[发明专利]一种基于谐振式薄膜热电变换器的高精度电压/电流表

说明书

本发明公开了一种基于谐振式薄膜热电变换器的高精度电压/电流表，属于微电子机械系统领域。其结构特征在于高精度电压/电流表由量程选择开关(2)、分压器(3)或分流器(9)、薄膜热电变换器(1)、闭环自激/检测电路1(4)和2(5)、差频电路(6)、频率‑电压转换电路(7)或频率‑电流转换电路(10)、直流电压表(8)或直流电流表(11)组成。当有交流信号施加在加热电阻1上时改变微桥谐振器1的谐振频率，通过闭环反馈电路改变加载在加热电阻2上的反馈电压，直到差频电路(6)输出信号为0，此时直流电表测量的反馈信号就是输入交流信号的有效值。这种高精度电压/电流表采用热电变换的方法测量交流信号，具有很高的准确度。

技术领域

本发明涉及一种电压/电流测量仪表，特别是一种基于谐振式薄膜热电变换器的高精度电压/电流表，属于微电子机械系统(MEMS)领域。

背景技术

电压和电流是电路和信号系统中最基本、最重要的参数，电压和电流测量在电子测量中占有重要的地位。各种信号发生器、发射机、接收机等电子仪器和设备的主要性能是通过测量电压和电流来确定。在电子计量中，场强、衰减、脉冲、调幅系数、波形非线性失真系数等参量都是电压的导出量。电压/电流表和包括电压/电流测量的多用表是从初级技工到高级科技人员普遍使用的电子测量仪器，在电子或电路系统出现故障的情况下，往往凭借对电路中电压或电流信号的检测来判断故障的位置和原因。在自动测试系统、生产线和设备维修等部门，电压和电流表更是不可或缺的仪表。在传感领域，绝大多数非电量也是通过转换成电压或电流来测量的。

在电子测量领域中，一般指针式或数字式电压/电流表可以用于精确测量1KHz以下的电压/电流信号。如果测量高频电压/电流信号，则因仪表高频特性的限制引入较大的误差。例如Agilent 34401A六位半万用表的频率使用范围是0～300KHz。对100mV的输入电压，在10Hz～20kHz频率范围内的误差是：±(读数0.04％+量程0.03％)，20kHz～50kHz频率范围内的误差是：±(读数0.1％+量程0.05％)，50kHz～100kHz频率范围内的误差是：±(读数0.55％+量程0.08％)，100kHz～300kHz频率范围内的误差是：±(读数4％+量程0.5％)。示波器虽然可以用来测量宽带信号，但测量精度也较差。例如固纬GOS-6200双踪示波器虽然量程可达200MHz，但基本测量误差高达3％。当需要测量高频交流信号的电压时，通常运用交流毫伏表。交流毫伏表虽然具有很高的带宽，但测量精度(包括基本准确度和频率响应误差)也很差。例如TH1912A双通道数字交流毫伏表基本准确度是读数值的±1％。在5Hz～20Hz频率范围内的频率响应误差是：±(4％读数+0.5％满度)，20Hz～2MHz频率范围内的频率响应误差是：±(2％读数+0.5％满度)，2MHz～3MHz频率范围内的频率响应误差是：±(3％读数+0.5％满度)，3MHz～5MHz频率范围内的频率响应误差是：±(4％读数+0.5％满度)。WY1972P-A双通道数显高频电流表的频率范围是10Hz～2MHz，电流范围是200μA～5A，在电流＜0.5mA时测量精度是：±1.5％±5个字，0.5mA～5A是：±2％±10个字，频率响应误差(以1kHz为基准)是：±3％。

我国市场上所见到的交流数字式仪表，大都是采用平均值转换法测量交流信号的有效值。随着电力电子技术的普及、大功率变频调速装置的应用以及电气化铁路的发展等，使得电网的波形经常发生畸变，有时其波形为非正弦波，使用传统的平均值电流表测量电流，只能测量没有失真的标准正弦交流信号的有效值。如果被测信号为失真或非正弦交流信号，则会产生较大的测量误差。输入信号若有1％的波形崎变率，有效值转换与平均值转换之间就有可能产生0.3％的测量误差。

在交流电路里，往往需要测量小电流，例如泄漏电流、气体放电电流等，通常只有几毫安至几十毫安，甚至微安量级。但无论电磁系或电动系交流电流表，本身消耗功率都很大，灵敏度低，无法实现微小电流的高精度测量。