[发明专利]一种全自动调零电子式冲击电流计及其调零方法

说明书

一种全自动调零电子式冲击电流计及其调零方法，目的是具有自动纠正补偿偏差的能力而且调零过程简单；本发明包括积分器、数据采集和调零电路、信号检测器和显示器；积分器包括高开环增益低漂移运算放大器AD708和积分电阻、积分电容；AD708的反相输入端接积分电阻R₁一端，R₁另一端作为该积分器输入端；数据采集和调零电路包括单通道的双极性电压输入串行输出的A/D转换器、串行输入单通道的双极性电压输出的D/A转换器、2选1双向模拟开关CD4053和单片机；信号检测器包括跟随器、双比较器LM319和用CD4013做成的单稳态触发器；单稳态触发器的输出端接单片机的中断请求输入端，显示器通过串口接收并显示单片机发来的数据；积分器零漂就是整个装置的零漂。

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，涉及一种电子式冲击电流计及其全自动准确调零的方法。

背景技术

用集成线性运算放大器组成的积分器在电磁测量领域的应用已非常广泛。用这种积分器组成的电子式冲击电流计可直接对探测线圈的感应电动势进行积分，可测量磁场的瞬时变化，可用于测量恒定磁场、交变磁场和脉冲磁场，且容易实现其测量自动化和测量结果数字化。当积分器的输入电压为零时，理想积分器的输出电压应保持不变。由于运算放大器存在输入偏置电流、输入失调电流、输入失调电压和温漂等的影响,使实际制作的积分器在输入电压为零时其输出电压会随时间不断地向一个方向漂移(上升或下降)，即产生所谓的“零漂”。严重时，会使积分器的输出达到饱和使其完全不能工作。组成电子式冲击电流计的积分器的零漂就是电子式冲击电流计的零漂。现在市面销售的电子式冲击电流计产品，工作前要对积分器进行手动调零。手动精确调零的过程不仅费时费事，而且当积分器工作时间较长或者环境温度变化较大时，其输出电压仍然会有明显的漂移。这类产品还经常发生误触发现象，工作不够稳定。文献《HT-7中长时间低漂移模拟积分器的研制》（中国标准刊号：CN 11-2016/TL，核电子学与探测技术，2007年5月第27卷第3期）报道的方法，认为在同一芯片上制作的两个运算放大器的失调电压、输入偏置电流、输入失调电流和温漂等性能彼此会很接近，用它们分别制作成结构相同的两个积分器，其中一个对被测信号进行积分，用另一个对地进行积分的结果来动态地抵消前者输出电压的漂移，即所谓的“实时积分动态补偿”的方法。但实际检测表明，制作在同一芯片上的两个运算放大器，其各种失调和温漂等的实际性能彼此仍然相差较大，甚至其失调的极性还相反，实际上很难挑选出性能精确匹配的一对运算放大器，单一用这种方法很难取得很好的补偿效果。文献《长时间无零漂积分器中的单元积分电路》（中国标准刊号：CN 31-1342/TL，核 技 术，2006年6月第29卷第6期）报道的方法，采用静态粗补偿和动态细补偿两种方法。静态粗补偿需要手动调节，而且需要精心选配一对运算放大器。动态细补偿是采用模拟的采样/保持(S/H)电路来实现：首先对经过静态粗补偿之后的积分器的残余失调用比例放大法进行采样并保存在采样/保持电路中；在积分状态时，采样/保持电路将其保持的电压通过开关和补偿电阻反馈到积分器的输入端进行补偿，以减小零漂。这种动态细补偿方法要求采样电阻与补偿电阻其阻值和温度特性等都完全一样，实际上这很难办到；而且这种模拟的S/H电路保持的电压的绝对值会随时间逐渐下降，补偿效果也逐渐下降，补偿效果不够好。文献《自动补偿低零漂积分器设计》（中国标准刊号：CN 11-4762/TP，计算机测量与控制，2006年第4期）报道的方法，采用动态采样/保持反馈补偿和实时积分动态补偿两种办法。其动态采样/保持也是基于比例放大法对运算放大器的失调进行采样，但采用A/D转换器采集运算放大器失调输出电压的数据并保存在存储器中；在积分态时，通过D/A转换器和补偿电阻将该电压反馈到积分器的输入端进行补偿，以减小零漂。这种数字化采样/保持动态补偿的方法比用模拟采样/保持电路要好，但仍然要求采样电阻与补偿电阻其阻值和温度特性完全一样，实际上很难办到，这仍然是制作长时间积分器的一个不可忽视的零漂误差源；而且在其方案中没有自动纠正补偿偏差的机制。它的实时积分动态补偿的方法，是用在一个芯片上制作的两个运算放大器，制作成具有动态采样/保持反馈补偿功能的结构相同的两个积分器，其中一个对被测信号积分，用另一个对地积分的结果来动态抵消前者的零漂。因为其动态采样/保持反馈补偿的方法不完善，使这两个积分器残余的失调不相同，也难取得很好的补偿效果。上述几种补偿方法都要求有关元件必需经过精心选配，还难免会有偏差，而且其方案中又没有自动纠正补偿偏差的机制，很难取得很好的补偿效果，还为生产制造带来很大困难，很难实现批量生产和普及应用。