CN105842521B - 充电式便携低采样压降的μA微电流监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及充电式便携低采样压降的μA微电流监测系统，本系统采用低采样压降、低功耗设计，运算放大器是低偏置电流，低噪声精密斩波型放大器，以μA级微电流I/V转换电路为核心，通过多种抗干扰保护电路。采用单节锂电池作为电能的存储和供应单元，能够通过充电开关选择USB充电，通过供电选择开关选择系统供电，系统供电来源于USB配合锂电池，完成μA微电流的监测。本发明可作为便携式测量仪器使用，可以在室内或室外以及其他需要监测的地方，在室内外均可有锂电池供电，也可以由USB供电。本发明监测仪尺寸仅为手掌大小，重量轻、方便携带、监测精度高、价格便宜和测试方便，按要求插上待监测微电流可以测试出对应的转换电压值。
Description
技术领域
本发明涉及微电流监测领域，特别是涉及充电式便携微电流监测系统。
背景技术
随着低功耗的迅猛发展，微控制器控制系统的器件电压越来越低，3.3V、2.5V、1.2V和1V，大多数低功耗器件待机状态下电流都为μA级，而一般高档的4位半或45/6位万用表在μA档最低也会产生0.1mV/μA的压降，且体积庞大，价格昂贵。例如当系统中通信模块工作消耗16mA电流时，由电流采样电阻带来的电压损失就有1.6V，使通信模块的供电电压下降到3.3-1.6＝1.7V而不能正常工作。若供电电压更低，影响会更大。常规的μA监测仪体积大，电源不可充电，价格昂贵，不便于可移动监测，在一些特定位置无法进行测量。因此，测量低压降的μA级微电流的技术具有重要意义。
为此，本发明完成了一种充电式便携μA级微弱直流电流的高精度检测。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的μA级监测仪压降大，体积大，功耗大，布线复杂度高，价格高且不可充电而造成的使用不便，为此本发明实现的电流测量工具，其μA档采样电阻为高精度低阻值，在测量电流时产生的压降很低，完全能保证器件的正常工作。本发明监测仪尺寸仅为手掌大小，充电式便携，按要求插上待监测微电流可以测试出对应的转换电压值。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
充电式便携低采样压降的μA微电流监测系统，该系统基于相应监测设备实现的，该监测设备包括设备外壳体和电路板，电路板上包括电源开关、USB充电接口、锂电池、I/V转换电路、供电选择开关。电路板固定在设备外壳体内。设备外壳体为一规则金属小长方体；设备外壳体内部上方的电路板前板面的中间固定I/V转换电路；外壳体内部上方的电路板左侧设有电源开关、USB充电接口开关、供电选择开关；外壳体内部上方的电路板右侧固定微电流监测外接线端子；外壳体内部下方的电路板设有锂电池接口、锂电池固定装置。
充电式便携低采样压降的μA微电流监测系统，该监测终端包括四大部分：I/V转换电路部分、电源管理部分、保护部分和接口电路部分；I/V转换电路部分由I/V转换运算放大器和电压发生器电路组成；电源管理部分由充电管理电路、供电管理电路和电池电压监测电路组成；保护部分由大面积地电路和BNC插头屏蔽线组成。
电源管理部分与I/V转换电路相连接，电流输入端与电压发生器相连接，电压发生器与I/V转换电路相连接，I/V转换电路与接口电路相连接，接口电路与BNC插头相连接。充电管理电路与电池相连接，电池与供电电路相连接，电池电压监测电路与供电电路相连接。
本系统采用单节锂电池作为电能的存储和供应单元，以I/V转换电路为核心，能够通过充电开关选择充电方式为USB充电，通过供电选择开关选择系统供电，系统供电来源于USB配合锂电池。本发明将单节锂电池输出或者外部充电部分的输出与电源供应电路相连，目的是为I/V转换电路、I/V转换运算放大器以及其他各个电路部分提供可用的高品质供电，满足了供电要求。
实现整个系统功能的各单元模块分别为：I/V转换电路单元、充电单元、供电单元、电压发生器单元、保护单元和接口单元；其中充电单元与供电单元相连接，供电单元与各个电路部分相连接，电压发生器单元与I/V转换电路相连接，I/V转换电路的输出与输出接口电路相连接，方便调试。接线端子都采用高性能绝缘线与内部电路相连，采用高性能插头屏蔽线与外部测量电路相连。
下面对各部分模块单元进行具体说明。
I/V转换电路单元包括I/V转换运算放大器、反馈回路单元。反馈回路分别与I/V转换运算放大器的反相输入端和输出端相连接。
充电单元包括USB充电控制电路、电池和电压指示电路。USB充电控制电路分别与电池和电压指示电路相连接。
供电单元包括稳压电路、+/-2.5V分压电路和电池电量指示电路。
电池与稳压电路相连接，电压电量指示电路与供电电路相连接。+/-2.5V分压电路与供电电路相连接。
输入单元包括μA微电流输入端、I/V转换运算放大器输入端、反馈电阻连接的输入端。μA微电流输入端与电压发生器相连接，电压发生器与I/V转换运算放大器的同相输入端相连接。反馈电阻与I/V转换运算放大器的反相输入端相连接。
保护单元包括大面积地和抗干扰的绝缘线。
接口单元包括输入输出接线端子，抗干扰的外绝缘接线柱、内部采用高绝缘性能的绝缘导线引出和高绝缘性能抗干扰的测试线。输入输出端与BNC接线端子相连接。
与现有技术相比本发明可以获得以下有益效果。
本发明与目前各类μA微电流监测系统相比，采样压降低，精度高，可设置USB接口对内置锂电池进行充电。本发明的电路部分均采用低功耗低偏置电流、高绝缘抗干扰设计，整个系统在很低的功耗下运行，既节省电池电量的使用，使得设备在单纯电池供电的情况下可以长时间工作。又可以减小热噪声干扰。本发明能够实现微电流μA精确监测。本发明可以作为便携式设备，放置在室内或者室外以及其他需要监测的地方，在室内可以连接USB充电配合锂电池使用，锂电池供电使用。本发明可作为微电流μA监测终端、可配合普通万用表使用，具有体积小，重量轻，方便携带和测量，低功耗的特点。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为本发明的电路板的电路原理图；
图3.1为本发明的电路板的USB充电电路原理图；
图3.2为本发明的电路板的电源电路原理图；
图4为本发明的电路板结构框图。
图中：1、电压发生器电路，2、I/V转换电路，3、USB充电电路，4、电池电量监测电路，5、电源供电稳压电路，6、+/-2.5V分压电路。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的结构原理图，本发明所用I/V转换电路的I/V转换运算放大器是低偏置电流，低噪声精密斩波型放大器。本发明按照放大电路的计算方法，设计相应电路原理图，绘制印刷电路板。本发明设置到μA档，输入接到电流测量接线端子上，输出接到万用表的电压输入上，显示电压数值与测量电流数值的关系为1μA/mV。本系统包括大面积地电路和抗干扰的绝缘线。大面积地电路保护I/V转换电路不受干扰；接线端子和测试线采用高绝缘和抗干扰的绝缘线，改善电路抗干扰能力。
图2为本发明的电路板的电路原理图。电路板的电路包括电压发生器电路1、I/V转换电路2。整个结构的框图如图4所示。
电压发生器电路1与I/V转换电路2的I/V转换运算放大器同相输入端相连，从而为整个电路提供测试信号。μA微电流通过高精度低值测试电阻，产生很低的测试电压降，再通过I/V转换电路进行放大。
I/V转换电路2通过高精度I/V转换运算放大器，偏置电流很小和极低的超调电压，确保I/V转换的精度。μA级微电流经过J1、J2接线端子输入，电压发生器将其转换成的低电压信号进入运放大器的同相端，借助运放的放大作用，使得1μA对应输出1mV电压，通过J3、J4接线端子输出。J1、J2、J3和J4接线端子采用内部高绝缘的导线，以保证高抗干扰性能。与接线端子相连的测试导线也采用高绝缘性能的导线，以防止外在环境的干扰。
图3.1-3.2为本发明的电源电路原理图包括USB充电电路3、电池电量监测电路4、电源供电稳压电路5、+/-2.5V分压电路6。其中USB充电电路3一端与USB接口相连，一端和充电选择开关相连，选用低功耗芯片，参考芯片数据手册，调节可编程端口的电阻，匹配合适的电容，使其能够为单节锂电池充电。电池电量指示电路4的运放同相输入端与阻值不等的R1和R2连接点相连接，反相输入端与等量阻值的R3和R4的连接点相连接，由Q1控制两个红绿发光二极管指示电池电量。电源供电稳压电路5与+/-2.5V分压电路6相连接。稳压电路选择了低功耗高精度稳压芯片。+/-2.5V分压电路6中R3、R4电阻相等，将5V电压平分，与运放跟随器相连接确定了接地的位置在R3和R4的连接点，从而为系统提供稳定的+/-2.5V电源。供电稳压电路能够通过开关选择两种供电模式，模式一：USB充电配合锂电池工作，模式二：锂电池单独工作。
当电路处于模式一时，拨动充电选择开关S1选择USB输入端并且拨动供电选择开关S2选择USB充电与锂电池端，如果USB充电可以提供正常工作电压，即供电部分经锂电池连接，由USB充电电路为系统供电，从而减少电池电量的损耗。当USB充电电路不能提供正常工作电压，选用模式二，拨动开关S2即供电部分与锂电池连接，由锂电池为系统供电；
电池电量LED显示电路4中采用一个n沟道增强模式场效应晶体管，相当于一个开关，当电量足够时，开关管自动导通，下面的灯LED2亮，当电量不足时，开关管不工作，上面的LED1灯亮；
其他接口电路包括USB接口、电源接口和测试接口，方便以后的测试和系统维护。USB接口和电源接口采用电容滤波，确保稳定的电压。测量接口采用BNC插头屏蔽线，其中输入、出端J1、J2、J3和J4接在输出的BNC插头上，另一端将屏蔽线外层剥开，中间的芯已留出接头，可接在测试表的正极，屏蔽层已留出接头可接在测速表的负极，即接地。测量后的结果证明是用屏蔽线的方法是可行的，数值十分平稳精确。
Claims (9)
1.充电式便携低采样压降的μA微电流监测系统，该系统基于相应监测设备实现的，该监测设备包括设备外壳体和电路板，电路板上包括电源开关、USB充电接口、锂电池、I/V转换电路、供电选择开关；电路板固定在设备外壳体内；设备外壳体为一规则金属小长方体；设备外壳体内部上方的电路板前板面的中间固定I/V转换电路；外壳体内部上方的电路板左侧设有电源开关、USB充电接口开关、供电选择开关；外壳体内部上方的电路板右侧固定微电流监测外接线端子；外壳体内部下方的电路板设有锂电池接口、锂电池固定装置；
其特征在于：该监测系统包括四大部分：I/V转换电路部分、电源管理部分、保护部分和接口电路部分；I/V转换电路部分由I/V转换运算放大器电路和电压发生器电路组成；电源管理部分由充电管理电路、供电管理电路和电池电压监测电路组成；保护部分由大面积地电路和BNC插头屏蔽线组成；
电源管理部分与I/V转换电路相连接，电流输入端与I/V转换运算放大器电路相连接，电压发生器电路与I/V转换运算放大器电路相连接，I/V转换电路与接口电路相连接，接口电路与BNC插头相连接；充电管理电路与电池相连接，电池与供电电路相连接，电池电压监测电路与供电电路相连接；
本系统采用单节锂电池作为电能的存储和供应单元，以I/V转换电路为核心，能够通过充电开关选择充电方式为USB充电，通过供电选择开关选择系统供电，系统供电来源于USB配合锂电池；本系统将单节锂电池输出或者外部充电部分的输出与电源供应电路相连，目的是为I/V转换运算放大器、电压发生器电路以及其他各个电路部分提供可用的高品质供电，满足了供电要求；
实现整个系统功能的各单元模块分别为：I/V转换运算放大器电路、充电单元、供电单元、电压发生器电路、保护单元和接口单元；其中充电单元与供电单元相连接，供电单元与各个电路部分相连接，电压发生器电路与I/V转换运算放大器电路相连接，I/V转换运算放大器电路的输出与输出接口电路相连接，方便调试；接线端子都采用高性能绝缘线与内部电路相连，采用高性能插头屏蔽线与外部测量电路相连。
2.根据权利要求1所述的充电式便携低采样压降的μA微电流监测系统，其特征在于：I/V转换运算放大器电路包括I/V转换运算放大器、反馈回路单元；反馈回路单元分别与I/V转换运算放大器的反相输入端和输出端相连接。
3.根据权利要求1所述的充电式便携低采样压降的μA微电流监测系统，其特征在于：充电单元包括USB充电控制电路、电池和电压指示电路；USB充电控制电路分别与电池和电压指示电路相连接。
4.根据权利要求1所述的充电式便携低采样压降的μA微电流监测系统，其特征在于：供电单元包括稳压电路、+/-2.5V分压电路和电池电量指示电路；
电池与稳压电路相连接，电池电量指示电路与供电电路相连接；+/-2.5V分压电路与供电电路相连接。
5.根据权利要求1所述的充电式便携低采样压降的μA微电流监测系统，其特征在于：监测系统还包括输入单元，输入单元包括μA微电流输入端、I/V转换运算放大器输入端、反馈电阻连接的输入端；μA微电流输入端与电压发生器相连接，电压发生器与I/V转换运算放大器的同相输入端相连接；反馈电阻与I/V转换运算放大器的反相输入端相连接。
6.根据权利要求1所述的充电式便携低采样压降的μA微电流监测系统，其特征在于：保护单元包括大面积地和抗干扰的绝缘线。
7.根据权利要求1所述的充电式便携低采样压降的μA微电流监测系统，其特征在于：接口单元包括输入输出接线端子，抗干扰的外绝缘接线柱、内部采用高绝缘性能的绝缘导线引出和高绝缘性能抗干扰的测试线；输入输出端与BNC接线端子相连接。
8.根据权利要求1所述的充电式便携低采样压降的μA微电流监测系统，其特征在于：本系统所用I/V转换电路的I/V转换运算放大器是低偏置电流，低噪声精密斩波型放大器；本系统按照放大电路的计算方法，设计相应电路原理图，绘制印刷电路板；本系统设置到μA档，输入接到电流测量接线端子上，输出接到万用表的电压输入上，显示电压数值与测量电流数值的关系为1μA/mV；本系统包括大面积地电路和抗干扰的绝缘线；大面积地电路保护I/V转换电路不受干扰；接线端子和测试线采用高绝缘和抗干扰的绝缘线，改善电路抗干扰能力。
9.根据权利要求1所述的充电式便携低采样压降的μA微电流监测系统，其特征在于：电路板的电路包括电压发生器电路(1)、I/V转换运算放大器电路(2)；
电压发生器电路(1)与I/V转换运算放大器电路(2)的I/V转换运算放大器同相输入端相连，从而为整个电路提供测试信号；μA微电流通过高精度低值测试电阻，产生很低的测试电压降，再通过I/V转换电路进行放大；
I/V转换运算放大器电路(2)通过高精度I/V转换运算放大器，偏置电流很小和极低的超调电压，确保I/V转换的精度；μA级微电流经过J1、J2接线端子输入，电压发生器将其转换成的低电压信号进入运放大器的同相端，借助运放的放大作用，使得1μA对应输出1mV电压，通过J3、J4接线端子输出；J1、J2、J3和J4接线端子采用内部高绝缘的导线，以保证高抗干扰性能；与接线端子相连的测试导线也采用高绝缘性能的导线，以防止外在环境的干扰；
电源电路包括USB充电电路(3)、电池电量监测电路(4)、电源供电稳压电路(5)、+/-2.5V分压电路(6)；其中USB充电电路(3)一端与USB接口相连，一端和充电选择开关相连，选用低功耗芯片，参考芯片数据手册，调节可编程端口的电阻，匹配合适的电容，使其能够为单节锂电池充电；电池电量指示电路(4)的运放同相输入端与阻值不等的R1和R2连接点相连接，反相输入端与等量阻值的R3和R4的连接点相连接，由Q1控制两个红绿发光二极管指示电池电量；电源供电稳压电路(5)与+/-2.5V分压电路(6)相连接；稳压电路选择了低功耗高精度稳压芯片；+/-2.5V分压电路(6)中R3、R4电阻相等，将5V电压平分，与运放跟随器相连接确定了接地的位置在R3和R4的连接点，从而为系统提供稳定的+/-2.5V电源；供电稳压电路能够通过开关选择两种供电模式，模式一：USB充电配合锂电池工作，模式二：锂电池单独工作；
当电路处于模式一时，拨动充电选择开关S1选择USB输入端并且拨动供电选择开关S2选择USB充电与锂电池端，如果USB充电可以提供正常工作电压，即供电部分经锂电池连接，由USB充电电路为系统供电，从而减少电池电量的损耗；当USB充电电路不能提供正常工作电压，选用模式二，拨动开关S2即供电部分与锂电池连接，由锂电池为系统供电；
电池电量LED显示电路(4)中采用一个n沟道增强模式场效应晶体管，相当于一个开关，当电量足够时，开关管自动导通，下面的灯LED2亮，当电量不足时，开关管不工作，上面的LED1灯亮；
其他接口电路包括USB接口、电源接口和测试接口，方便以后的测试和系统维护；USB接口和电源接口采用电容滤波，确保稳定的电压；测量接口采用BNC插头屏蔽线，其中输入、出端J1、J2、J3和J4接在输出的BNC插头上，另一端将屏蔽线外层剥开，中间的芯已留出接头，能够接在测试表的正极，屏蔽层已留出接头可接在测速表的负极，即接地；测量后的结果证明是用屏蔽线的方法是可行的，数值十分平稳精确。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190412 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |