本發(fā)明涉及計量領(lǐng)域，具體說是涉及一種用于產(chǎn)生低頻正交磁場的大功率、高精度、相位差可調(diào)的低頻雙路交流恒流源裝置。

背景技術(shù)：

目前恒流源已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于計量、光電、醫(yī)療、通訊等領(lǐng)域。恒流源的實質(zhì)是利用器件對電流進行反饋，動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的供電狀態(tài)，從而使得電流趨于恒定，只要能夠得到電流，就可以有效形成反饋，從而建立恒流源。

就目前而言，現(xiàn)有技術(shù)中恒流源主要分直流恒流源和交流恒流源兩大類：現(xiàn)有的直流恒流產(chǎn)生技術(shù)非常成熟，已經(jīng)具有商業(yè)化產(chǎn)品，且電流輸出相對精度可達(dá)100ppm，但是不滿足交流磁場產(chǎn)生的要求；就交流橫流源而言，雖然相關(guān)產(chǎn)品能夠用于產(chǎn)生交流磁場，但具有如下問題：一是由于帶寬限制，現(xiàn)有所有產(chǎn)品輸出電流的頻率往往在20Hz以上；二是現(xiàn)有交流信號源往往為單路輸出，即使使用兩臺信號源聯(lián)合使用的方式，也無法對信號源的頻率、相位差與兩路輸出電流大小三個參數(shù)同時進行調(diào)節(jié)，部分交流橫流源可以實現(xiàn)雙路輸出，但是沒有相位調(diào)整功能；三是部分產(chǎn)品滿足前面兩個條件，但是其輸出最大電流只有100mA，無法產(chǎn)生大電流輸出信號。

基于低頻正交恒弱磁場標(biāo)準(zhǔn)裝置的需求，結(jié)合目前尚無滿足需求的產(chǎn)品，即尚無同時滿足如下條件：①、兩路電流輸出，輸出電流范圍為0.1mA-1A，每一路電流的輸出最小分辨率為0.1mA；②、兩路輸出電流的頻率范圍為1 Hz -100Hz，每一路電流的頻率調(diào)節(jié)分辨率為0.1Hz；③、兩路輸出相位調(diào)節(jié)范圍0°-360°，相位的調(diào)節(jié)分辨率為0.1°。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，針對傳統(tǒng)的恒流源不能滿足計量領(lǐng)域于產(chǎn)生低頻正交磁場的大功率、高精度要求的問題，和不能實現(xiàn)三個參數(shù)可調(diào)或者調(diào)節(jié)精度低、范圍小的問題、輸出通道單一、電源適用范圍小的問題。本發(fā)明提供一種低頻雙路交流恒流源裝置，用于產(chǎn)生低頻正交磁場的大功率、高精度、相位差可調(diào)的低頻雙路交流恒流源。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)幅值、頻率、相位多個參數(shù)同時調(diào)節(jié)，并能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、大功率的兩路正交電流的恒流源的同時輸出。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為；

一種低頻雙路交流恒流源裝置，包括供電單元、上位機控制單元、單片機控制單元、執(zhí)行電路單元、電源輸出單元、采樣反饋單元。供電單元分別連接上位機控制單元、單片機控制單元、執(zhí)行電路單元。上位機控制單元連接單片機控制單元，單片機控制單元連接執(zhí)行電路單元，執(zhí)行電路單元連接電源輸出單元。電源輸出單元通過采樣反饋單元連接單片機控制單元。

所述供電單元包括市電交流供電輸入端口，接入工頻交流電，經(jīng)開關(guān)電源給上位機控制單元、執(zhí)行電路單元提供電源并供電。

所述上位機控制單元，包括工控機模塊，工控機模塊外接USB端口，用于對輸出參數(shù)進行設(shè)置；工控機模塊外接顯示輸出端口，用于提供可視化的控制平臺并將反饋的跟蹤信號動態(tài)顯示。

所述單片機控制單元，用于控制DDS合成所需頻率的兩路正交正弦函數(shù)信號，調(diào)節(jié)輸出電流的增益，并且對反饋的信號進行處理及控制。

所述執(zhí)行電路單元包括濾波電路模塊、功率放大器模塊、繼電器切換開關(guān)模塊；

濾波電路模塊，用于將輸出的信號進行濾波處理；

功率放大器模塊，用于將輸入信號放大到設(shè)定值所述的電源功率電流；

繼電器切換開關(guān)模塊，用于切換大電流輸出和小電流輸出的兩種模式。

所述電源輸出單元，包括兩路正交的交流電源的外接電源端口，第一路為正弦外部電源端口，第二路為余弦外部電源端口，電源輸出單元同步輸出兩路正交的恒定電流，兩路輸出接感性線圈的負(fù)載。

所述采樣反饋單元，包括兩組取樣電，針對大電流和小電流的兩種模式串接不同阻值的取樣電阻，將輸出的電源信號的特征信息采集，將采集的參數(shù)反饋給單片機控制單元A003進行輸出調(diào)節(jié)。

本發(fā)明一種低頻雙路交流恒流源裝置，技術(shù)效果如下：

1、兩路電流輸出，輸出電流范圍為0.1mA-1A，每一路電流的輸出最小分辨率達(dá)到0.1mA。

2、兩路輸出電流的頻率范圍為1 Hz -100Hz，每一路電流的頻率調(diào)節(jié)分辨率達(dá)到0.1Hz。

3、兩路輸出相位調(diào)節(jié)范圍為0°-360°，相位的調(diào)節(jié)分辨率達(dá)到0.1°。

4、兩路輸出電流的調(diào)節(jié)速度快，在1s-5s的響應(yīng)時間的平穩(wěn)調(diào)節(jié)最終達(dá)到鎖定狀態(tài)，在鎖定狀態(tài)下穩(wěn)定的輸出兩路恒流源。

附圖說明

圖1為本發(fā)明正交交流恒流源模塊方框圖。

圖2為本發(fā)明正交交流恒流源模塊電路框圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種低頻雙路交流恒流源裝置，包括供電單元A001、上位機控制單元A002、單片機控制單元A003、執(zhí)行電路單元A004、電源輸出單元A005、采樣反饋單元A006。

供電單元A001分別連接上位機控制單元A002、單片機控制單元A003、執(zhí)行電路單元A004。

上位機控制單元A002連接單片機控制單元A003，單片機控制單元A003連接執(zhí)行電路單元A004，執(zhí)行電路單元A004連接電源輸出單元A005。電源輸出單元A005通過采樣反饋單元A006連接單片機控制單元A003。

所述供電單元A001包括市電交流供電輸入端口，接入工頻交流電，經(jīng)開關(guān)電源給上位機控制單元A002、執(zhí)行電路單元A004提供電源并供電。

所述上位機控制單元A002，包括工控機模塊，工控機模塊外接USB端口，用于對輸出參數(shù)進行設(shè)置；工控機模塊外接顯示輸出端口，用于提供可視化的控制平臺并將反饋的跟蹤信號動態(tài)顯示。

所述單片機控制單元A003，用于控制DDS合成所需頻率的兩路正交正弦函數(shù)信號，調(diào)節(jié)輸出電流的增益，并且對反饋的信號進行處理及控制。

所述執(zhí)行電路單元A004包括濾波電路模塊、功率放大器模塊、繼電器切換開關(guān)模塊；

濾波電路模塊，用于將輸出的信號進行濾波處理；

功率放大器模塊，用于將輸入信號放大到設(shè)定值所述的電源功率電流；

繼電器切換開關(guān)模塊，用于切換大電流輸出和小電流輸出的兩種模式。

所述電源輸出單元A005，包括兩路正交的交流電源的外接電源端口，第一路為正弦外部電源端口，第二路為余弦外部電源端口，電源輸出單元A005同步輸出兩路正交的恒定電流，兩路輸出接感性線圈的負(fù)載。

所述采樣反饋單元A006，包括兩組取樣電，針對大電流和小電流的兩種模式串接不同阻值的取樣電阻，將輸出的電源信號的特征信息采集，將采集的參數(shù)反饋給單片機控制單元A003進行輸出調(diào)節(jié)。

一種低頻雙路交流恒流源調(diào)節(jié)輸出方法，包括以下步驟：

第一步，由上位機控制單元A002對電源的頻率，幅值，相位參數(shù)進行設(shè)置。

第二步，由單片機控制單元A003采用DDS技術(shù)合成設(shè)定的頻率和相位的設(shè)定值，并通過DAC控制電流輸出的增益控制輸出的電流幅值，最終實現(xiàn)了電源裝置的三個參數(shù)可調(diào)。

第三步，由執(zhí)行電路單元A004的功率放大器對單片機控制單元A003的信號進行放大處理，然后對放大的電流信號進行濾波處理，最后經(jīng)繼電器切換開關(guān)模塊，根據(jù)輸出的電流的大小切換響相應(yīng)的輸出電路。

第四步，由電源輸出單元A005將兩路正交恒定電流經(jīng)第一路、第二路輸出到感性負(fù)載。

第五步，由感性負(fù)載產(chǎn)生所需的正交的磁場，并用于下一步計量工作。

第六步，由采樣反饋單元A006的采樣電阻采集輸出端的電源特征信號，反饋給單片機控制單元A003進行準(zhǔn)確的控制，直到輸出達(dá)到設(shè)定精度以內(nèi)并成功鎖定。

第七步，由上位機控制單元A002的外接的顯示器，將調(diào)節(jié)的動態(tài)過程直觀的顯示，并最終顯示鎖定狀態(tài)。

具體實施步驟如圖2所示：

（1）、在上位機控制單元A002將參數(shù)完成設(shè)定并將參數(shù)傳給單片機控制單元A003。

（2）、用STM32F207單片機B001的32位定時器T2，利用DDS芯片B002產(chǎn)生兩路指定頻率的正交信號，可實現(xiàn)分辨率0.1hz高精度可調(diào)。通過調(diào)整DDS的起始點，可以調(diào)節(jié)相位到預(yù)期值。

（3）、由DDS芯片B002輸出的兩路信號，通過24位高精度DAC模塊B008控制VGA模塊B0003（電壓控制增益），通過調(diào)節(jié)功率放大器輸入電壓的來間接調(diào)節(jié)輸出端的增益，從而實現(xiàn)輸出功率調(diào)節(jié)，最大輸出電流為1.5A，調(diào)節(jié)電流分辨率可達(dá)0.1mA。

（4）放大的電流經(jīng)過濾波處理器B004，濾波處理器B004濾除電路噪聲，進一步的優(yōu)化了輸出恒流源的電流質(zhì)量。

（5）選擇開關(guān)部分：能根據(jù)設(shè)置電流的大小選擇對應(yīng)的輸出電路，所述的選擇開關(guān)部分由通斷不同繼電器組的方式選擇輸出電路。

（6）由輸出電路B005接入兩路交流電流經(jīng)過感性線圈即產(chǎn)生一組磁場。通過反饋調(diào)節(jié)將頻率、幅值、相位調(diào)節(jié)一致，最終輸出一組正交交流恒流源，經(jīng)過感性線圈B006就得到了弱磁計量所需要的正交的磁場。

（7）采樣反饋環(huán)節(jié)通過反饋調(diào)節(jié)使輸出參數(shù)達(dá)到要求的精度，所述的采集部分由高精度取樣電阻串入回路，獲取電流特征信號，放大后用24位高精度AD模塊B009采集，反饋到單片機控制單元A003。取樣電阻B007是不同阻值的電阻構(gòu)成的兩組取樣電阻，當(dāng)大電流輸出時串聯(lián)10歐的取樣電阻，小電流的時候輸出串聯(lián)1歐的取樣電阻。選擇不同的電阻由繼電器組的通斷來實現(xiàn)，此處的繼電器和（5）中的繼電器同步動作。

（8）調(diào)節(jié)過程：采取的控制方式是PID的調(diào)節(jié)方式，可以很快的達(dá)到調(diào)節(jié)預(yù)期值，輸出電流的幅值調(diào)節(jié)，由控制器直接給定一個接近設(shè)定值的初始值，然后再反復(fù)運算和比較逼近到設(shè)定值，當(dāng)滿足精度要求時鎖定，可以大大提高了調(diào)節(jié)響應(yīng)速度；相位偏差調(diào)節(jié)，將該偏差信號送入單片機進行脈寬測量，由控制器直接給定一個接近設(shè)定值的初始值，然后再根據(jù)測量結(jié)果反復(fù)比較和反復(fù)運算逼近到設(shè)定值，當(dāng)滿足精度要求時鎖定。

（9）在裝置進行以上工作的同時，將調(diào)節(jié)的動態(tài)信息傳送到顯示器直觀顯示。

（10）經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)精確的控制，直到輸出達(dá)到設(shè)定精度以內(nèi)并成功鎖定。在鎖定狀態(tài)下穩(wěn)定的輸出兩路恒流源。