郝婷婷胡志远郑文超王保林何梓滨卢晓勃宋德强宋淑娟

（北京东方计量测试研究所，北京100094）

1 引 言

随着国防军工计量技术的发展，比例计量的量程扩展问题显得尤为重要，采用比例标准装置可使测量仪器统一为标准形式，其结构简单可靠，测量准确度也高于直接用仪器，为了解决交流电压比例量值传递过程中存在无法溯源的问题，扩展已有的交流电压比例量值计量范围，研制相应的计量标准器以及计量校准技术是非常必要的。 本文研制的宽频交流电阻分压器与现有直流电阻分压器的主要区别在于电路中电阻器件的时间参数和线路中各种寄生电容对分压器相角误差的影响。 为了减少电阻器引入的寄生电容影响，等电位屏蔽分压器采用电容分压器设计，而非电阻分压器设计。 试验测试过程中，不同于直流电阻分压器，宽频交流电阻分压器使用采样装置进行校准测试，利用缓冲放大器以及采样装置的输入端进行阻抗匹配保证了测量结果的准确可靠。

2 电阻分压器基本原理

宽频电阻分压器是用于精密交流电压测量的比例装置，可在DC ～1MHz 频率范围内成比例的将交流高电压信号变换成可被数字仪表或采样装置测量的低电压信号。 电阻分压器的基本原理比较简单，输出电压值等于分压器电阻的比例值与输入电压的乘积。 然而，在实际使用中尤其是交流电路中，电阻分压器受负载电容影响比较多。 为抵消负载电容引起的频响特性，电路中增加负载电容、等电位屏蔽电容、电阻器补偿电容，模型原理如图1 所示，以减少各处杂散电容对分压器相角误差的贡献，通过仿真实验，结合电容器对分压器比例误差测量值的影响量，逐一确定各电容的初始容值，并在后续实际测试中再进行精确调整，最终达到可靠的测试结果。

图1 并联补偿电容的电阻分压器模型图Fig.1 Resistance voltage divider model of parallel compensation capacitor

3 分压电阻的设计

1MHz 高准确度宽频交流分压器基于二倍率设计，每只分压器有固定分压比例，共10 只，额定输入电压从小到大分别为2V，4V，8V，16V，32V，64V，120V，240V，480V，600V，输出电压均为0.8V，保证高量程电压是低量程电压的两倍，输入阻抗为（0.5～150）kΩ 之间，工作电流4mA。 为保证分压比例具有良好的长期稳定性，宽频交流电阻分压器选用的电阻元器件关注了准确度、长期稳定性、频响特性、温度系数、功率系数几项主要技术指标。在电阻器类型确定后，根据工作电压、阻值、功率、温度系数和电压系数等确定所需电阻的各项参数。

由于使用采样测量分压比例，交流电阻分压器除了要考虑分压器的稳定性和分压器比例误差外，还要考虑分压器的相角误差影响，同时考虑到分压器相角误差能通过半电压负载递推法进行校准，分压器的结构采用最基本的电阻串联式分压的原理，提高可靠性的同时，减小温度以及开关泄漏电流的影响。 为达到良好的屏蔽效果，文章设计采用全同轴型电阻分压器。 电流从位于与轴线对称的电阻流入，并通过外部圆筒导体返回，下臂电阻采用圆盘形同轴结构设计。 根据麦克斯韦电磁场理论，5 或5 的倍数下的电磁场可近似为圆，文中电阻分压器上臂电阻和下臂电阻都采用5 线并联形式。 经测试，同轴型电阻分压器分布参数更小，与已有交流电阻分压器产品相比，具有更优异的比例误差和相角误差。 在1MHz 高频下，突破交流电阻分压器频率为100kHz 的频率上限，并且在1MHz 频率下，仍保持较高的技术指标。

4 校准结果与数据分析

使用自校准采样分析系统装置对交流电阻分压器的比例误差和相角误差进行校准，系统由多功能标准源FLUKE5720A（含放大器）、NI 高精度数字采集控制器和计算机组成。 由于宽频电阻分压器的输出阻抗较大（一般存在几百欧姆的电阻和几十皮法到几百皮法的电容），如果直接使用宽频交流电压测量设备进行测量，会引入较大的误差。 因此在测试过程中，使用1：1 的缓冲放大器置于分压器末端用于阻抗变换。 在测试中把缓冲放大器当作电阻分压器的一部分，对电阻分压部分、电容盒、缓冲放大器进行整体误差校准。

利用交直流转换标准装置对采样分析系统进行校准测试，然后5720A／5725A 多功能标准源输出的交流电压信号通过被测宽频电阻分压器分压后，进入采样分析系统，经过采样分析后得到的测量值为分压器的输出值。 起始分压器2V／0.8V 的校准依靠高精度数字采样系统在满量程点与半量程点具有良好的线性作保证。 电阻分压器的输入值，由交直流热电转换装置向直流电压溯源得到。

整个系统采用半电压负载递推法进行，首先校准装置零点，使用多功能标准源输出0.8V 电压，不经过分压器，直接接入高精度数字采样控制器的CH0 和CH1 两个通道运行测试，记录此时系统测试得到的比例误差和相角误差，对系统进行零点误差的修正。 然后继续使用高精度数字采样控制器，从同一0.8V 信号校准2V／0.8V 分压器，再用2V／0.8V在半负载电压下校准4V／0.8V，确定了4V／0.8V 后，在半负载电压下校准8V／0.8V，依次递推到600V／0.8V。 在此过程中，始终以CH0 通道为参考，CH1通道为被测。 校准软件采用LabVIEW 语言编程，界面与结果如图2 所示，将分压器输入与输出电压相比得到分压器的实际比例值，运算过程基于非整周期补偿算法。 校准过程利用了同一信号下的电压比例为1 ∶1 及相角为0°的这个自然标准，保证了系统测试的准确度与稳定度。

图2 高准确度数字采样测量软件界面与结果图Fig.2 The interface and results of high accuracy digital sampling measurement software

1MHz 高准确度交流电阻分压器校准系统的测试结果如表1 所示。 由于所使用的多功能标准源交流电压输出范围有限，本次校准结果中32V 以上的分压器输入最高至100kHz（600V 分压器输入至10kHz）频率点的校准结果。

表1 1MHz 高准确度交流电阻分压器校准系统测试数据Tab.1 The data of 1MHz high accuracy AC resistance voltage divider calibration system

经实验验证，排除交流电阻分压器的相角误差影响，采样装置本身的相角误差非常小，在10kHz频率时，两通道的相角误差小于0.001°，在100kHz频率时，两通道的相角误差小于0.01°，在1MHz 频率时，两通道的相角误差小于0.1°。 校准过程中，将采样卡本身的相角误差作为固定零点误差加以修正，经计算得出由于采样卡相位测量的不确定度可以忽略。 最终整套装置测试结果指标优，比例误差不确定度达到5 ×10～5 ×10（=2），相角误差不确定度达到5μrad ～1mrad（=2）。

5 结束语

综上，使用校准分析采样系统对1MHz 高准确度交流电阻分压器进行校准，装置中高速数据采集卡具有60MHz 内部时钟，采样速率最高可达到15MHz。 利用双通道进行同步采样，两个通道共用同一个时钟的方法，非常适合宽频电压测量，极大的解决了电学计量中比例计量量程扩展的问题，为后续交流电压比例溯源技术的研究，以及扩展国防系统交流电压比例的量值传递覆盖范围打下基础。