出信号的高频受限问题，具备50kHz范围内的信号输出能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请用于说明现有技术中模拟式电流源的示意图；

图2为本申请用于说明现有技术中数字式电流源的示意图；

图3为本申请提供的一种高频电流源的一个实施例的示意图；

图4为本申请提供的一种高频电流源的另一个实施例的示意图；

图5为本申请提供的一种高频电流源中频率调制模块的电路图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种高频电流源，具备10kHz～50kHz范围频率输出能力，能够开展直流电子式互感器的频响精度、滤波截止频率、频率混叠效应等频率特性测试。

为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图3，本申请提供的一种高频电流源的一个实施例，包括：FPGA模块101、第一数模转换模块102、第二数模转换模块103和电力电子式电流发生器104；

FPGA模块101分别连接第一数模转换模块102和第二数模转换模块103，第二数模转换模块103连接电力电子式电流发生器104；

FPGA模块101用于接收与采样信号幅值成比例关系的直流幅值控制信号和与采样信号频率相同的交流频率控制信号，完成直流幅值控制信号与交流频率控制信号的编码输出及发送时序控制；

需要说明的是，与采样信号幅值成比例关系的直流幅值控制信号和与采样信号频率相同的交流频率控制信号可以由PC机或者PowerPC等设备提供，一般是幅值信号和正弦信号，可以被FPGA模块101编码输出，并且被FPGA模块101完成同步。

第一数模转换模块102用于根据直流幅值控制信号产生与采样信号幅值成比例关系的直流电压模拟信号；

第二数模转换模块103用于产生与采样信号同频的交流电压模拟信号；

电力电子式电流发生器104用于根据接收的直流电压模拟信号与交流电压模拟信号作为幅值和频率的控制信号输出高频电流信号。

本实施例中，第二数模转换模块103能与电力电子式电流发生器104搭配使用，即第二数模转换模块103能发出方波信号或者是电力电子式电流发生器104能处理正弦信号。

本申请结合常规的模拟式功放测试方法与数字式电流源的良好高频输出特性，可开展直流电子式互感器的频响精度、滤波截止频率、频率混叠等频率特性试验；后端输出采用电力电子式电流发生器104，从原理上解决了传统模拟式功放输出信号的高频受限问题，具备50kHz范围内的信号输出能力。

以上是对本申请提供的一种高频电流源的一个实施例进行详细的描述，以下将对本申请提供的一种高频电流源的另一个实施例进行详细的描述。

请参阅图4，本申请提供的一种高频电流源的另一个实施例，包括：FPGA模块101、第一数模转换模块102、第二数模转换模块103和电力电子式电流发生器104；

FPGA模块101分别连接第一数模转换模块102和第二数模转换模块103，第二数模转换模块103连接电力电子式电流发生器104；

FPGA模块101用于接收与采样信号幅值成比例关系的直流幅值控制信号和与采样信号频率相同的交流频率控制信号，完成直流幅值控制信号与交流频率控制信号的编码输出及发送时序控制(用于控制第一数模转换模块102和第二数模转换模块103)；

第一数模转换模块102用于根据直流幅值控制信号产生与采样信号幅值成比例关系的直流电压模拟信号；

第二数模转换模块103用于产生与采样信号同频的交流电压模拟信号；

电力电子式电流发生器104用于根据接收的直流电压模拟信号与交流电压模拟信号作为幅值和频率的控制信号输出高频电流信号。

该电流源还包括频率调制模块105；

频率调制模块105连接于第二数模转换模块103与电力电子式电流发生器104之间；

频率调制模块105用于将第二数模转换模块103发送的同频的正弦的交流电压模拟信号转换为对应的同频的方波的交流电压模拟信号。

请参阅图3，虚线框内为波形幅频分离实时控制的高频电流源装置，由FPGA模块101、数模转换模块、频率调制模块105、电力电子式电流发生器104组成。FPGA模块101接收与采样信号幅值成比例关系的直流幅值控制信号和与采样信号频率相同的交流频率控制信号；FPGA模块101根据交互的输出信号参数，控制数模转换模块，分别产生按原始采样幅值比例缩小的直流小电压模拟信号和与原始采样同频的交流正弦小电压模拟信号；数模转换模块负责将FPGA模块101输出的数字量信号转换为模拟量信号；频率调制模块105负责将同频交流正弦小电压模拟量转换为对应的方波小电压模拟量；电力电子式电流发生器104接收直流模拟量与方波模拟量控制信号，输出最终的高频大电流信号。

FPGA模块101接收与采样信号幅值成比例关系的直流幅值控制信号和与采样信号频率相同的交流频率控制信号后，在高精度时钟模块的控制下，完成直流幅值控制信号与交流频率控制信号的编码输出及发送时序控制，驱动数模转换模块输出对应的小电压模拟量信号。

FPGA模块101处理器采用Xilinx的Spartan3系列产品XC3S1500，包含有150万个***门，32个专用乘法器，4个数字时钟管理模块，逻辑资源丰富，运行速度快。

数模转换模块包括第一数模转换模块102和第二数模转换模块103，用于接收FPGA模块101的数字驱动信号，转换为对应的小电压模拟量信号，实现数字控制回路与模拟输出回路的控制信号交互接口。

数模转换模块通过专用的DAC模数转换芯片来实现。采用16位高精度，电压输出型DAC转换器AD5764。AD5764具有同步4通道，16位无失码分辨率，积分非线性(INL)误差为±1LSB，最高达1.26M的采样速率等优点。数字部分采用补码方式表示，模拟量输出电压范围-10v到+10v。

第一数模转换模块102采用二进制补码编码，输出电压与输入数字信号关系为：

其中，V_out为输出电压，D为DAC所加载编码的十进制等效值，V_ref为基准电压。

以下将对本申请的原理进行解释：

在步骤一中FPGA模块101接收与采样信号幅值成比例关系的直流幅值控制信号和与采样信号频率相同的交流频率控制信号，在步骤二中，通过小电压分别对电流源的幅值和频率进行控制。最后通过步骤三，输出与原始采样文件数据一致的高频大电流信号。

步骤一：

FPGA模块101接收与采样信号幅值成比例关系的直流幅值控制信号和与采样信号频率相同的交流频率控制信号。

步骤二：频幅分离控制

步骤一中的FPGA模块101接收与采样信号幅值成比例关系的直流幅值控制信号，即幅值信号，经过数模转换产生幅值相同的小电压直流模拟量信号，可控制后端电流源输出信号的幅值。

采用二进制补码编码，输出电压与数字信号关系如下：

其中：V_out为输出电压，D为DAC所加载编码的十进制等效值，V_ref为基准电压；

步骤一中FPGA模块101还接收了与采样信号频率相同的交流频率控制信号，经过数模转换产生频率相同的小电压交流模拟量信号(正弦信号)，经过频率调制处理，再转换为同频的小电压方波模拟量信号，可控制后端电流源输出信号的频率。

频率调制过程基于同相比例运算电路，利用其饱和区数据的传变特性，调整反馈电阻的比例，让输入正弦信号快速饱和，实时输出同频率的方波信号。

步骤三：高频电流输出

将步骤二产生的直流小电压信号及方波小电压信号同步输入至电流发生器，通过输出时间控制和传输延迟补偿，保证两组模拟量信号间的输出延迟误差小于1us，实现电流发生器的幅频分离控制。

电力电子电流发生器获取输入的直流小电压信号幅值，按比例调整自身输出大电流信号的幅值；获取方波小电压信号，控制内部电力电子器件的开断，改变输出信号的频率。通过调节控制小电压信号的幅值和频率，可实时改变电流发生器的输出电流特性。

通过步骤一到步骤三，FPGA模块101接收与采样信号幅值成比例关系的直流幅值控制信号和与采样信号频率相同的交流频率控制信号，分别转化为关联的小电压控制信号，同步驱动电力电子电流发生器的输出，实现了数字式电流源的自动实时控制。

请参阅图5，频率调制模块105包括低通滤波电路和方波调制电路；

低通滤波电路具体为二阶有源低通滤波电路；

方波调制电路具体为同相比例运算电路。

频率调制模块105的电路包括：运算放大器、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容CA10、电容CA11、电容CA12、二极管；

电阻R11的第一端连接频率调制模块105的输入端，电阻R11的第二端连接电阻R12的第一端；

电阻R12的第二端连接运算放大器的第三端；

电阻R13的第一端接地，电阻R13的第二端连接电阻R14的第一端，电阻R14的第二端连接频率调制模块105的输出端；

电容CA10的第一端连接电阻R11的第二端，电容CA10的第二端接地；

电容CA11的第一端连接电阻R11的第二端，电容CA11的第二端连接频率调制模块105的输出端；

电容CA12的第一端连接电阻R12的第二端，电容CA12的第二端接地；

二极管的一端连接频率调制模块105的输入端，二极管的另一端接地；

运算放大器的第二端连接电阻R13的第二端，运算放大器的第四端连接-12V的电源，运算放大器的第六端连接频率调制模块105的输出端，运算放大器的第七端连接+12V的电源。

通过频率调制模块105，滤除原始采样信号中的高频干扰量，提取有效数据信息，产生与原始正弦采样同频的方波调制电压信号，实现对后端电流发生器的输出频率控制。

低通滤波回路采用二阶有源低通滤波电路，参数可调，通过改变电阻R11、R12和电容C11、C12的大小，可调整滤波电路输出信号的截止频率，获取干扰信号滤除能力与信号处理延时的平衡。

方波调制回路采用同相比例运算电路，通过调节电阻R13、R14的阻值，可以改变输出信号与输入信号的比例关系，利用运算放大器饱和区域的工作特性，将原始输入正弦信号同频方波化，以实现对电流发生器输出信号的频率进行控制。

电力电子式电流发生器104具体用于获取输入的直流小电压信号幅值，按比例调整自身输出大电流信号的幅值；获取方波小电压信号，控制内部电力电子器件的开断，改变输出信号的频率。

采用基于电力电子原理的大电流发生器，通过直流小电压幅值控制信号和方波小电压频率控制信号，实时同步驱动电流发生器输出，产生高频的大电流测试模拟量信号。

电流发生器采用电力电子高频电流发生器，输出电流0到100A，频率范围10KHZ到50KHZ，频率准确度为±50ppm，频率温度漂移±5ppm/℃，输出电流失真度优于0.5％，输出电流稳定度优于0.02％/1min。

第一数模转换模块102为DAC模数转换芯片。

第二数模转换模块103为DAC模数转换芯片。

FPGA模块101包括***门电路、专用乘法器和数字时钟管理模块。

二极管具体为瞬态抑制二极管，即TVS(Transient Voltage Suppressor)二极管。

本申请具有以下技术特点：

(1)由FPGA模块101驱动控制信号的数模转换过程，具备良好的时序控制及并发处理能力，保证了幅值控制信号与频率控制信号的同步性，可实现对电流源输出特性的准确调节；

(2)利用同相比例运算电路的饱和区工作特性，通过完全模拟电路实现对高频正弦信号的同频率方波化调制；

以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高频电流源，其特征在于，包括：FPGA模块、第一数模转换模块、第二数模转换模块和电力电子式电流发生器；

所述FPGA模块分别连接所述第一数模转换模块和所述第二数模转换模块，所述第二数模转换模块连接所述电力电子式电流发生器；

所述FPGA模块用于接收与采样信号幅值成比例关系的直流幅值控制信号和与采样信号频率相同的交流频率控制信号，完成直流幅值控制信号与交流频率控制信号的编码输出及发送时序控制；

所述第一数模转换模块用于根据直流幅值控制信号产生与采样信号幅值成比例关系的直流电压模拟信号；

所述第二数模转换模块用于产生与采样信号同频的交流电压模拟信号；

所述电力电子式电流发生器用于根据接收的直流电压模拟信号与交流电压模拟信号作为幅值和频率的控制信号输出高频电流信号。

2.根据权利要求1所述的一种高频电流源，其特征在于，还包括频率调制模块；

所述频率调制模块连接于所述第二数模转换模块与所述电力电子式电流发生器之间；

所述频率调制模块用于将所述第二数模转换模块发送的同频的正弦的交流电压模拟信号转换为对应的同频的方波的交流电压模拟信号。

3.根据权利要求1所述的一种高频电流源，其特征在于，所述第一数模转换模块采用二进制补码编码，输出电压与输入数字信号关系为：

其中，V_out为输出电压，D为DAC所加载编码的十进制等效值，V_ref为基准电压。

4.根据权利要求2所述的一种高频电流源，其特征在于，所述频率调制模块包括低通滤波电路和方波调制电路；

所述低通滤波电路具体为二阶有源低通滤波电路；

所述方波调制电路具体为同相比例运算电路。

5.根据权利要求4所述的一种高频电流源，其特征在于，所述频率调制模块的电路包括：运算放大器、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容CA10、电容CA11、电容CA12、二极管；

所述电阻R11的第一端连接所述频率调制模块的输入端，所述电阻R11的第二端连接所述电阻R12的第一端；

所述电阻R12的第二端连接所述运算放大器的第三端；

所述电阻R13的第一端接地，所述电阻R13的第二端连接所述电阻R14的第一端，所述电阻R14的第二端连接所述频率调制模块的输出端；

所述电容CA10的第一端连接所述电阻R11的第二端，所述电容CA10的第二端接地；

所述电容CA11的第一端连接所述电阻R11的第二端，所述电容CA11的第二端连接所述频率调制模块的输出端；

所述电容CA12的第一端连接所述电阻R12的第二端，所述电容CA12的第二端接地；

所述二极管的一端连接所述频率调制模块的输入端，所述二极管的另一端接地；

所述运算放大器的第二端连接所述电阻R13的第二端，所述运算放大器的第四端连接-12V的电源，所述运算放大器的第六端连接所述频率调制模块的输出端，所述运算放大器的第七端连接+12V的电源。

6.根据权利要求1所述的一种高频电流源，其特征在于，

所述电力电子式电流发生器具体用于获取输入的直流小电压信号幅值，按比例调整自身输出大电流信号的幅值；获取方波小电压信号，控制内部电力电子器件的开断，改变输出信号的频率。

7.根据权利要求1所述的一种高频电流源，其特征在于，所述第一数模转换模块为DAC模数转换芯片。

8.根据权利要求1所述的一种高频电流源，其特征在于，所述第二数模转换模块为DAC模数转换芯片。

9.根据权利要求1所述的一种高频电流源，其特征在于，所述FPGA模块包括***门电路、专用乘法器和数字时钟管理模块。

10.根据权利要求5所述的一种高频电流源，其特征在于，所述二极管具体为瞬态抑制二极管。