CN111323632B - 交直流零磁通磁通门电流传感器及其程控配置及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交直流零磁通磁通门电流传感器，包括磁通门电流传感器本体和用于对磁通门电流传感器本体进行配置及校准的配置及校准电路，磁通门电流传感器本体包括第一铁芯、第二铁芯、激励绕组、反馈绕组和测量绕组；配置及校准电路包括处理器、晶振、RS232接口电路、激励源放大驱动电路、可编程补偿信号跟踪器、可编程滤波器、相敏解调电路、PI控制电路和功率放大器；本发明公开了一种交直流零磁通磁通门电流传感器的程控配置及校准方法。本发明能够自动匹配对两个铁芯参数不一致所造成的失调电流，能够大大减低对两个磁通门铁芯工艺一致性的要求，能够实现磁通门传感器的最佳性能，实用性强，推广使用价值高。
Description
技术领域
本发明属于智能传感器技术领域，具体涉及一种交直流零磁通磁通门电流传感器及其程控配置及校准方法。
背景技术
磁通门电流传感器因其响应时间快、温度特性好，灵敏度高，可同时测量直流和交流电流，且测量范围宽，在高性能的电流测量领域有着重要的地位。但是磁通门电流传感器由于对铁芯的材料及制造工艺一致性要求很高，对磁通门的两个铁芯和绕组要求参数完全一致，造成造价成本高，工艺复杂，调试困难，并且有源电子元器件的失调电压和失调电流等也会造成磁通门二次电流有失调电流输出。
磁通门传感器激励信号对磁通门的整个系统都有很大的影响，一般从信号频率稳定度、信号幅值稳定度、相位稳定度、波形稳定度这几个方面来考虑激励信号的选择。特别是激励信号频率的高低很大程度影响着传感器的工作性能，频率太高，则会增大噪声；频率太低则会降低传感器的灵敏度，现有的基于磁通门原理的电流传感器的激励频率都是固定在几百到数几千赫兹之间，同时二次谐波的滤波器的带通频率也无法更改。
目前国外典型为莱姆电子(LEM)的IT系列交直流磁通门电流传感器、国内有深圳航智精密IIT系列交直流磁通门电流传感器，这些公司生产和研发基于磁通门原理的交直流传感器可实现ppm级别的线性度，但是由于对磁通门的铁芯和绕组等参数要求高，铁芯工艺复杂，成本高，零位失调无法采用数字程控技术手段校准等缺陷，目前60A到2000A的磁通门电流传感器的售价在几千元到几万元之间大大限制了其应用范围，还存在以下缺陷：
(1)对铁芯材料和工艺要求高，造价昂贵；
(2)针对不同的应用场合，无法通过配置电流互感器的参数达到最佳的应用效果；
(3)无法对固有的零位失调电流进行出厂校准。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种交直流零磁通磁通门电流传感器，其设计新颖合理，能够大大减低对两个磁通门铁芯工艺一致性的要求，能够实现磁通门传感器的最佳性能，实用性强，推广使用价值高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种交直流零磁通磁通门电流传感器，包括用于对磁通门电流传感器本体进行配置及校准的配置及校准电路，所述配置及校准电路包括处理器以及均与处理器相接且用于为磁通门电流传感器本体的激励绕组提供激励电压的激励源放大驱动电路、用于补偿磁通门电流传感器本体中第二铁芯与第一铁芯的材料及制造工艺不一致造成的激磁磁场不一致的可编程补偿信号跟踪器、以及用于输出补偿电流给磁通门电流传感器本体中反馈绕组的补偿电流输出电路，所述磁通门电流传感器本体中激励绕组与激励源放大驱动电路的输出端连接，所述磁通门电流传感器本体中补偿绕组与可编程补偿信号跟踪器的输出端连接，所述补偿电流输出电路的输入端与测量绕组连接，所述反馈绕组与所述补偿电流输出电路的输出端连接。
上述的交直流零磁通磁通门电流传感器，所述处理器为DSP数字信号处理器，所述DSP数字信号处理器的时钟输入接口接有晶振，所述激励源放大驱动电路和可编程补偿信号跟踪器均与DSP数字信号处理器的定时器Timer1连接，所述DSP数字信号处理器的定时器Timer1上还接有倍频电路，所述DSP数字信号处理器的串口RS232上接有RS232接口电路，所述可编程补偿信号跟踪器与DSP数字信号处理器的第一SPI接口SPI1连接，所述补偿电流输出电路包括与DSP数字信号处理器的第二SPI接口SPI2连接的可编程滤波器(5)，以及依次接在可编程滤波器(5)输出端的相敏解调电路(6)、PI控制电路(7)和功率放大器(8)，所述相敏解调电路(6)与倍频电路(4)的输出端连接。
上述的交直流零磁通磁通门电流传感器，所述倍频电路包括74HC74芯片，所述74HC74芯片的CP引脚与DSP数字信号处理器的定时器Timer1连接，所述74HC74芯片的D引脚与
引脚连接，所述74HC74芯片的Q引脚为倍频电路的输出端。
上述的交直流零磁通磁通门电流传感器，所述可编程滤波器包括有源滤波器芯片UAF42，型号均为AD5545的DA转换芯片U1和DA转换芯片U2，型号均为AD8620的运放芯片U3和运放芯片U4，以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7，所述DA转换芯片U1的SPI接口和DA转换芯片U2的SPI接口均与DSP数字信号处理器的第二SPI接口SPI2连接，所述DA转换芯片U1的VREF接口与有源滤波器芯片UAF42的第13引脚连接，且通过电阻R3与有源滤波器芯片UAF42的第5引脚连接，所述DA转换芯片U2的VREF接口与有源滤波器芯片UAF42的第7引脚连接，且通过电阻R6与有源滤波器芯片UAF42的第12引脚连接；所述运放芯片U3的反相信号输入端与DA转换芯片U1的输出端连接，所述运放芯片U3的同相信号输入端接地，所述运放芯片U3的输出端与DA转换芯片U1的RTB引脚连接，且通过电阻R1与有源滤波器芯片UAF42的第8引脚连接；所述运放芯片U4的反相信号输入端与DA转换芯片U2的输出端连接，所述运放芯片U4的同相信号输入端接地，所述运放芯片U4的输出端与DA转换芯片U2的RTB引脚连接，且通过电阻R2与有源滤波器芯片UAF42的第14引脚连接；所述电阻R4接在有源滤波器芯片UAF42的第1引脚与第5引脚之间，所述电阻R5接在有源滤波器芯片UAF42的第5引脚与第6引脚之间，所述有源滤波器芯片UAF42的第12引脚通过电阻R7与测量绕组的正极输出端M+连接，所述测量绕组的负极输出端M-接地，所述有源滤波器芯片UAF42的第6引脚为可编程滤波器的输出端。
上述的交直流零磁通磁通门电流传感器，所述相敏解调电路包括由型号为AD8620的运放芯片U5构成的电压跟踪仪和型号为AD8620的运放芯片U6构成的反向器，由二选一多路转换器芯片CD4051构成的二选一多路转换器，以及电阻R11、电阻R12、电阻R13和电容C1；所述运放芯片U5的反相输入端和电阻R11的一端连接且为相敏解调电路的输入端，所述运放芯片U5的同相输入端与输出端连接；所述运放芯片U6的反相输入端与电阻R11的另一端连接，且通过电阻R2与运放芯片U6的输出端连接，所述运放芯片U6的同相输入端接地；所述二选一多路转换器芯片CD4051的第一路信号输入端引脚CH1与运放芯片U5的输出端连接，所述二选一多路转换器芯片CD4051的第二路信号输入端引脚CH0与运放芯片U6的输出端连接，所述二选一多路转换器芯片CD4051的地址选通引脚B和地址选通引脚C均接地，所述二选一多路转换器芯片CD4051的地址选通引脚A与倍频电路的输出端连接，所述电阻R13的一端与二选一多路转换器芯片CD4051的信号输出端引脚连接，所述电阻R13的另一端为相敏解调电路的输出端且通过电容C1接地。
上述的交直流零磁通磁通门电流传感器，所述PI控制电路包括运放芯片OP07D、电阻R15、电阻R16、电阻R17和电容C2，所述电阻R15的一端为PI控制电路的输入端，所述运放芯片OP07D的反相输入端与电阻R15的另一端连接，所述运放芯片OP07D的同相输入端接地，所述运放芯片OP07D的输出端与反相输入端之间接有电阻R16，以及并联的电阻R17和电容C2，所述运放芯片OP07D的输出端为PI控制电路的输出端。
上述的交直流零磁通磁通门电流传感器，所述功率放大器包括功率放大器芯片OPA548、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24和电阻R25，所述电阻R21的一端为功率放大器的输入端，所述功率放大器芯片OPA548的反相输入端与电阻R21的另一端连接，所述功率放大器芯片OPA548的同相输入端通过电阻R23接地，所述功率放大器芯片OPA548的反相输入端与输出端之间接有电阻R22，所述功率放大器芯片OPA548的同相输入端与输出端之间接有电阻R24，所述功率放大器芯片OPA548的输出端与电阻R25的一端连接，所述电阻R25的另一端为功率放大器的输出端。
上述的交直流零磁通磁通门电流传感器，所述可编程补偿信号跟踪器包括型号为AD5545的DA转换芯片U7，型号均为AD8620的运放芯片U8和运放芯片U9，以及电阻R31、电阻R32和电阻R33，所述DA转换芯片U7的VREF引脚与DSP数字信号处理器的定时器Timer1连接，所述DA转换芯片U7的SPI引脚与DSP数字信号处理器的第一SPI接口SPI1连接，所述运放芯片U8的反相输入端与DA转换芯片U7的输出端引脚连接，所述运放芯片U8的同相输入端接地，所述运放芯片U8的输出端与DA转换芯片U7的RFB引脚连接，且通过电阻R31与运放芯片U9的反相输入端连接，所述运放芯片U9的反相输入端通过电阻R32与DA转换芯片U7的VREF引脚连接，所述运放芯片U9的反相输入端与输出端之间接有电阻R33，所述运放芯片U9的同相输入端接地且为可编程补偿信号跟踪器的补偿电流负极输出端Vs-，所述运放芯片U9的输出端为可编程补偿信号跟踪器的补偿电流正极输出端Vs+。
上述的交直流零磁通磁通门电流传感器，所述激励源放大驱动电路包括型号均为OPA548的功率放大器芯片U10和功率放大器芯片U11，以及电阻R41和电阻R42；所述功率放大器芯片U10的反相输入端与电阻R41的一端连接且为激励源放大驱动电路的输入端，且与DSP数字信号处理器的定时器Timer1连接，所述功率放大器芯片U10的同相输入端与输出端连接，所述功率放大器芯片U11的反相输入端与电阻R41的另一端连接，所述功率放大器芯片U11的同相输入端接地，所述功率放大器芯片U11的反相输入端与输出端之间接有电阻R42,所述功率放大器芯片U10的输出端为激励源放大驱动电路的电压正极输出端，所述功率放大器芯片U11的输出端为激励源放大驱动电路的电压负极输出端。
本发明还提供了一种方法步骤简单，实现方便，通过可编程定时器实现了对激磁电流频率的动态或静态更改，通过DA转换器结合可编程滤波器实现对滤波器的中心频率的动态或静态的修改，从而实现了对磁通门不同的应用及铁芯动态或静态改变其激磁频率，能够实现磁通门传感器的最佳性能，实用性强，推广使用价值高的交直流零磁通磁通门电流传感器的程控配置及校准方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、激励源放大驱动电路在处理器的控制下输出电压方波信号，在第一铁芯和第二铁芯上通过激励绕组反方向串联连接；
步骤二、当第一铁芯和第二铁芯的激磁磁场不一致时，在处理器的控制下通过可编程补偿信号跟踪器输出补偿激励信号给磁通门电流传感器本体的激励绕组；
步骤三、当一次电流Ip不为零时，测量绕组的信号输出含有二次谐波；
步骤四、通过所述补偿电流输出电路提取二次谐波分量，把二次谐波分量调整为直流输出，并输出一个补偿电流Is给磁通门电流传感器本体中反馈绕组。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的交直流零磁通磁通门电流传感器，配置及校准电路中设计了可编程补偿信号跟踪器，利用电流型输出型的DA转换芯片参考电压可以是连续的电压输入的特性，把参考电压直接接入信号方波T1入，通过DAC转换实现对T1电压的同步按比例缩小，由于T1信号输出为单极性的信号，为了实现铁芯的补偿方向可正向和反向，通过单极性变换双极性的电路，实现双向补偿，实现了对第一铁芯和第二铁芯激磁磁场不一致的静态补偿，实现对铁芯及设计的不一致的补偿理论上可以补偿到接近于0，失调电流相对于LEM的IT200-S系列80ppm，可提高到25ppm，降低了对第一铁芯和第二铁芯的材料的要求，把对铁芯的工艺一致性要求变成了一个储存在DSP内的校准参数，能够大大减低铁芯的制造工艺和成本。
2、本发明的交直流零磁通磁通门电流传感器，配置及校准电路中设计了可编程的激励源放大驱动电路、可编程滤波器和相位解调电路，实现了对激磁电源的可编程调整，能够根据不同的应用和材料可静态或动态配置不同的激磁频率，比如测量极低频(<1Hz)或直流信号，可以配置频率低一些的激磁电流，降低噪音，假如测量频率要求高或铁芯材料可适应高频信号，可以配置更高的频率的激磁电流，提高测量带宽和灵敏度。
3、本发明能够实现交直流零磁通磁通门电流传感器在出厂之前通过RS232通信口和校准软件，进行零位校准，也可以实现在测量中或出厂前通过RS232通信口和校准软件对交直流零磁通磁通门电流传感器的激磁频率、带通滤波器频率，项目检波进行动态或静态修改，最佳匹配铁芯参数和实际应用，本发明能够实现1000A级别的交直流电流传感器的设计。
4、对于固定安装式的交直流零磁通磁通门电流传感器，能够在安装固定位置后，进行零位补偿校准，能够消除地磁场对直流失调的影响。
5、本发明能够实现交直流零磁通磁通门电流传感器，能够通过配置电流互感器的激磁频率达到和铁芯最佳匹配和应用效果。
6、本发明能够实现交直流零磁通磁通门电流传感器的程控配置及校准方法，方法步骤简单，实现方便，通过可编程定时器实现了对激磁电流频率的动态或静态更改，通过DA转换器结合可编程滤波器实现对滤波器的中心频率的动态或静态的修改，从而实现了对磁通门不同的应用及铁芯动态或静态改变其激磁频率，能够实现磁通门传感器的最佳性能，实用性强，推广使用价值高。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明交直流零磁通磁通门电流传感器的电路原理框图；
图2为本发明倍频电路的电路原理图；
图3为本发明可编程滤波器的电路原理图；
图4为本发明相敏解调电路的电路原理图；
图5为本发明PI控制电路的电路原理图；
图6为本发明功率放大器的电路原理图；
图7为本发明可编程补偿信号跟踪器的电路原理图；
图8为本发明激励源放大驱动电路的电路原理图；
图9为本发明交直流零磁通磁通门电流传感器的程控配置及校准方法的方法流程框图。
附图标记说明:
1—处理器； 2—晶振； 3—RS232接口电路；
4—倍频电路； 5—可编程滤波器； 6—相敏解调电路；
7—PI控制电路； 8—功率放大器； 9—第一铁芯；
10—第二铁芯； 11—可编程补偿信号跟踪器；
12—激励源放大驱动电路。
具体实施方式
如图1所示，本发明的交直流零磁通磁通门电流传感器，包括用于对磁通门电流传感器本体进行配置及校准的配置及校准电路，所述磁通门电流传感器本体包括第一铁芯9和第二铁芯10，缠绕在第一铁芯9和第二铁芯10上的激励绕组，缠绕在第一铁芯9和第二铁芯10上的反馈绕组，以及缠绕在第一铁芯9和第二铁芯10上的测量绕组；所述配置及校准电路包括处理器1以及均与处理器1相接且用于为磁通门电流传感器本体的激励绕组提供激励电压的激励源放大驱动电路12、用于补偿磁通门电流传感器本体中第二铁芯10与第一铁芯9的材料及制造工艺不一致造成的激磁磁场不一致的可编程补偿信号跟踪器11、以及用于输出补偿电流给磁通门电流传感器本体中反馈绕组的补偿电流输出电路，所述磁通门电流传感器本体中激励绕组与激励源放大驱动电路12的输出端连接，所述磁通门电流传感器本体中补偿绕组与可编程补偿信号跟踪器11的输出端连接，所述补偿电流输出电路的输入端与测量绕组连接，所述反馈绕组与所述补偿电流输出电路的输出端连接。
具体实施时，所述第一铁芯9和第二铁芯10均采用坡莫合金制成。
本实施例中，所述处理器1为具有时钟输入接口、定时器Timer1、串口RS232、第一SPI接口SPI1和第二SPI接口SPI2的DSP数字信号处理器，所述DSP数字信号处理器的时钟输入接口接有晶振2，所述激励源放大驱动电路12和可编程补偿信号跟踪器11均与DSP数字信号处理器的定时器Timer1连接，所述DSP数字信号处理器的串口RS232上接有RS232接口电路3，所述可编程补偿信号跟踪器11与DSP数字信号处理器的第一SPI接口SPI1连接，所述补偿电流输出电路包括与DSP数字信号处理器的第二SPI接口SPI2连接的可编程滤波器5，以及依次接在可编程滤波器5输出端的相敏解调电路6、PI控制电路7和功率放大器8，所述相敏解调电路6与倍频电路4的输出端连接。
具体实施时，所述DSP数字信号处理器为ADI公司生产的型号为BF533的DSP数字信号处理器。该DSP数字信号处理器定时器Timer1的输出频率为T1＝10MHz*D/232，其中，D为1～(232-1)中的任一整数，也就是定时T1可以输出0.00023Hz～10MHz范围中的频率值。
具体实施时，所述晶振2为0.1ppm、10MHz的有源晶振。所述RS232接口电路3为由MAX232接口转换芯片构成的RS232接口。
本实施例中，如图2所示，所述倍频电路4包括74HC74芯片，所述74HC74芯片的CP引脚与DSP数字信号处理器的定时器Timer1连接，所述74HC74芯片的D引脚与
引脚连接，所述74HC74芯片的Q引脚为倍频电路4的输出端。即所述倍频电路4由D型上升沿触发器实现。
本实施例中，如图3所示，所述可编程滤波器5包括有源滤波器芯片UAF42，型号均为AD5545的DA转换芯片U1和DA转换芯片U2，型号均为AD8620的运放芯片U3和运放芯片U4，以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7，所述DA转换芯片U1的SPI接口和DA转换芯片U2的SPI接口均与DSP数字信号处理器的第二SPI接口SPI2连接，所述DA转换芯片U1的VREF接口与有源滤波器芯片UAF42的第13引脚连接，且通过电阻R3与有源滤波器芯片UAF42的第5引脚连接，所述DA转换芯片U2的VREF接口与有源滤波器芯片UAF42的第7引脚连接，且通过电阻R6与有源滤波器芯片UAF42的第12引脚连接；所述运放芯片U3的反相信号输入端与DA转换芯片U1的输出端连接，所述运放芯片U3的同相信号输入端接地，所述运放芯片U3的输出端与DA转换芯片U1的RTB引脚连接，且通过电阻R1与有源滤波器芯片UAF42的第8引脚连接；所述运放芯片U4的反相信号输入端与DA转换芯片U2的输出端连接，所述运放芯片U4的同相信号输入端接地，所述运放芯片U4的输出端与DA转换芯片U2的RTB引脚连接，且通过电阻R2与有源滤波器芯片UAF42的第14引脚连接；所述电阻R4接在有源滤波器芯片UAF42的第1引脚与第5引脚之间，所述电阻R5接在有源滤波器芯片UAF42的第5引脚与第6引脚之间，所述有源滤波器芯片UAF42的第12引脚通过电阻R7与测量绕组的正极输出端M+连接，所述测量绕组的负极输出端M-接地，所述有源滤波器芯片UAF42的第6引脚为可编程滤波器5的输出端。
有源滤波器芯片UAF42是TI公司研制的通用型有源滤波器模块，为通用的二阶滤波器构件，它能同时有高通、低通、带通输出，本实施例中，只用到了UAF42的带通回路，为了达到可配置带通频率的作用，本发明增加了由型号均为AD5545的DA转换芯片U1和DA转换芯片U2，以及型号均为AD8620的运放芯片U3和运放芯片U4构建的两个DA回路，用于根据不同的激磁频率配置为不同的中心频率滤波器。所述可编程滤波器5的工作过程为：型号均为AD5545的DA转换芯片U1和DA转换芯片U2通过SPI接口接收来自DSP数字信号处理器的第二SPI接口SPI2发出的命令，输出相应的电压值，从而改变有源滤波器芯片UAF42的带通中心频率。型号均为AD5545的DA转换芯片U1和DA转换芯片U2为16Bit的DAC芯片，设其设定值为D’，带通的中心频率为(D’/216)/(2*pi*10-9*R1)＝(D’/216)/(2*3.1415926*10-9*2*103)＝79577k*(D’/216)，D的取值为0～65536；具体实施时，所以带通的中心频率为0～79.5kHz。
本实施例中，如图4所示，所述相敏解调电路6包括由型号为AD8620的运放芯片U5构成的电压跟踪仪和型号为AD8620的运放芯片U6构成的反向器，由二选一多路转换器芯片CD4051构成的二选一多路转换器，以及电阻R11、电阻R12、电阻R13和电容C1；所述运放芯片U5的反相输入端和电阻R11的一端连接且为相敏解调电路6的输入端，所述运放芯片U5的同相输入端与输出端连接；所述运放芯片U6的反相输入端与电阻R11的另一端连接，且通过电阻R2与运放芯片U6的输出端连接，所述运放芯片U6的同相输入端接地；所述二选一多路转换器芯片CD4051的第一路信号输入端引脚CH1与运放芯片U5的输出端连接，所述二选一多路转换器芯片CD4051的第二路信号输入端引脚CH0与运放芯片U6的输出端连接，所述二选一多路转换器芯片CD4051的地址选通引脚B和地址选通引脚C均接地，所述二选一多路转换器芯片CD4051的地址选通引脚A与倍频电路4的输出端连接，所述电阻R13的一端与二选一多路转换器芯片CD4051的信号输出端引脚连接，所述电阻R13的另一端为相敏解调电路6的输出端且通过电容C1接地。
所述相敏解调电路6工作时，倍频电路4输出的方波信号T2直接作为二选一多路转换器芯片CD4051的地址选通引脚A的输入，定义由运放芯片U5构成的电压跟踪仪输出的信号为+Vbpass，由运放芯片U6构成的反向器输出的信号为-Vbpass，由于方波信号T2和Vbpass的相位完全同步，假设Vbpass上半波为正值，这样当方波信号T2为上半波时，Vpm＝+Vbpass为正值，当方波信号T2为下半波时，Vpm＝-Vbpass，在下半周波Vbpass的值为负，通过运放芯片U6构成的反向器输出-Vbpass为正，假设Vbpass上半波为负值，这样当T2为上半波时，相敏解调电路6的输出端输出的信号Vpm＝+Vbpass为负值，当T2为下半波时，相敏解调电路6的输出端输出的信号Vpm＝-Vbpass，在下半周波Vbpass的值为正，通过运放芯片U6构成的反向器输出-Vbpass为负值，这样通过二选一多路转换器芯片CD4051的同步切换，实现了全波解调，电阻R3和电容C1对全波整理后的直流信号做低通滤波。
本实施例中，如图5所示，所述PI控制电路7包括运放芯片OP07D、电阻R15、电阻R16、电阻R17和电容C2，所述电阻R15的一端为PI控制电路7的输入端，所述运放芯片OP07D的反相输入端与电阻R15的另一端连接，所述运放芯片OP07D的同相输入端接地，所述运放芯片OP07D的输出端与反相输入端之间接有电阻R16，以及并联的电阻R17和电容C2，所述运放芯片OP07D的输出端为PI控制电路7的输出端。
所述PI控制电路7用来比例调节和积分调节作用，比例环节能够按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例环节立即产生调节用以减少偏差；比例系数大，可以加快调节，减少偏差；积分环节使系统消除稳态误差，提高无差度；有误差，积分环节就进行，直至无差，积分调节停止，积分环节输出一常值；积分作用的强弱取决于积分常数，积分常数越小，积分作用就越强；反之积分作用弱。
本实施例中，如图6所示，所述功率放大器8包括功率放大器芯片OPA548、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24和电阻R25，所述电阻R21的一端为功率放大器8的输入端，所述功率放大器芯片OPA548的反相输入端与电阻R21的另一端连接，所述功率放大器芯片OPA548的同相输入端通过电阻R23接地，所述功率放大器芯片OPA548的反相输入端与输出端之间接有电阻R22，所述功率放大器芯片OPA548的同相输入端与输出端之间接有电阻R24，所述功率放大器芯片OPA548的输出端与电阻R25的一端连接，所述电阻R25的另一端为功率放大器8的输出端。
所述电阻R25为反馈电阻，所述功率放大器8能够完成电压到电流的比例放大作用；所述功率放大器8的输出电流Ipow＝R22*Vpi/(R21*R25)＝1k*Vpi/(10K*0.1)＝Vpi/1。
本实施例中，如图7所示，所述可编程补偿信号跟踪器11包括型号为AD5545的DA转换芯片U7，型号均为AD8620的运放芯片U8和运放芯片U9，以及电阻R31、电阻R32和电阻R33，所述DA转换芯片U7的VREF引脚与DSP数字信号处理器的定时器Timer1连接，所述DA转换芯片U7的SPI引脚与DSP数字信号处理器的第一SPI接口SPI1连接，所述运放芯片U8的反相输入端与DA转换芯片U7的输出端引脚连接，所述运放芯片U8的同相输入端接地，所述运放芯片U8的输出端与DA转换芯片U7的RFB引脚连接，且通过电阻R31与运放芯片U9的反相输入端连接，所述运放芯片U9的反相输入端通过电阻R32与DA转换芯片U7的VREF引脚连接，所述运放芯片U9的反相输入端与输出端之间接有电阻R33，所述运放芯片U9的同相输入端接地且为可编程补偿信号跟踪器11的补偿电流负极输出端Vs-，所述运放芯片U9的输出端为可编程补偿信号跟踪器11的补偿电流正极输出端Vs+。
所述可编程补偿信号跟踪器11为一个单极转双极的输出电路，通过SPI接口接收来自DSP数字信号处理器的设定数值D，Vs＝D/32768-1*T1；D为16Bit的无符号数值其值为0～65535，所以Vs的范围为-T1～T1，完成了对T1的数字可编程输出，并把单极性转换为双极性。
本实施例中，如图8所示，所述激励源放大驱动电路12包括型号均为OPA548的功率放大器芯片U10和功率放大器芯片U11，以及电阻R41和电阻R42；所述功率放大器芯片U10的反相输入端与电阻R41的一端连接且为激励源放大驱动电路12的输入端，且与DSP数字信号处理器的定时器Timer1连接，所述功率放大器芯片U10的同相输入端与输出端连接，所述功率放大器芯片U11的反相输入端与电阻R41的另一端连接，所述功率放大器芯片U11的同相输入端接地，所述功率放大器芯片U11的反相输入端与输出端之间接有电阻R42，所述功率放大器芯片U10的输出端为激励源放大驱动电路12的电压正极输出端，所述功率放大器芯片U11的输出端为激励源放大驱动电路12的电压负极输出端。
所述功率放大器芯片U10构成了同相放大器，所述功率放大器芯片U11构成了反相放大器，使得所述激励源放大驱动电路12为双端驱动输出。
本发明的交直流零磁通磁通门电流传感器的程控配置及校准方法，包括以下步骤：
步骤一、激励源放大驱动电路12在处理器1的控制下输出电压方波信号，在第一铁芯9和第二铁芯10上通过激励绕组反方向串联连接；
步骤二、当第一铁芯和第二铁芯的激磁磁场不一致时，在处理器的控制下通过可编程补偿信号跟踪器输出补偿激励信号给磁通门电流传感器本体的激励绕组，保证一次电流Ip为0时，测量绕组没有偶次谐波分量，也就是偶次谐波分量Is＝0；
步骤三、当一次电流Ip不为零时，测量绕组的信号输出含有二次谐波和其他的偶次谐波；
步骤四、通过所述补偿电流输出电路提取二次谐波分量，把二次谐波分量调整为直流输出，并输出一个补偿电流Is给磁通门电流传感器本体中反馈绕组。
具体实施时，通过可编程滤波器5，提取二次谐波分量；通过相敏解调电路6，把二次谐波分量调整为直流输出；通过PI控制电路7和功率放大器8输出一个补偿电流Is；
在PI控制电路7的控制下输出补偿电流Is给磁通门电流传感器本体中激励绕组，最终达到动态平衡，用公式表示为Ip*N1＝Is*N2，其中N1为激励绕组匝数，N2为反馈绕组匝数。
综上所述，本发明能够自动匹配对两个铁芯参数不一致所造成的失调电流，能够大大减低对两个磁通门铁芯工艺一致性的要求，能够实现磁通门传感器的最佳性能，能够消除地磁场对直流失调的影响，能够提高测量带宽和灵敏度，实用性强，推广使用价值高。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种交直流零磁通磁通门电流传感器，其特征在于：包括用于对磁通门电流传感器本体进行配置及校准的配置及校准电路，所述配置及校准电路包括处理器(1)以及均与处理器(1)相接且用于为磁通门电流传感器本体的激励绕组提供激励电压的激励源放大驱动电路(12)、用于补偿磁通门电流传感器本体中第二铁芯(10)与第一铁芯(9)的材料及制造工艺不一致造成的激磁磁场不一致的可编程补偿信号跟踪器(11)、以及用于输出补偿电流给磁通门电流传感器本体中反馈绕组的补偿电流输出电路，所述磁通门电流传感器本体中激励绕组与激励源放大驱动电路(12)的输出端连接，所述磁通门电流传感器本体中补偿绕组与可编程补偿信号跟踪器(11)的输出端连接，所述补偿电流输出电路的输入端与测量绕组连接，所述反馈绕组与所述补偿电流输出电路的输出端连接；
所述处理器(1)为DSP数字信号处理器，所述DSP数字信号处理器的时钟输入接口接有晶振(2)，所述激励源放大驱动电路(12)和可编程补偿信号跟踪器(11)均与DSP数字信号处理器的定时器Timer1连接，所述DSP数字信号处理器的定时器Timer1上还接有倍频电路(4)，所述DSP数字信号处理器的串口RS232上接有RS232接口电路(3)，所述可编程补偿信号跟踪器(11)与DSP数字信号处理器的第一SPI接口SPI1连接，所述补偿电流输出电路包括与DSP数字信号处理器的第二SPI接口SPI2连接的可编程滤波器(5)，以及依次接在可编程滤波器(5)输出端的相敏解调电路(6)、PI控制电路(7)和功率放大器(8)，所述相敏解调电路(6)与倍频电路(4)的输出端连接。
2.按照权利要求1所述的交直流零磁通磁通门电流传感器，其特征在于：所述倍频电路(4)包括74HC74芯片，所述74HC74芯片的CP引脚与DSP数字信号处理器的定时器Timer1连接，所述74HC74芯片的D引脚与Q引脚连接，所述74HC74芯片的Q引脚为倍频电路(4)的输出端。
3.按照权利要求1所述的交直流零磁通磁通门电流传感器，其特征在于：所述可编程滤波器(5)包括有源滤波器芯片UAF42，型号均为AD5545的DA转换芯片U1和DA转换芯片U2，型号均为AD8620的运放芯片U3和运放芯片U4，以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7，所述DA转换芯片U1的SPI接口和DA转换芯片U2的SPI接口均与DSP数字信号处理器的第二SPI接口SPI2连接，所述DA转换芯片U1的VREF接口与有源滤波器芯片UAF42的第13引脚连接，且通过电阻R3与有源滤波器芯片UAF42的第5引脚连接，所述DA转换芯片U2的VREF接口与有源滤波器芯片UAF42的第7引脚连接，且通过电阻R6与有源滤波器芯片UAF42的第12引脚连接；所述运放芯片U3的反相信号输入端与DA转换芯片U1的输出端连接，所述运放芯片U3的同相信号输入端接地，所述运放芯片U3的输出端与DA转换芯片U1的RTB引脚连接，且通过电阻R1与有源滤波器芯片UAF42的第8引脚连接；所述运放芯片U4的反相信号输入端与DA转换芯片U2的输出端连接，所述运放芯片U4的同相信号输入端接地，所述运放芯片U4的输出端与DA转换芯片U2的RTB引脚连接，且通过电阻R2与有源滤波器芯片UAF42的第14引脚连接；所述电阻R4接在有源滤波器芯片UAF42的第1引脚与第5引脚之间，所述电阻R5接在有源滤波器芯片UAF42的第5引脚与第6引脚之间，所述有源滤波器芯片UAF42的第12引脚通过电阻R7与测量绕组的正极输出端M+连接，所述测量绕组的负极输出端M-接地，所述有源滤波器芯片UAF42的第6引脚为可编程滤波器(5)的输出端。
4.按照权利要求1所述的交直流零磁通磁通门电流传感器，其特征在于：所述相敏解调电路(6)包括由型号为AD8620的运放芯片U5构成的电压跟踪仪和型号为AD8620的运放芯片U6构成的反向器，由二选一多路转换器芯片CD4051构成的二选一多路转换器，以及电阻R11、电阻R12、电阻R13和电容C1；所述运放芯片U5的反相输入端和电阻R11的一端连接且为相敏解调电路(6)的输入端，所述运放芯片U5的同相输入端与输出端连接；所述运放芯片U6的反相输入端与电阻R11的另一端连接，且通过电阻R2与运放芯片U6的输出端连接，所述运放芯片U6的同相输入端接地；所述二选一多路转换器芯片CD4051的第一路信号输入端引脚CH1与运放芯片U5的输出端连接，所述二选一多路转换器芯片CD4051的第二路信号输入端引脚CH0与运放芯片U6的输出端连接，所述二选一多路转换器芯片CD4051的地址选通引脚B和地址选通引脚C均接地，所述二选一多路转换器芯片CD4051的地址选通引脚A与倍频电路(4)的输出端连接，所述电阻R13的一端与二选一多路转换器芯片CD4051的信号输出端引脚连接，所述电阻R13的另一端为相敏解调电路(6)的输出端且通过电容C1接地。
5.按照权利要求1所述的交直流零磁通磁通门电流传感器，其特征在于：所述PI控制电路(7)包括运放芯片OP07D、电阻R15、电阻R16、电阻R17和电容C2，所述电阻R15的一端为PI控制电路(7)的输入端，所述运放芯片OP07D的反相输入端与电阻R15的另一端连接，所述运放芯片OP07D的同相输入端接地，所述运放芯片OP07D的输出端与反相输入端之间接有电阻R16，以及并联的电阻R17和电容C2，所述运放芯片OP07D的输出端为PI控制电路(7)的输出端。
6.按照权利要求1所述的交直流零磁通磁通门电流传感器，其特征在于：所述功率放大器(8)包括功率放大器芯片OPA548、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24和电阻R25，所述电阻R21的一端为功率放大器(8)的输入端，所述功率放大器芯片OPA548的反相输入端与电阻R21的另一端连接，所述功率放大器芯片OPA548的同相输入端通过电阻R23接地，所述功率放大器芯片OPA548的反相输入端与输出端之间接有电阻R22，所述功率放大器芯片OPA548的同相输入端与输出端之间接有电阻R24，所述功率放大器芯片OPA548的输出端与电阻R25的一端连接，所述电阻R25的另一端为功率放大器(8)的输出端。
7.按照权利要求2所述的交直流零磁通磁通门电流传感器，其特征在于：所述可编程补偿信号跟踪器(11)包括型号为AD5545的DA转换芯片U7，型号均为AD8620的运放芯片U8和运放芯片U9，以及电阻R31、电阻R32和电阻R33，所述DA转换芯片U7的VREF引脚与DSP数字信号处理器的定时器Timer1连接，所述DA转换芯片U7的SPI引脚与DSP数字信号处理器的第一SPI接口SPI1连接，所述运放芯片U8的反相输入端与DA转换芯片U7的输出端引脚连接，所述运放芯片U8的同相输入端接地，所述运放芯片U8的输出端与DA转换芯片U7的RFB引脚连接，且通过电阻R31与运放芯片U9的反相输入端连接，所述运放芯片U9的反相输入端通过电阻R32与DA转换芯片U7的VREF引脚连接，所述运放芯片U9的反相输入端与输出端之间接有电阻R33，所述运放芯片U9的同相输入端接地且为可编程补偿信号跟踪器(11)的补偿电流负极输出端Vs-，所述运放芯片U9的输出端为可编程补偿信号跟踪器(11)的补偿电流正极输出端Vs+。
8.按照权利要求2所述的交直流零磁通磁通门电流传感器，其特征在于：所述激励源放大驱动电路(12)包括型号均为OPA548的功率放大器芯片U10和功率放大器芯片U11，以及电阻R41和电阻R42；所述功率放大器芯片U10的反相输入端与电阻R41的一端连接且为激励源放大驱动电路(12)的输入端，且与DSP数字信号处理器的定时器Timer1连接，所述功率放大器芯片U10的同相输入端与输出端连接，所述功率放大器芯片U11的反相输入端与电阻R41的另一端连接，所述功率放大器芯片U11的同相输入端接地，所述功率放大器芯片U11的反相输入端与输出端之间接有电阻R42,所述功率放大器芯片U10的输出端为激励源放大驱动电路(12)的电压正极输出端，所述功率放大器芯片U11的输出端为激励源放大驱动电路(12)的电压负极输出端。
9.一种如权利要求1～8任一权利要求所述交直流零磁通磁通门电流传感器的程控配置及校准方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、激励源放大驱动电路(12)在处理器(1)的控制下输出电压方波信号，在第一铁芯(9)和第二铁芯(10)上通过激励绕组反方向串联连接；
步骤二、当第一铁芯和第二铁芯的激磁磁场不一致时，在处理器(1)的控制下通过可编程补偿信号跟踪器输出补偿激励信号给磁通门电流传感器本体的激励绕组；
步骤三、当一次电流Ip不为零时，测量绕组的信号输出含有二次谐波；
步骤四、通过所述补偿电流输出电路提取二次谐波分量，把二次谐波分量调整为直流输出，并输出一个补偿电流Is给磁通门电流传感器本体中反馈绕组。
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