一种新型射频电压表校准仪的研究与设计

刘亦旸; 李勇; 陈硕; 贾超; 崔孝海

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0089

一种新型射频电压表校准仪的研究与设计

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0089

中国计量科学研究院，北京 100029

基金项目: 中国计量科学研究院基本科研业务费所自主项目（AKYZZ2416）。

详细信息

作者简介:
刘亦旸（1996-），中国计量科学研究院助理工程师，研究方向：功率和射频电压测量技术，邮箱：liuyiyang@nim.ac.cn

通讯作者:
崔孝海（1973-），中国计量科学研究院研究员，研究方向：毫米波及太赫兹测量、传感及计量技术，邮箱：cuixh@nim.ac.cn

计量
- 文章访问数: 46
- HTML全文浏览量: 37
- PDF下载量: 3
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2024-03-17
- 录用日期: 2024-07-30
- 修回日期: 2024-05-28
- 网络出版日期: 2024-08-13

Research and Design of a New Type of RF Voltmeter Calibrator

National Institute of Metrology, Beijing 100029, China

摘要

摘要: 射频电压测量在科研和工业领域有着十分重要的应用，射频电压表校准仪在国家计量系统的各级计量站中被大量使用，承担了相当多的校准任务。介绍了一款新研制的智能仪器射频电压表校准仪，具有频带宽、动态范围高、准确度高、自动测试等优势，同时具有基本误差校准和频率附加误差校准功能，可以对各种类型的射频电压表进行自动或半自动校准并可自动生成校准证书。校准仪的设计分为两方面，分别是硬件和软件的设计与实现。硬件设计中针对基本误差的校准，设计了标准交流电压源，主要由交流电压发生器模块、电压放大模块，闭环反馈模块组成，得到高准确度的输出；针对频率附加误差的校准，设计了新型传感器的芯片和结构，可以更准确、简便地进行直流电压定标。软件设计主要包括测控模块、数据处理模块和显示模块，能够自动读取数值进行反馈调节、切换量程或频率、显示数值以及进行后续数据处理。介绍的射频电压表校准仪的设计处于国内领先水平，为国内校准仪的创新作出贡献，减少对国外仪器仪表的依赖，满足国内射频电压表检定、校准需求。
- 计量学 /
- 射频电压表 /
- 薄膜热变电阻 /
- 射频座 /
- A/D /
- D/A
Abstract: RF voltage measurement plays a crucial role in scientific research and industry. High-frequency voltmeter calibrators are widely used in metering stations across the national metering system, undertaking numerous calibration tasks. This article introduces a newly developed intelligent RF voltmeter calibrator that offers several advantages, including a wide frequency bandwidth, high dynamic range, high accuracy, and automatic testing. It provides functions for basic error calibration and frequency additional error calibration, enabling automatic or semi-automatic calibration of various types of RF voltmeters and generating calibration certificates. The calibrator design focuses on two aspects: hardware and software. In the hardware design, a standard AC voltage source circuit is developed for basic error calibration. This circuit consists of an AC voltage generator module, a voltage amplification module, and a closed-loop feedback module, ensuring high-accuracy output. To achieve frequency additional error calibration, a new type of sensor chip and structure are designed to facilitate more accurate and convenient DC voltage calibration. The software design encompasses the measurement and control circuit control module, the data processing module, and the display module. These modules enable automatic value reading for feedback adjustment, range or frequency switching, value display, and subsequent data processing. The introduced RF voltmeter calibrator design is at the forefront in China, contributing to the innovation of domestic calibrators, reducing reliance on foreign instruments, and meeting the needs of domestic high-frequency voltmeter verification and calibration.
- metrology /
- RF-voltmeter /
- thin-film thermal variables /
- RF socket /
- A/D /
- D/A

HTML全文

图 1 基本误差校准电路原理框图

Figure 1. Diagram of the basic error calibration circuit

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 PID控制电路图

Figure 2. Diagram of PID control circuit

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 交流信号放大电路图

Figure 3. Diagram of AC amplification circuit

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 衰减器电路图

Figure 4. Diagram of Attenuator circuit

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 频率附加误差校准电路原理框图

Figure 5. Schematic diagram of the frequency additive error calibration circuit

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 薄膜热偶示意图

Figure 6. Diagram of thin film thermocouple

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 频率附加误差校准电路图

Figure 7. Diagram of the frequency additive error calibration circuit

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 频率附加误差校准显示界面

Figure 8. Display interface of the frequency additive error calibration

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 射频电压表校准仪软件程序流程图

Figure 9. Software flowchart of RF voltmeter calibrator

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 交流电压波形图

Figure 10. Waveform diagram of AC voltage

下载: 全尺寸图片幻灯片

参考文献(30)

[1]	王立吉, 金国钧. 高频电压的计量测试[M]. 北京: 计量出版社, 1986: 1-2.
[2]	许朝晖. 电压基础知识[J]. 上海计量测试, 2004(6): 58-59. doi: 10.3969/j.issn.1673-2235.2004.06.012
[3]	郭存林, 黄学恩. ZC100B型DC2000MHZ电压标准[Z]. 中国计量科学研究院, 2002
[4]	何昭, 黄见明, 田伟. 30 kHz~30 MHz电压基准研究[J]. 计量学报, 2014, 35(6): 528-533. doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2014.06.02
[5]	甄真, 田伟, 阎景莲, 等. 10~3000 MHz电压基准的研究[J]. 计量学报, 2006, 27(4): 297-303 doi: 10.3321/j.issn:1000-1158.2006.04.001
[6]	王立吉, 甄真, 郭存林, 等. 高频电压国家标准[J]. 计量学报, 1981(1): 1-8.
[7]	陆洪伟, 阎淑敏. 高频电压标准及其应用[J]. 宇航计测技术, 1981(3): 11-19.
[8]	李玖隆. 基于薄膜热电偶的高速多通道温度数据监测系统研究[D]. 大连: 大连交通大学, 2023.
[9]	王涵宇. 基于脉冲响应的热电偶动态测试系统研究[D]. 太原: 中北大学, 2024.
[10]	Xi Zhu, Wanqing An, Chang Liu. Development of Thin Film Thermocouple Test System for Transient Temperature Measurement[J]. IOP Conference Series Materials Science and Engineering, 2020, 799(1): 27-29.
[11]	崔云先, 薛生俊, 杜鹏, 等. 高性能薄膜热电偶制备及其铣削应用研究[J]. 仪器仪表学报, 2020, 41(4): 32-40.
[12]	徐家政. 全自动9501B高频电压标准装置[J]. 航天技术与民品, 1999(8): 6.
[13]	阮滨. 高频电压标准装置的设计与实现[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2012.
[14]	SUIN. Digital Instruments, SM2100系列数字交流毫伏表[EB/OL]. [2024-04-02]. http://www.suintest.com/products_detail/35.html.
[15]	Fluke. The 5700A/5720A Series II High Performance Multifunction Calibrators Extended Specifications[EB/OL]. [2024-04-02]. https://dam-assets.fluke.com/s3fs-public/1268275G_w.pdf?4mUIITnT2fzlZ9aFT7Q1x8.0H.vy_PfI.
[16]	王晓忠. 基于继电反馈PID自整定的加热系统[J]. 科技创新与应用, 2024, 14(7): 128-133.
[17]	郭清华. 高精度双闭环负反馈激光器温度控制系统设计[J]. 电子器件, 2023, 46(6): 1720-1725. doi: 10.3969/j.issn.1005-9490.2023.06.041
[18]	高平东, 张法全. 高精度半导体激光器温控系统的设计与实现[J]. 激光技术, 2014(2): 270-273. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.02.026
[19]	荆中亚, 陈为. 基于STM32的密炼机自整定PID温控系统设计[J]. 电子设计工程, 2024, 32(5): 51-55.
[20]	许莉, 龚成莹, 李沁蓉, 等. 基于AD9833的放大电路特性测试电路设计[J]. 兰州工业学院学报, 2023, 30(1): 74-79. doi: 10.3969/j.issn.1009-2269.2023.01.016
[21]	申庆华. 基于AD9833的高精度函数信号发生器的设计[J]. 电子测试, 2021(19): 38-40. doi: 10.3969/j.issn.1000-8519.2021.19.011
[22]	王伟超, 张军战, 张颖, 等. 薄膜热电偶的研究进展[J]. 表面技术, 2019, 48(10): 139-147.
[23]	WANG W L, ZHANG H, DU X J, et al. PCB-integrated thin film thermocouples for transient temperature measurement[J]. Electronics letters, 2016, 52(13): 1140-1141. doi: 10.1049/el.2016.0693
[24]	邓元, 张义政, 王瑶, 等. 柔性热电薄膜器件的研究进展[J]. 航空学报, 2014, 35(10): 2733-2746. doi: 10.7527/S1000-6893.2014.0152
[25]	TIAN B, ZHANG Z K, SHI P, et al. Tungsten-rhenium thin film thermocouples for sic based ceramic matrix composites[J]. Review of scientific instruments, 2017, 88(1): 015007-015011. doi: 10.1063/1.4973967
[26]	黄漫国, 李水敏, 张梅菊, 等. 高温薄膜热电偶典型制备工艺研究现状分析[J]. 测控技术, 2022, 41(11): 42-46.
[27]	孙道恒, 崔在甫, 周颖锋, 等. 典型高温薄膜传感器的研究进展[J]. 电子机械工程, 2018, 34(1): 1-7.
[28]	方亮. 片式薄膜电阻器薄膜层制备工艺开发与优化[D]. 成都: 电子科技大学, 2020.
[29]	宋世庚, 康健, 王学燕. 负温度系数薄膜热敏电阻制备的溶胶凝胶方法: CN98123522.0[P]. [2024-08-05].
[30]	武绍宽, 邓勇生, 潘婷, 等. 基于离子束溅射法制备的负温度系数Mn_1.56Co_0.96Ni_0.48O₄薄膜热敏电阻[J]. 微纳电子技术, 2022, 59(12): 1383-1387.