標準直流高壓源是電磁學計量領域重要的測量標準設備，主要用于直流高壓表和高壓直流分壓器的檢定，從筆者工作的行業(yè)來看，這兩類高壓測試設備的應用越來越廣，技術指標也明顯提升，測量范圍應用于42 kV以下的情況較多，為確保此類儀器設備可靠計量校準，需要研制滿足量值傳遞要求的測量標準設備。鑒于被檢對象的不確定度指標多為0. 1%，由于1 kV以下的直流電壓源產(chǎn)品成熟，因此，本文擬設計一款不確定度指標為0.05%，輸出范圍1~50 kV的直流高壓標準源，作為現(xiàn)有直流電壓計量標準在高壓測量范圍的補充。

1設計原理

如圖1所示，0.1～50 kV直流高壓標準源由脈寬調(diào)制直流電壓基準、正弦波電路、低壓調(diào)整電路、升壓整流電路組成。其中，脈寬調(diào)制直流電壓基準輸出0.1~5 V的標準直流電壓信號，作為標準源積分電路的直流電壓基準和設定基準；正弦波電路產(chǎn)生穩(wěn)定的5V交流1 kHz正弦波標準電壓，作為低壓調(diào)整電路的激勵電壓；低壓調(diào)整電路通過對反饋電壓與設定基準電壓差值的積分處理，控制壓控單元的增益產(chǎn)生0.1~SV連續(xù)可調(diào)的正弦波1kHz標準電壓信號，經(jīng)低壓功率放大器放大后可產(chǎn)生穩(wěn)定的2～100 V正弦波電壓信號，作為升壓整流電路的輸入電壓；經(jīng)升壓整流后輸出高穩(wěn)定的1～50 kV直流電壓。

2技術實現(xiàn)

2.1 脈寬調(diào)制直流電壓基準設計

電壓基準單元由雙脈寬控制CMOS開關，齊納穩(wěn)壓管，高、低階濾波器和運算電路構(gòu)成。其中，齊納穩(wěn)壓管采用經(jīng)過篩選處理的LM369，單只穩(wěn)壓電壓10 V。雙脈寬控制CMOS開關分別用于切換比例電阻與齊納穩(wěn)壓基準的連接，實現(xiàn)對10 V穩(wěn)壓基準的斬波，由于低階濾波器連接的比例電阻是高階濾波器電路連接的比例電阻的1 000倍，當雙脈寬控制CMOS開關的通斷頻率均設置為125 kHz時，在運算電路的輸入端將獲得分辨率高于6位的直流基準電壓�？紤]雙脈寬控制CMOS開關的通斷準確控制，將控制信號的占空比設定在50% ~100%，以實現(xiàn)5～10 V的穩(wěn)定電壓輸出；同時在輸出端疊加由LM369和運算放大器構(gòu)成的-5 V的直流穩(wěn)定基準電壓，經(jīng)校準后，最終實現(xiàn)0.1～5 V的基準電壓輸出。

2.2正弦波電路

本文的設計思路是采用積分和壓控方式進行調(diào)壓，對裝置的核心正弦波發(fā)生器來說，僅要求其輸出穩(wěn)定5V交流1 kHz正弦波標準電壓。因此，設計中采用了圖2所示的文氏橋正弦波發(fā)生器，通過在反饋網(wǎng)絡中設置低通濾波器，提高文氏橋正弦波發(fā)生器穩(wěn)定性，通過穩(wěn)幅電路將正弦波幅值穩(wěn)定在±5.1 V，以滿足設計技術指標要求。

2.3低壓調(diào)整單元

低壓調(diào)整單元主要由壓控單元、積分單元、放大單元和采樣單元組成。其中，采樣單元直接將標準源1—50 kV高壓輸出分壓成對應的0.1～5 V，與基準單元設定的0.1 ~5 V基準電壓進行差值計算并經(jīng)積分后，控制壓控單元增益實現(xiàn)對5V交流1 kHz正弦波標準電壓的幅度控制，產(chǎn)生穩(wěn)定的0.1～5 V交流正弦波標準電壓信號，作為低壓放大器的輸入信號，經(jīng)低壓放大器放大為2—100 V交流標準電壓信號輸出。該部分設計的難點在于采樣電路精度的保持，設計中采用100只功率SW、溫度系數(shù)0.001%、耐壓1 500V的電阻串聯(lián)，總阻值為500 MΩ ，串聯(lián)后單個電阻上電壓500 V，功耗為200 m W，設計電路如圖3所示。

2.4升壓單元設計

繞制專用的升壓變壓器，難點在于變壓器材質(zhì)的選擇和繞制工藝。經(jīng)過大量實驗，將變壓比提高到500:1，這樣就進一步降低了功率放大器的推動電壓，實現(xiàn)了用低壓集成功放電路推動升壓變壓器，產(chǎn)生交流高壓，經(jīng)整流濾波后得到穩(wěn)定的直流高壓，大大提高了高壓部分的可靠性。設計過程中還采用了高壓發(fā)生電路密閉防潮、高壓陶瓷管封裝線路連接、電磁屏蔽防護干擾，以及使用高壓屏蔽線等措施。

3不確定度分析

為驗證裝置的技術指標，采用標準高壓直流分壓器和八位半數(shù)字多用表，對裝置樣機50 kV點進行考核測試，每間隔10 min測量一次，取10次讀數(shù)的平均值作為測試結(jié)果，如表1所示。