CN101285857A - 交流电流电压转换器及测量交流小电流的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种交流电流电压转换器，包括标准电容、运算放大器、反馈电阻、电池和充电电路，运算放大器允许的偏置电流最大为100fA，标准电容设置为外接式，并通过四线接入法与运算放大器连接，四线接入法为电容端I_H作为信号输入端，将电容端V_H引到运算放大器输入端，电容端V_L作为输出端，电容端I_L连接到运算放大器的输出端，反馈电阻与标准电容并联连接，充电电路通过电池与运算放大器相连。本发明采用标准电容实现了从交流小电流到交流电压的准确转换，还提供了能够精确地测量交流小电流的装置及方法，并有效的解决了交流小电流的溯源问题。

Description

交流电流电压转换器及测量交流小电流的装置和方法

技术领域：

本发明涉及一种电流电压转换器技术，特别是一种高准确度的交流电流电压转换器以及使用该交流电流电压转换器精确测量2μA-2mA交流小电流的测量方法及实现该方法的装置。

背景技术：

目前的交流电流电压转换器通常为电阻性反馈电流电压转换器，如采用低噪声运算放大器与交流电阻连接构成的交流电流电压转换器，无法解决交流电阻的溯源问题，并且，目前计量交流小电流的仪器主要是交流电流表，测量方法是通过交流分流器(交流电阻)，测量其两端的交流电压，计算实现交流电流的测量。由于交流电阻目前国家计量院没有溯源途径，因此采用交流电阻方式测量交流小电流技术难度很大，还会有一系列的溯源验证问题。

发明内容：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种交流电流电压转换器，采用标准电容将交流小电流准确转换为交流电压，本发明还涉及测量交流小电流的装置和方法，并有效的解决了交流小电流的溯源问题。

本发明的技术方案是：

一种交流电流电压转换器，其特征在于包括标准电容、运算放大器、反馈电阻、电池和充电电路，所述运算放大器允许的偏置电流最大为100fA，所述标准电容设置为外接式，并通过四线接入法与运算放大器连接，所述四线接入法为电容端I_H作为信号输入端，将电容端V_H引到运算放大器输入端，电容端V_L作为输出端，电容端I_L连接到运算放大器的输出端，所述反馈电阻与标准电容并联连接，所述充电电路通过电池与运算放大器相连。

上述电池为锂电池，上述充电电路包括稳压管和光耦器件，所述光耦器件具有四个状态指示灯，所述四个状态分别表示交流电源、直流电源、充满电、需要充电。

还包括与运算放大器连接的保护电路，所述保护电路包括两个二极管，所述二极管相互反接。

上述运算放大器的输入端和输出端均通过隔离材料固定焊接，与运算放大器的输入端和输出端相连的器件均通过所述隔离材料固定焊接。

上述隔离材料为聚四氟乙烯。

上述标准电容外壳制成屏蔽体，并通过同轴电缆与运算放大器连接。

上述反馈电阻为精密金属膜电阻。

采用上述交流电流电压转换器的一种测量交流小电流的装置，其特征在于包括输入被检小电流的所述交流电流电压转换器和与交流电流电压转换器相连的交流数字电压表，所述运算放大器的输出连接交流数字电压表，所述交流数字电压表测量交流电流电压转换器输出的交流电压。

上述交流数字电压表通过IEEE488接口连接计算机，所述计算机通过被检小电流与交流电压之间的电流电压转换的传递关系计算并显示出被检小电流值。

采用上述交流电流电压转换器的一种测量交流小电流的方法，其特征在于包括如下步骤：

A、被检小电流通过所述交流电流电压转换器转换成交流电压；

B、将交流电流电压转换器中的运算放大器的输出连接交流数字电压表，并通过交流数字电压表测量步骤A转换成的交流电压；

C、交流数字电压表通过IEEE488接口连接计算机，所述计算机通过被检小电流与交流电压之间的电流电压转换的传递关系计算并显示出被检小电流值。

技术效果：

本发明提供的一种交流电流电压转换器，运算放大器允许的偏置电流最大为100fA，通过采用外接式的标准电容四线接入法接入运算放大器，以及与标准电容并联连接反馈电阻，将电流转换为电压，这样，使用超低偏置电流运放，结合标准电容四线接入法，有效的保证了交流电流电压转换器转换的准确性；保护电路能够保护运算放大器，避免因大信号或人为因素输入而损坏运算放大器；采用锂电池充电管理，运用光耦器件实现了电池满电和缺电的状态指示，保证了锂电池供电的工作正常性，有效的降低了电源的干扰因素；运算放大器的输入端和输出端均通过隔离材料固定焊接，与运算放大器的输入端和输出端相连的器件均通过该隔离材料固定焊接；标准电容外壳制成屏蔽体，并通过同轴电缆与运算放大器连接；反馈电阻为精密金属膜电阻，通过直流屏蔽隔离技术，直流电阻通路反馈技术，保证了交流电流能够精确的转换为交流电压。

本发明测量交流小电流的装置，采用了能够精确的将交流小电流转换为交流电压的交流电流电压转换器，还包括与交流电流电压转换器相连的交流数字电压表，该交流数字电压表测量交流电流电压转换器输出的交流电压，并通过IEEE488接口连接计算机，所述计算机通过被检小电流与交流电压之间的电流电压转换的传递关系计算并显示出被检小电流值，能够精确测量出被检小电流的值。测量交流小电流的方法是将被检小电流流入能够精确的将交流小电流转换为交流电压的交流电流电压转换器，形成交流电压，使用交流数字电压表测得交流电压，并根据被检小电流与交流电压之间的电流电压转换的传递关系计算并显示出被检小电流值，并能够达到比较高的准确度。

附图说明：

图1是本发明交流电流电压转换器的原理框图；

图2是本发明交流电流电压转换器的标准电容四线接入法的原理图；

图3是本发明交流电流电压转换器的电路图；

图4是本发明测量交流小电流的装置的原理框图；

图5是本发明测量交流小电流的装置的测试数据图；

图6是本发明测量交流小电流的装置的另一测试数据图；

图7是本发明测量交流小电流的装置的相对扩展不确定度图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1是本发明交流电流电压转换器的原理框图。一种交流电流电压转换器，包括标准电容、运算放大器、反馈电阻、电池和充电电路，运算放大器允许的偏置电流最大为100fA，标准电容设置为外接式，并通过四线接入法与运算放大器连接，四线接入法为电容端I_H作为信号输入端，将电容端V_H引到运算放大器输入端，电容端V_L作为输出端，电容端I_L连接到运算放大器的输出端，反馈电阻与标准电容并联连接，充电电路通过电池与运算放大器相连。本实施例中，标准电容采用Agilent的16380系列电容，运算放大器考虑偏置电流、失调电流和噪声等方面的影响，选择的运算放大器的限定要求为：失调电压＜0.5mV；失调电流＜10pA；偏置电流＜100fA；

；

；输入阻抗＞10¹²Ω，本实施例优选的运算放大器为超低偏置电流运放AD549。由于运算放大器的每个输入端必须要有对地直流通路，否则偏置电流将在电容器中建立直流电荷，直到输出电压达到饱和为止，因此要在标准电容上并联一个电阻作为反馈电阻，反馈电阻选择精度高、温度系数好的1MΩ电阻。

其中，本发明交流电流电压转换器的标准电容四线接入法的原理图如图2所示。Agilent的16380系列电容与运放AD549连接时，采用四线接入法，由于输入的是交流电流信号，则将电流信号直接通过电容端I_H端输入，将电容端V_H引到运放2脚输入端，测量时是交流电压信号，则将电容端V_L作为输出端，电容端I_L连接到运放的6脚输出端。

为保护运放，避免因大信号或人为因素输入而损坏运算放大器，优选的在外界电流接入运放前接入保护电路，该保护电路采用的是两个相互反接的二极管。

为了降低电源噪声的干扰，将采用Li电池供电，单块Li电池满电时的电压在3.7V～4.2V之间，为了提供给运放±12V的电源电压，需要8块电池串联。由于锂电池需要循环使用，有充放电过程，锂电池充电时，若没有指示，容易使电池过充，缩短电池寿命，因此考虑加上满电显示和缺电显示，在考虑节约功耗和使用方便的情况下，运用光耦进行通断显示，锂电池充电电路选择的是恒压充电方式，有四个状态指示灯，分别是：交流电源、直流电源、充满电、需要充电，通过逐渐降低充电电流至最后的涓流充电，保证了锂电池供电的工作正常性，有效的降低了电源的干扰因素。

图3是本发明交流电流电压转换器的电路图。交流电流电压转换器在制作时将标准电容设置为外接式，可以根据需要流入交流电流电压转换器的电流的频率和幅值的变化来更换不同量程的标准电容，运算放大器的输入端和输出端均通过隔离材料固定焊接，与运算放大器的输入端和输出端相连的器件均通过所述隔离材料固定焊接，本实施例选择的隔离材料为聚四氟乙烯，采用聚四氟乙烯材料制成隔离柱，将运放的2、3、6脚固定在隔离柱上，与运放的2、3、6脚相连的相关器件在隔离柱直接焊接，与交流电流电压转换器电路形成了悬浮隔离，采用隔离技术，减少泄露电流等因素的影响；标准电容外壳制成屏蔽体，并通过同轴电缆与运算放大器连接，本发明交流电流电压转换器的外壳采用纯铁材料制成一个闭合的壳体，标准电容外壳可以是铁制屏蔽体，交流电流电压转换器中的标准电容与交流电流电压转换器电路的连接通过同轴电缆，这样两部分在工作时，形成了一个完整的屏蔽体，有效的降低空间电磁场的干扰影响；由于线绕电阻的电容电感分量太大，参数随频率变化明显，故反馈电阻选择精密金属膜电阻，其交流损耗参数经电桥CS7600测试，在10Hz-10kHz频率范围内，交流电流电压转换器电路中的串联电感和并联标准电容变化相对较小；由于采用的Li电池供电，因此地是悬浮地，在实际测量时，一直有干扰信号的存在，通过将屏蔽体的外壳单点引线接地后，干扰消失。

本发明交流电流电压转换器中采用的超低偏置电流运放AD549，偏置电流为60fA，偏置电流直接叠加在运放输入端小电流信号上，当被测小电流在2μA量程时，叠加后为2.00000006μA，影响量可忽略；失调电流为2.8pA，直接叠加输入信号时，失调电流在2μA量程为2.0000028μA，影响量可忽略；失调电压为0.3mV，最大为0.9mV，失调电压直接叠加在输出端信号上，测试时可以通过清零消除。标准电容采用的是Agilent公司的16380系列电容，并通过中国计量院检定，计量院校准后的不确定度：容量值为2×10^-5(k＝3)，损耗为1×10^-5(k＝3)；标准电容通过四线接入法接入运放，在电压高低端分别有一个接屏蔽壳的寄生电容，电压高端到屏蔽壳的电容可以看成是接在运放2、3脚输入端的电容，根据虚地原理，电容两端电压应相同，不会产生干扰电流，其等效到反馈端的电阻也非常大，可以忽略不计；电压低端到屏蔽壳的电容可看成是运放6脚对地的电容，是输出电压的负载电容，与数字表8508的输入阻抗1MΩ//150pF并联，引入误差为0.002％。

图4是本发明测量交流小电流的装置的原理框图，该装置采用了本发明提供的交流电流电压转换器，本发明测量交流小电流的装置包括输入被检小电流的交流电流电压转换器和与交流电流电压转换器相连的交流数字电压表，其中，交流电流电压转换器中的运算放大器的输出连接交流数字电压表，该交流数字电压表测量交流电流电压转换器输出的交流电压，并通过IEEE488接口连接计算机，计算机通过被检小电流与交流电压之间的电流电压转换的传递关系计算并显示出被检小电流值。为保护运放，避免因大信号或人为因素输入而损坏运算放大器，在被检小电流与运算放大器之间设置保护电路，该保护电路包括两个相互反接的二极管。

测量交流小电流的装置的工作原理：首先接电源220V给充电电路，充电电路给Li电池充满电后，打开直流电源开关，即可提供±12V给运算放大器供电，被检小电流信号通过保护电路，流过标准电容和反馈电阻构成的并联阻抗，在运放的输出端输出交流电压，再由交直流转换标准或交流数字交流电压表对交流电压进行测量，可以选择数字多用表8508，交流数字电压表通过IEEE488接口连接计算机，通过计算机程序控制完成控制、计算和自动检定，如运用Labview7.0编制交流小电流自动化测试程序，可以选择被检小电流的测量量程，根据确定的电流电压转换的传递关系，可以自动计算得到被检小电流值，并动态的以表格形式显示测试数据，测量过程中有操作提示，如提示更换标准电容和接线，测试完成后，测试结果能够保存在电子文件中，并可以根据需要出自动生成测试报告，例如可以自动写到EXCEL中存档，完成交流小电流的测量，节省了计算和数据记录的时间，提高了测量工作效率，节省了人力成本。其中，由电流转换为电压的计算公式为 $I=V_o\·\frac{\sqrt{1+{(2\·\mathrm{\π}\·f\·C_n\·R)}^2}}{R},$ 其中Cn为标准电容，R为反馈电阻。交流小电流通过同轴电缆输入，通过交流电流电压转换器，形成几伏量级的交流电压，并能够达到比较高的准确度。

一种测量交流小电流的方法，包括如下步骤：

A、被检小电流通过交流电流电压转换器转换成交流电压；

B、将交流电流电压转换器中的运算放大器的输出连接交流数字电压表，并通过交流数字电压表测量步骤A转换成的交流电压；

C、交流数字电压表通过IEEE488接口连接计算机，所述计算机通过被检小电流与交流电压之间的电流电压转换的传递关系计算并显示出被检小电流值。

其中，交流电流电压转换器还包括保护电路，保护电路包括两个相互反接的二极管，被检小电流通过保护电路接入运算放大器，运算放大器的输入端和输出端均通过隔离材料固定焊接，与运算放大器的输入端和输出端相连的器件均通过所述隔离材料固定焊接；隔离材料为聚四氟乙烯；标准电容外壳制成屏蔽体，并通过同轴电缆与运算放大器连接；反馈电阻为精密金属膜电阻。

本发明中测量交流小电流的装置及方法，使用了超低偏置电流运放，结合标准电容四端接法，运用直流屏蔽隔离技术，直流电阻通路反馈技术，有效的保证了电流电压转换器的准确性。

为了证明本发明交流电流电压转换器及测量交流小电流的装置和方法的精确性，我们可以对本发明进行验证，由于目前市场上没有满足指标的标准小电流源，我们可以采用多功能标准源5720A输出交流小电流方式进行测量，由于5720A交流小电流最低只能输出9μA，而且交流电流小于10mA时，没有溯源途径，为此，我们选用计量院测量过的交流小电流范围为20μA-2mA、频率为10Hz-1kHz的数字多用表8508，首先用8508测量5720输出的交流小电流值，并根据计量院的测量值进行修正，再使用本发明测量交流小电流的装置或测量交流小电流的方法测量被检小电流，在20μA、200μA、2mA量程，测得的结果如图5所示，图5是本发明测量交流小电流的装置的测试数据图。

上述验证没有解决对2μA量程的测量，为了解决2μA量程和高频特性的测试验证，同时也是为了验证本发明测量交流小电流的装置以及测量交流小电流的方法测得的被检小电流的数据值，设置了校准装置，该校准装置包括串联连接的交流标准电压源和另一标准电容，所述校准装置连接保护电路。使用交流标准电压源5720将经计算好的交流电压施加在另一个标准电容上，从该标准电容的另一端得出标准交流小电流再送至本发明测量交流小电流的装置，有效的解决了市场中缺乏高精度交流标准小电流源的问题。其中，2μA，20μA量程测得的结果如图6所示。

经评定，可以得到本发明测量交流小电流的装置的相对扩展不确定度图，如图7所示，其中不确定度k＝2，U_r为相对扩展不确定度。

以上所述的实例仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种交流电流电压转换器，其特征在于包括标准电容、运算放大器、反馈电阻、电池和充电电路，所述运算放大器允许的偏置电流最大为100fA，所述标准电容设置为外接式，并通过四线接入法与运算放大器连接，所述四线接入法为电容端I_H作为信号输入端，将电容端V_H引到运算放大器输入端，电容端V_L作为输出端，电容端I_L连接到运算放大器的输出端，所述反馈电阻与标准电容并联连接，所述充电电路通过电池与运算放大器相连。

2、根据权利要求1所述的一种交流电流电压转换器，其特征在于所述电池为锂电池，所述充电电路包括稳压管和光耦器件，所述光耦器件具有四个状态指示灯，所述四个状态分别表示交流电源、直流电源、充满电、需要充电。

3、根据权利要求1或2所述的一种交流电流电压转换器，其特征在于还包括与运算放大器连接的保护电路，所述保护电路包括两个二极管，所述二极管相互反接。

4、根据权利要求3所述的一种交流电流电压转换器，其特征在于所述运算放大器的输入端和输出端均通过隔离材料固定焊接，与运算放大器的输入端和输出端相连的器件均通过所述隔离材料固定焊接。

5、根据权利要求4所述的一种交流电流电压转换器，其特征在于所述隔离材料为聚四氟乙烯。

6、根据权利要求3所述的一种交流电流电压转换器，其特征在于所述标准电容外壳制成屏蔽体，并通过同轴电缆与运算放大器连接。

7、根据权利要求3所述的一种交流电流电压转换器，其特征在于所述反馈电阻为精密金属膜电阻。

8、采用权利要求1至7之一所述的交流电流电压转换器的一种测量交流小电流的装置，其特征在于包括输入被检小电流的所述交流电流电压转换器和与交流电流电压转换器相连的交流数字电压表，所述运算放大器的输出连接交流数字电压表，所述交流数字电压表测量交流电流电压转换器输出的交流电压。

9、根据权利要求8所述的测量交流小电流的装置，其特征在于所述交流数字电压表通过IEEE488接口连接计算机，所述计算机通过被检小电流与交流电压之间的电流电压转换的传递关系计算并显示出被检小电流值。

10、采用权利要求1至7之一所述的交流电流电压转换器的一种测量交流小电流的方法，其特征在于包括如下步骤：

A、被检小电流通过所述交流电流电压转换器转换成交流电压；

B、将交流电流电压转换器中的运算放大器的输出连接交流数字电压表，并通过交流数字电压表测量步骤A转换成的交流电压；

C、交流数字电压表通过IEEE488接口连接计算机，所述计算机通过被检小电流与交流电压之间的电流电压转换的传递关系计算并显示出被检小电流值。

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