CN101438174B - 用于电流探头的输入旁路电路 - Google Patents

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Abstract

用于电流探头的输入旁路电路包括在电流探头输入(94，96)和电流感测电路(98)输入之间耦合的第一(102)和第二(104)开关。开关控制(100)耦合到切换电路，用于使电流探头输入与电流感测电路选择性地耦合和解耦以便电流信号在被测装置中连续流动。

Description

用于电流探头的输入旁路电路
技术领域
本发明一般涉及电流探头并且更具体而言涉及用于电流探头的输入旁路电路。
背景技术
连同示波器一起使用的电流探头应用了变压器技术以测量在导体中流动的电流。图1例示了用于测量下至DC的电流信号的电流探头10，该电流探头10具有带限定了孔径16的环形磁芯14的变压器12。优选地，环形磁芯14是磁芯的一侧相对于另侧可移动的分芯(split core)设计。这允许在不需要使载流导体18与电路断开的情况下使载流导体18穿过变压器12的孔径16。载流导体18穿过磁芯14中的孔径16并且作为变压器12的初级绕组。次级绕组20环绕磁芯14的一侧。为了允许电流探头10感测DC和低频电流信号，将霍尔(Hall)效应装置22置于磁芯14中以便磁芯中的磁通量基本上与霍尔效应装置22垂直。将偏压源24施加到霍尔装置22并且由磁芯14中的通量引起的霍尔效应产生的结果电压被耦合到差分放大器26的输入。将差分放大器26的单端输出通过开关28耦合到功率放大器30。还将开关28耦合以接收被选择性地施加到变压器12的消磁信号。功率放大器30产生与霍尔效应装置22产生的电压成比例的电流输出。将功率放大器30耦合到次级绕组20的一侧，将绕组的另侧耦合到变压器端接电阻器32和电压放大器34。
在载流导体18中流动的电流感生链接到磁芯14和次级绕组20的磁通量。由DC到低频电流信号引起的磁通量在磁芯14中被耦合到霍尔效应装置22。霍尔效应装置22产生耦合到差分放大器26的输入的差分电压。差分放大器26的输出通过开关28耦合到功率放大器30。功率放大器30产生耦合到变压器12的次级绕组20的电流输出。功率放大器施加的电流处在使由载流导体18中的DC到低频电流信号引起的磁芯14中通量趋零(null)的方向。更高频率电流信号感生次级绕组中的电流，该电流产生与由在载流导体18中流动的电流产生的磁通量相反的磁通量。通过将电压输入提供给放大器34的变压器端接电阻32对DC到低频电流信号的功率放大器30产生的电流和以更高电流频率信号感生进入次级绕组20的电流求和。放大器34的电压输出是对磁芯通量的AC和DC分量的测量。美国专利3,525,041、5,477,135和5,493,211描述了以上电流探头10的概念。
对于用户来说为了使上述电流探头消磁，需要将载流导体18从电流探头10去除，否则消磁信号将感生进入载流导体18的可损坏被测装置中电路的电流。此外，如果使变压器12的磁芯14饱和的足够高电流在载流导体18中流动，用户需要从电流探头10上除去载流导体18。
在电流探头中所需要的是一种电路，当对电流探头消磁时或者当存在使变压器的磁芯饱和的电流时该电路允许用户使电流探头保持附着在载流导体上。此外，电流探头电路应当允许用户能够在不从载流导体除去电流探头的情况下设置电流探头的偏置(offset)电压。
发明内容
因此，采用电流探头的输入旁路电路来满足以上需要。电流探头具有耦合到电流感测电路用于从被测装置接收电流信号的输入，其中输入旁路电路具有在电流探头输入和电流感测电路之间耦合的切换电路。开关控制耦合到切换电路，用于使电流探头输入与电流感测电路选择性地耦合和解耦以便电流信号在被测装置中连续流动。
第一和第二开关中的每一个具有耦合到电流探头输入之一的公共端、耦合到电流感测电路的第一端和耦合到其他电流探头输入的第二端。当第一和第二开关的公共开关端被耦合到第一和第二开关的第一端时第一和第二开关将电流信号耦合到电流感测电路。当第一和第二开关的公共开关端被耦合到第一和第二开关的第二端时第一和第二开关在电流探头输入之间耦合电流信号。
可以用磁闩继电器(magnetic-latch relay)或机械开关来实现输入旁路电路的第一和第二开关。当开关是磁闩继电器时，开关控制具有产生信号给控制器的至少第一激活开关，以便启动耦合到串行到并行I/O扩展器的产生命令信号的产生。该串行到并行I/O扩展器产生并行输出数据以便使电流探头输入与电流感测电路选择性地耦合和解耦，其中命令信号之一使第一和第二开关之一相对于另一个延迟。开关控制还可具有产生信号给控制器的第二激活开关，用于启动耦合到串行到并行I/O扩展器的命令信号的产生。该串行到并行I/O扩展器产生并行输出数据，用于使得电流探头输入与电流感测电路选择性地解耦，其中命令信号之一使第一和第二开关之一相对于另一个延迟并且另一命令信号将消磁信号耦合到电流感测电路。
当第一和第二开关是机械开关时，开关控制是机械地耦合到第一机械开关的第一致动器(actuator)和耦合到第二机械开关的第二致动器，其中第一致动器和第二致动器使第一和第二开关将电流探头输入与电流感测电路选择性地耦合和解耦，其中使第一和第二开关之一的切换相对于另一个延迟。
当连同所附权利要求书和所附附图一起来阅读时，从以下详细描述中，本发明的目的、优点和新的特征是明显的。
附图说明
图1是采用将载流导体用作初级变压器绕组的电流探头的示意性表示。
图2是采用了依据本发明的输入旁路电路的电流探头的透视图。
图3是例示依据本发明的输入旁路电路的第一实施例的示意性表示。
图4是例示依据本发明的输入旁路电路的进一步实施例的示意性表示。
具体实施方式
图2是用于连同示波器42一起使用的电流探头40的透视图，该电流探头40具有用于将电流信号从载流导体44选择性地耦合到电流探头40中的电流感测电路的输入旁路电路。电流探头40具有探头体46、可附着适配器48、控制盒50和将探头体46耦合到控制盒50的导电电缆52。适配器48具有外壳54，导电引线56和58延伸自外壳54。在电流探头适配器48的导电引线56和58上提供各种类型的电触点60、62。电触点适于跨形成在例如电路板66上的电路迹线等等的载流导体44中的不导电间隙64电耦合。在一实例中，电触点60和62是用于使安装在载流导体44上的方形引脚(pin)68在不导电间隙64的任一侧上接合的导电插座(socket)。当电流探头适配器48没有耦合到载流导体44时，将电跳线(jumper)70定位于方形引脚68中以便跨不导电间隙64耦合电流信号。在另一实例中，电触点是触点垫(pad)，该触点垫在不导电间隙64的任一侧上被电耦合到形成于载流导体44上的触点垫72。将可去除的导电箔74固定到触点垫72以便跨不导电间隙64耦合电流信号。当将适配器48的导电引线56和58耦合到载流导体44时，将导电箔72从载流导体44上去除。
导电电缆52具有各种电气线路，该各种电气线路用于将输出信号从置于探头体46中的电流感测电路耦合到控制盒50并且将电力和通信信号耦合到电流感测电路和置于电流探头体46中的输入旁路电路。将电流探头控制盒50耦合到示波器42的多个输入信号信道76之一。每个输入信号信道76具有插座接口78，其中每个接口具有导电触点和同轴信号插孔。电流探头控制盒50具有与插座接口78匹配的插头(plug)接口80并且具有电触点和与插座接口78中的相应电触点和同轴信号插孔(jack)接口的同轴信号插孔。接口78和80将电功率提供给电流探头40并在电流探头40和示波器42之间提供通信。接口78和80还提供在电流探头40和示波器42之间的信号通路。示波器42具有例如液晶显示器、阴极射线管等等的显示装置82、按钮和用于控制示波器42功能的旋钮84。
参见图3，示出了在实现了输入旁路电路90的电流探头体46中的电路的代表性原理图。输入旁路电路90具有在电流探头输入94及96和电流感测电路98之间耦合的切换电路92。将电流探头输入94和96通过适配器48中的导电引线56和58耦合到载流导体44。将开关控制电路100耦合到切换电路92以便在不中断在载流导体44中流动的电流的情况下提供切换信号，用于将电流探头输入94和96与电流感测电路98耦合和解耦。
切换电路具有第一和第二开关102和104，其中每个开关102和104具有耦合到电流探头输入94、96之一的端106、108。每个开关102和104具有耦合到电流感测电路98的第一输入114的第二端110、112。每个开关102和104具有耦合到电流探头输入94、96中的另一个和感测电路98的第二输入120的第三端116、118。每个开关102和104具有电枢(armature)122、124，该电枢122、124将第一开关端106、108选择性地耦合到第二和第三开关端110、112、116、118中的一个或另一个。
在优选实施例中，第一和第二开关102和104是从开关控制电路100接收激活(activation)信号的磁闩继电器。从串行到并行I/O???扩展器通过缓冲器130、132、134和136来耦合激活信号。串行到并行I/O扩展器通过置于导电电缆52中的例如I2C总线、SPI总线等等的串行总线140来接收串行数据和时钟信号。通过置于电流探头控制盒50中的控制器142产生串行数据和时钟。控制盒50具有安装在其上并且电耦合到信号线路148和150的按钮接触开关144和146，该信号线路148和150耦合到在控制器142上的输入。控制器142具有用于与示波器42通信的进一步的串行总线152。
将电流感测电路的输入114和120耦合到环绕变压器164的磁芯162的初级绕组160的相对端。变压器164具有环绕磁芯162的次级绕组166，其中将次级绕组166的一端耦合到接地(ElectricalGrounding)并且将另端耦合到跨阻放大器168的反相输入。磁芯162具有置于其中的与磁芯120中的通量线路基本垂直的霍尔效应装置170。霍尔效应装置170具有在偏压源172和地之间耦合的第一对端和连接到差分放大器174的输入的第二对端。将差分放大器174的单端输出通过消磁开关176耦合到跨阻放大器168的非反相输入。消磁开关176具有耦合到差分放大器174的输出的第一端178、耦合到跨阻放大器168的非反相输入的第二端180和经耦合以接收消磁信号的第三端182。电枢184将差分放大器174的输出或消磁信号选择性地耦合到跨阻放大器168的非反相输入。跨阻放大器168的反相输入和输出通过具有跨阻电阻器188的电流信号通路186耦合在一起。还可以通过偏置电压(offset voltage)线路190将偏置控制信号施加到差分放大器174。
流经载流导体44的电流有时可能超过使变压器164的磁芯162饱和的电流探头40的电流额定值。如果用户知道这种情况何时可能发生，可以激活切换电路92以便使变压器164的初级绕组160与输入94和96解耦和旁路。为此，按钮接触开关144和146之一被指定并被用户按下。将开关144、146耦合到启动了控制器142的逻辑低信号的接地。可选地，可以将开关144、146耦合到启动了控制器142的逻辑高信号的电压源。在当前实例中，按下产生控制器142的逻辑低的开关144。在优选实施例中，逻辑信号使得控制器142产生表示开关142被按下的串行信号，将该串行信号通过串行总线152耦合到示波器12。示波器12产生串行数据命令返回给控制器142以激活切换电路92。示波器12可使得表示输入旁路电路90被激活的图标产生在示波器显示器82上。控制器142产生通过串行总线140耦合到I/O扩展器138的串行数据命令。I/O扩展器138将串行数据命令转换成被施加到在I/O扩展器138上的输出引脚的并行数据。并行数据包括使得开关102和104的电枢122和124改变位置的高和低逻辑电平。在图3的附图中，定位电枢122和124以便将电流信号从载流导体44耦合到变压器162的初级绕组160。控制器142产生第一串行数据命令，该第一串行数据命令产生源自I/O扩展器138的并行输出信号，该并行输出信号具有跨例如开关102的开关102、104的继电器之一的逻辑高和逻辑低的一个。这使得电枢122从触点110切换到触点116并且使跨初级绕组160的电流信号短路。控制器142产生第二串行数据命令，该第二串行数据命令产生源自I/O扩展器138的并行输出信号，该并行输出信号具有跨其他开关104的逻辑高和逻辑低。这使得电枢124从触点112切换到触点118并且使初级绕组160与输入94和96解耦。在优选实施例中，在源自控制器142的第一和第二串行数据命令之间存在延迟以确保在初级绕组160与输入94和96解耦之前使在输入94和96之间的电流信号短路。这确保不存在在载流导体44中流动的电流信号的中断。可选地，开关142产生的逻辑低信号可以被将串行数据命令产生给I/O扩展器138的控制器142直接解释。控制器142还可将串行数据命令产生给示波器42以便在示波器显示器82上产生表示输入旁路电路90被激活的图标。
当对电流探头40消磁时，将渐弱信号施加到变压器164的次级绕组166。消磁信号感生在载流导体44上耦合的初级绕组160中的电流。信号可能引起耦合到载流导体44的电路的损坏。此外，如果载流导体44将电流信号耦合到变压器164的初级绕组160，作为消磁过程的结果，可能产生不正确的DC偏置。由于这个原因，在电流探头40的消磁期间，不应将电流探头电耦合到载流导体44。在现有技术的电流探头中，从变压器移除作为变压器164的初级绕组的载流导体。当前描述的电流探头40不将载流导体44用作初级绕组而是具有电耦合到载流导体44的单独的初级绕组160。切换电路92允许电流探头40在对探头40消磁期间继续耦合到载流导体44。
按钮接触开关144和146中的另一个被指定用于对探头消磁并被用户按下。开关144、146启动控制器142的逻辑信号。逻辑信号被控制器142解释为消磁命令，该控制器142产生通过串行总线140耦合到I/O扩展器138的串行数据命令。I/O扩展器138将串行数据命令转换成被施加到在I/O扩展器138上的输出引脚的并行数据。如先前所描述的，并行数据包括使得开关102和104的电枢122和124改变位置的高和低逻辑电平。发送进一步的串行数据命令，该串行数据命令产生由I/O扩展器138产生的耦合到消磁开关176的逻辑高。消磁开关通过将消磁信号耦合到跨阻放大器168的非反相输入来响应逻辑高信号。跨阻放大器通过在跨阻放大器168的输出上产生消磁电压信号来响应。电压输出使得渐弱电流信号通过电流信号通路186被产生。将渐弱电流信号耦合到变压器164的次级绕组166以对变压器164消磁。控制器142还可将串行数据命令产生给示波器42以便在示波器显示器82上产生表示电流探头40被消磁的图标。在电流探头40被消磁之后，控制器142发布进一步的一组串行数据命令，该命令使得开关102、104和176去激以便将输入94和96重新耦合到电流感测电路98并且将差分放大器174的输出耦合到跨阻放大器168的非反相输入。
参见图4，示出了输入旁路电路90的进一步实施例。与图3相同的元件在图4中被相同标记。用机械开关200和202代替在先前实施例中用于第一和第二开关102和104的磁闩继电器。在一实施例中，机械开关200和202是单刀双掷开关。机械开关200和202具有用与开关102和104相同的方式耦合的各自的端106、110、116和108、112、118。将开关200的电枢122机械地耦合到从探头体46延伸出来的致动器204。将开关202的电枢124机械地耦合到从探头体46延伸出来的致动器206。致动器204和206可以是滑动致动器、按钮致动器或可旋转致动器，其中致动器204和206绑定在一起以便操作致动器引起电枢122并且随后其他电枢124之一的切换。致动器204和206当作在当前实现中的开关控制100。采用机械开关的输入旁路电路90用与图3的输入旁路电路90类似的方式运行。电枢122和124被所示定位以将电流探头输入94和96耦合到电流感测电路98。移动开关200的致动器204使得电枢122从触点110切换到触点116并且使电流探头输入94和96短路在一起。移动开关202的致动器206使得电枢124从触点112切换到触点118并且使电流感测电路90与输入94和96解耦。机械地配置致动器204和206以便提供在电枢122和124的切换之间的延迟。
在另一实施例中，机械开关200和202是双刀双掷开关。开关200具有第二组端208、210和212，其中端208耦合到地，端210保持断开并且端212通过被安装到探头体46的发光二极管214耦合到电压源。电枢216将端208选择性地耦合到端210和212并且被致动器204激活。开关202具有第二组端218、222和224，其中端218耦合到信号线路220，端222耦合到地并且端224耦合到电压源。电枢226将端218选择性地耦合到端222和224并且被致动器206激活。
双刀双掷开关200和202的使用允许用于表示何时输入旁路电路90是激活的(active)的电路的使用。在一实例中，致动器216接通使发光二极管激活的电路以给出输入旁路电路90是激活的表示。在其他实例中，致动器226将激活的高逻辑电平耦合到耦合到控制器142的信号线路220。控制器142发出串行数据命令信号通过串行总线152给示波器42，该串行数据命令信号使得示波器在显示装置82上产生旁路电路是激活的表示。总之，按实现方案表示配置中的一个或其他。
对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明基本原理的情况下明显可以对本发明的上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书确定。

Claims (7)

1.在具有耦合到电流感测电路用于从被测装置接收电流信号的输入的电流探头中，一种输入旁路电路，包括：
在电流探头输入和电流感测电路之间耦合的切换电路；以及
耦合到切换电路的开关控制，用于使电流探头输入与电流感测电路选择性地耦合和解耦以便电流信号在被测装置中连续流动。
2.如权利要求1所述的输入旁路电路，其中切换电路包括耦合到电流探头的电流探头输入之一的第一和第二开关，其中第一和第二开关中的每一个具有耦合到一电流探头输入的公共开关端、耦合到电流感测电路的第一端和耦合到其他电流探头输入的第二端以便当第一和第二开关的公共开关端被耦合到第一和第二开关的第一端时第一和第二开关将电流信号耦合到电流感测电路，并且当第一和第二开关的公共开关端被耦合到第一和第二开关的第二端时第一和第二开关在电流探头输入之间耦合电流信号。
3.如权利要求2所述的输入旁路电路，其中第一和第二开关是继电器。
4.如权利要求3所述的输入旁路电路，其中开关控制包括至少第一激活开关，用于发出信号以便使得第一和第二开关将电流探头输入与电流感测电路选择性地耦合和解耦，其中第一和第二开关之一的切换相对于另一个被延迟。
5.如权利要求4所述的输入旁路电路，其中开关控制包括产生信号给控制器的至少第一激活开关，用于启动耦合到串行到并行I/O扩展器的命令信号的产生，该串行到并行I/O扩展器产生并行输出数据以便使得电流探头输入与电流感测电路选择性地耦合和解耦，其中命令信号之一使第一和第二开关之一相对于另一个延迟。
6.如权利要求3所述的输入旁路电路，其中开关控制包括产生信号给控制器的第二激活开关，用于启动耦合到串行到并行I/0扩展器的命令信号的产生，该串行到并行I/O扩展器产生并行输出数据以便使得电流探头输入与电流感测电路选择性地解耦，其中命令信号之一使第一和第二开关之一相对于另一个延迟并且另一命令信号将消磁信号耦合到电流感测电路。
7.如权利要求2所述的输入旁路电路，其中第一和第二开关是机械开关并且开关控制是机械地耦合到第一机械开关的第一致动器和机械地耦合到第二机械开关的第二致动器。
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