一种单位增益电压跟随装置及其三级反馈放大方法

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，并且更具体地，涉及一种单位增益电压跟随装置及其三级反馈放大方法。

背景技术

交流功率标准作为保证交流电能计量准确可靠的依据，在电能交易中起着关键作用。实现高准确度交流电压-功率变换的方法是交直流转换器法，现有的交直流转换器法一般利用的是热电变换器，通过利用四分之一平方法和热电变换器来实现交直流的高准确度转换，而四分之一平方法中需要加减法器来实现，为了防止精密加减法器的前端信号衰减影响加减法器的精度，需要构造单位增益电压跟随器进行前后级隔离。但是，现有技术缺乏一种能够解决防止精密加减法器的前端信号衰减影响加减法器的精度的单位增益电压跟随器。

发明内容

为了解决上述背景技术所述的至少一个问题，本发明提供一种单位增益电压跟随装置及其三级反馈放大方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种单位增益电压跟随装置，用于对加减法器的输入电压进行处理，所述单位增益电压跟随装置包括：

第一级反馈放大器、第二级反馈放大器和第三级反馈放大器，其中

第一级反馈放大器的正输入端、第一电阻的一端、第二电阻的一端用于分别与加减法器的输入电压连接，第一电阻的另一端与第二级反馈放大器的正输入端连接，第二电阻的另一端与第三级反馈放大器的正输入端连接，并且第一电阻的电阻值小于第二电阻的电阻值；

第一级反馈放大器的输出连接第二级反馈放大器的直流电位平移电路的中点，第二级反馈放大器的输出连接第三级反馈放大器的直流电位平移电路的中点；

第一级反馈放大器的输出反馈至第一级反馈放大器的负输入端，第二级反馈放大器的输出反馈至第二级反馈放大器的负输入端，第三级反馈放大器的输出反馈至第三级反馈放大器的输入端。

可选地，所述第一级反馈放大器输出方波电压，所述方波电压作用于第二级反馈放大器的直流电源。

可选地，所述单位增益电压跟随装置输出电压的阻抗小于0.001Ω。

可选地，所述单位增益电压跟随装置在200kHz时的振幅误差小于30uV/V，相移小于300urad。

可选地，所述第二级反馈放大器和第三级反馈放大器均为自举的反馈放大器。

根据本发明的又一个方面，提供了一种单位增益电压跟随装置的三级反馈放大方法，包括：

将输入电压并联输入第一级反馈放大器的正输入端、第一电阻和第二电阻；

将第二级反馈放大器产生的输出电压、第三级反馈放大器产生的输出电压依次添加至第一级反馈放大器产生的输出电压上；

根据第二级反馈放大器产生的输出电压，调节第二级反馈放大器反馈回路的参数，降低第一级反馈放大器的相位误差；根据第三级反馈放大器产生的输出电压，调节第三级反馈放大器反馈回路的参数，降低第一级反馈放大器的幅值误差。

可选地，所述根据第二级反馈放大器产生的输出电压，调节第二级反馈放大器反馈回路的参数，降低第一级反馈放大器的相位误差，包括：

通过第一级反馈放大器产生的输出电压促使第二级反馈放大器的直流电源的电位中点产生第一变化；

通过第一变化调节第二级反馈放大器反馈回路的参数，降低第一级反馈放大器的相位误差。

可选地，所述根据第三级反馈放大器产生的输出电压，调节第三级反馈放大器反馈回路的参数，降低第一级反馈放大器的幅值误差，包括：

通过第二级反馈放大器产生的输出电压促使第三级反馈放大器的直流电源的电位中点产生第二变化；

通过第二变化调节第三级反馈放大器反馈回路的参数，降低第一级反馈放大器的幅值误差。

可选地，该方法还包括：

从单位增益电压跟随装置的输入端测量单位增益电压跟随装置输入电压的阻抗；

从单位增益电压跟随装置的输出端测量单位增益电压跟随装置输出电压的阻抗；

判断单位增益电压跟随装置输入电压的阻抗是否大于第一阈值，判断单位增益电压跟随装置输出电压的阻抗是否小于第二阈值；

当确定单位增益电压跟随装置输入电压的阻抗大于第一阈值以及输出电压的阻抗小于第二阈值时，确定单位增益电压跟随装置能够对加减法器的输入电压进行有效处理。

可选地，所述第一级反馈放大器输出方波电压，所述方波电压作用于第二级反馈放大器的直流电源。

本发明通过三级反馈放大的方式增加了单位增益电压跟随装置的输入电阻，降低了单位增益电压跟随装置输出电阻。依靠单位增益电压跟随装置输入电阻大，输出电阻小的特点可以消除前级切换装置和后级加法器之间的影响。通过第二级反馈放大器的作用显著地降低了第一级反馈放大器的相位误差，通过第三级反馈放大器的作用显著地降低了第一级反馈放大器的幅度误差，经过前馈校正补偿，保证输出到精密加减法器中高频交流电压的精度。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1是本发明一示例性实施例提供的单位增益电压跟随装置的原理示意图；

图2是本发明一示例性实施例提供的单位增益电压跟随装置的反馈控制图；

图3是本发明一示例性实施例提供的单位增益电压跟随装置的三级反馈放大方法的流程示意图。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。

应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

图1示出了本发明所提供的单位增益电压跟随装置的原理示意图。如图1所示，单位增益电压跟随装置，包括：第一级反馈放大器、第二级反馈放大器和第三级反馈放大器，其中第一级反馈放大器的正输入端、第一电阻的一端、第二电阻的一端用于分别与加减法器的输入电压连接，第一电阻的另一端与第二级反馈放大器的正输入端连接，第二电阻的另一端与第三级反馈放大器的正输入端连接，并且第一电阻的电阻值小于第二电阻的电阻值；第一级反馈放大器的输出连接第二级反馈放大器的直流电位平移电路的中点，第二级反馈放大器的输出连接第三级反馈放大器的直流电位平移电路的中点；第一级反馈放大器的输出反馈至第一级反馈放大器的负输入端，第二级反馈放大器的输出反馈至第二级反馈放大器的负输入端，第三级反馈放大器的输出反馈至第三级反馈放大器的输入端。

在本发明实施例中，如图1所示，单位增益电压跟随装置是一个三级反馈放大器，这三级反馈放大器的输入是并行的，三级反馈放大器的输出是串联起来。其包含一个反馈放大器A1和两个自举反馈放大器A2和A3，反馈放大器A1(对应于第一级反馈放大器)的输出电压为V

具体为，单位增益电压跟随装置由三级反馈组合放大器组成，这三级反馈放大器的输入电压是并联的，即：如图1所示，输入电压直接输入第一级反馈放大器A1的正输入端，输入电压经过第一电阻(对应于电阻R

单位增益电压跟随装置的第一级反馈放大器A1可以输出方波电压，该方波电压是精确跟踪输入交流信号的交流电平，该方波电压作用第二级的直流电源，第二级的直流电位平移电路在图1中指-E

如图2所示，第二级反馈放大器A2和第三级反馈放大器A3产生的前馈校正信号Vout2和Vout3，依次添加到第一级反馈放大器A1的输出电压上。第二级反馈放大器A2的作用显著地降低了第一级反馈放大器A1的相位误差。但是由于第二级反馈放大器A2自身相位误差的影响，第二级反馈放大器A2无法降低第一级反馈放大器A1的幅值误差。引入第三级反馈放大器A3，第三级反馈放大器A3的输入电压比第二级反馈放大器A2小很多，第三级反馈放大器A3可以显著地减小了第一级反馈放大器A1的幅度误差。

通过上述方法可以增加单位增益电压跟随装置的输入阻抗，降低其输出阻抗。单位增益电压跟随装置输入电压的阻抗大于50MΩ，输出电压的阻抗小于0.001Ω，在200kHz时振幅误差小于30uV/V，相移小于300urad。

图3示出了单位增益电压跟随装置的三级反馈放大方法的流程示意图。如图3所示，该方法包括：

步骤S10：将输入电压并联输入第一级反馈放大器的正输入端、第一电阻和第二电阻；

步骤S20：将第二级反馈放大器产生的输出电压、第三级反馈放大器产生的输出电压依次添加至第一级反馈放大器产生的输出电压上；

步骤S30：根据第二级反馈放大器产生的输出电压，调节第二级反馈放大器反馈回路的参数，降低第一级反馈放大器的相位误差，根据第三级反馈放大器产生的输出电压，调节第三级反馈放大器反馈回路的参数，降低第一级反馈放大器的幅值误差。

可选地，所述根据第二级反馈放大器产生的输出电压，调节第二级反馈放大器反馈回路的参数，降低第一级反馈放大器的相位误差，包括：

通过第一级反馈放大器产生的输出电压促使第二级反馈放大器的直流电源的电位中点产生第一变化；

通过第一变化调节第二级反馈放大器反馈回路的参数，降低第一级反馈放大器的相位误差。

可选地，所述根据第三级反馈放大器产生的输出电压，调节第三级反馈放大器反馈回路的参数，降低第一级反馈放大器的幅值误差，包括：

通过第二级反馈放大器产生的输出电压促使第三级反馈放大器的直流电源的电位中点产生第二变化；

通过第二变化调节第三级反馈放大器反馈回路的参数，降低第一级反馈放大器的幅值误差。

可选地，该方法还包括：从单位增益电压跟随装置的输入端测量单位增益电压跟随装置输入电压的阻抗；从单位增益电压跟随装置的输出端测量单位增益电压跟随装置输出电压的阻抗；判断单位增益电压跟随装置输入电压的阻抗是否大于第一阈值(例如但不限于为50MΩ)，判断单位增益电压跟随装置输出电压的阻抗是否小于第二阈值(例如但不限于为0.001Ω)；当确定单位增益电压跟随装置输入电压的阻抗大于第一阈值以及输出电压的阻抗小于第二阈值时，确定单位增益电压跟随装置能够对加减法器的输入电压进行有效处理，即可以消除前级切换装置和后级加法器之间的影响。

可选地，所述第一级反馈放大器输出方波电压，所述方波电压作用于第二级反馈放大器的直流电源。

综上所述，本发明通过三级反馈放大的方式增加了单位增益电压跟随装置的输入电阻，降低了单位增益电压跟随装置输出电阻。依靠单位增益电压跟随装置输入电阻大，输出电阻小的特点可以消除前级切换装置和后级加法器之间的影响。通过第二级反馈放大器的作用显著地降低了第一级反馈放大器的相位误差，通过第三级反馈放大器的作用显著地降低了第一级反馈放大器的幅度误差，经过前馈校正补偿，保证输出到精密加减法器中高频交流电压的精度。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。