CN108333416B - 一种精密测量高频微电流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电流检测技术领域，特别涉及一种精密测量高频微电流的装置，包括PCB板及集成在PCB板上的取样电阻，还包括一长方体金属盒，所述PCB板固定在长方体金属盒上，一根三同轴电缆的前端分别连接被测电流输出正端和被测电流输出负端；位于长方体金属盒内的三同轴电缆内芯和外编织导线分别连接取样电阻，一运算放大器A1的同相和反相输入端与取样电阻的另外两个引脚相连；运算放大器A2的同相输入端与取样电阻的一引脚连接，运算放大器A2的输出引脚通过铜导线分别连接到长方体金属盒上和三同轴电缆的内编织导线上。本发明大大减小了耦合电容对测量结果的影响，达到了精密测量高频微电流的目的。

Description

一种精密测量高频微电流的装置

技术领域

本发明属于电流检测技术领域，特别涉及一种精密测量高频微电流的装置。

背景技术

对于不同的电流大小及其频率范围，常有与其相适应的测量方法。目前针对高频微电流的测量，一般使用取样电阻法，即一种让被测电流流过取样电阻，通过测量取样电阻端电压值来精确获取被测电流值的方法。为提高测量精度，取样电阻通常采用四线电阻。但采用取样电阻法测量高频微电流时，被测电流信号不可避免地要通过导线连接到取样电阻，导线一般为同轴电缆，而连接取样电阻的两端导线之间存在一个耦合电容，测量敏感端所在印刷电路板（PCB板）也并非是理想绝缘体，其对信号地回路同样存在一个耦合电容，这就导致被测电流不会全部流经取样电阻，而是有一部分从上述两个耦合电容流过，产生测量误差，尤其对高频微电流的测量而言，这种误差更为明显。并且根据实践经验可知被测电流频率越高，流过取样电阻的电流占被测电流的比例越低，高频时愈加明显。虽然可以采用软件的方法将误差进行分频段修正，但耦合电容并不是一个固定的值，它受连接方式、摆放位置等诸多因素影响，因此修正后的测量值仍会有较大误差。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种精密测量高频微电流的装置。

本发明是通过以下技术方案来实现：一种精密测量高频微电流的装置，包括PCB板及集成在PCB板上的取样电阻，取样电阻为四线取样电阻，还包括一长方体金属盒，所述PCB板固定在长方体金属盒上，所述长方体金属盒的左侧壁和右侧壁上各开有一小孔，一根三同轴电缆穿过左侧壁小孔进入长方体金属盒内，三同轴电缆的前端分别连接被测电流输出正端和被测电流输出负端，被测电流输出正端连接三同轴电缆的内芯，作为被测电流的输入端，被测电流输出负端连接三同轴电缆的外编织导线，作为被测电流的输出端，其中被测电流输出负端接PCB板上电路的信号地；位于长方体金属盒内的三同轴电缆内芯和外编织导线分别与PCB板上的取样电阻的两个引脚相连，一运算放大器A1的同相和反相输入端分别与取样电阻的另外两个引脚相连，运算放大器A1通过输出引脚与同轴电缆连接，同轴电缆穿过长方体金属C盒右侧壁的小孔与一高频电压表连接；运算放大器A2的同相输入端与取样电阻的一引脚连接，运算放大器A2的输出引脚通过铜导线分别连接到长方体金属盒上和三同轴电缆的内编织导线上，运算放大器A2将取样电阻端电压同相缓冲，在其输出引脚上得到与取样电阻端电压等电位的电压。

所述长方体金属盒的左侧壁和右侧壁上的小孔直径分别与三同轴电缆和同轴电缆的外径相等。

所述PCB板固定在长方体金属盒上的具体结构为：在长方体金属盒的底面和PCB板上分别设有对应的螺纹孔，通过螺纹孔上的螺栓和螺母将PCB板固定在长方体金属盒上。

传统测量高频微电流的取样电阻法存在因耦合电容导致测量精度不高的问题，本发明通过测量电路与长方体金属盒的相互配合，大大减小了耦合电容对测量结果的影响，达到了精密测量高频微电流的目的。

附图说明

图1为现有取样电路示意图。

图2为取样电阻的电流占比与频率的关系。

图3为本发明的结构原理示意图。

图4为本发明取样电路示意图。

图中，1被测电流输出正端，2被测电流输出负端，3三同轴电缆，4长方体金属盒，5同轴电缆，6去流导线，7回流导线，8取样电阻，9运算放大器A1，10运算放大器A2，11铜箔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在介绍本发明之前，先将现有的取样电阻法误差的产生和影响因素做一简单介绍：

让被测电流流过取样电阻8，取样电阻8两端连接导线，将取样电阻8两端连接的导线分别叫做去流导线6和回流导线7，如附图1所示，为提高测量精度，取样电阻8通常采用四线取样电阻，计算公式如下式（1）所示：

（1）

其中，表示取样电阻8端电压，/>表示被测电流，/>表示取样电阻8。

从附图1可以看出采用取样电阻法测量高频微电流时，被测电流信号不可避免地要通过取样电阻8两端连接的导线，而去流导线6和回流导线7之间存在耦合电容，测量敏感端所在印刷电路板（PCB板）其对信号地回路存在耦合电容/>，这就导致被测电流不会全部流经取样电阻8，而是有一部分从耦合电容/>和/>流过，从而产生测量误差，尤其对高频微电流的测量而言，这种误差更为明显。

根据附图1可得式（2）：

（2）

其中，表示被测电流；/>表示流过取样电阻8的电流；/>表示被测电流频率；/>表示取样电阻8；/>表示总的耦合电容，/>。

其中耦合电容的计算式（3）：

（3）

其中，表示介电常数；/>表示极板相对面积；/>表示静电力常量；/>表示极板间距。

由式（2）和（3）可知，取样电阻8两端连接的导线越长，其相对面积越大，则总的耦合电容/>越大。另一方面，为保证测量精度，微安级电流的取样电阻8至少为千欧级，因此假定总的耦合电容/>值为50pF，取样电阻8为10kΩ，则流过取样电阻8的电流/>占被测电流/>的比例与被测电流频率/>的关系如附图2所示，由附图2可知，被测电流/>频率越高，流过取样电阻8的电流/>占被测电流/>的比例越低，高频时愈加明显。在318 kHz时，仅约70.7%的电流流过取样电阻8，此时虽然可以采用软件的方法将误差进行分频段修正，但总的耦合电容/>并不是一个固定的值，它受连接方式、摆放位置等诸多因素影响，因此修正后的测量值仍会有较大误差。

为消除总的耦合电容对高频微电流测量的影响，本发明设计了一个长方体金属盒4结构，通过测量电路与系统结构的相互配合，来实现精密测量高频微电流，具体的，本实施例包括一PCB板，PCB板固定在一长方体金属盒4上，PCB板可以固定在长方体金属盒4的多个位置，这里对固定位置没有要求， PCB板与长方体金属盒4固定连接在一起的方式也有多种，比如：可以将PCB板侧边直接焊接在长方体金属盒4上，也可以通过固定件将PCB板固定在长方体金属盒4上，本实施例优选的PCB板固定在长方体金属盒4上的具体结构为：在长方体金属盒4的底面和PCB板上分别设有若干对应的螺纹孔，然后对应的螺纹孔之间拧入螺栓和螺母，从而将PCB板固定在长方体金属盒4上。所述长方体金属盒4的左侧壁和右侧壁上各开有一小孔，一根三同轴电缆3穿过左侧壁小孔进入长方体金属盒4内，三同轴电缆3的前端分别连接被测电流输出正端1和被测电流输出负端2，所述三同轴电缆3从外到内由外编织导线、内编织导线和内芯组成，其中，被测电流输出正端1连接三同轴电缆3的内芯，作为被测电流的输入端，被测电流输出负端2连接三同轴电缆3的外编织导线，作为被测电流的输出端，被测电流输出负端2接PCB板上电路的信号地。取样电阻8及对应的高频微电流测量电路集成于PCB板上，这里取样电阻8为四线取样电阻，即取样电阻8的引脚为四个，其中两个引脚为电流输入引脚和电流输出引脚，另两个引脚为电压取样引脚，位于长方体金属盒4内的三同轴电缆3的内芯和外编织导线分别与PCB板上的取样电阻8的两个引脚相连，确切的分别与电流输入引脚和电流输出引脚相连，这样被测电流自被测电流输出正端1通过三同轴电缆3内芯流到取样电阻8，流经取样电阻8后再通过三同轴电缆3外编织导线流回被测电流输出负端2，如附图3所示，附图3中各器件之间的连接线周围的虚线表示PCB板上的铜箔11，PCB板上的铜箔11作用为尽可能地将连接线包围，减少直接的电容耦合，PCB板上铜箔11作用及原理属于公知常识，属于常规结构，实际中也广泛应用，这里不再过多赘述。

一运算放大器A19的同相和反相输入端与取样电阻8的另外两个引脚连接，另外两个引脚为电压取样引脚，运算放大器A19为仪表放大器，其中运算放大器A19将取样电阻8端电压取样输出/>，实现/>转换测量，运算放大器A19通过输出引脚与同轴电缆5连接，同轴电缆5穿过长方体金属盒4右侧壁的小孔与一高频电压表连接，附图3中未画出高频电压表，输出电压/>在高频电压表上显示出来。上述长方体金属盒4的左侧壁和右侧壁上的小孔刚好让三同轴电缆3和同轴电缆5穿过，即小孔直径分别与三同轴电缆3和同轴电缆5的外径相等。运算放大器A210的同相输入端与取样电阻8的一引脚连接，确切的与远离信号地的电压取样引脚连接，运算放大器A210的输出引脚通过铜导线分别连接到长方体金属盒4上和三同轴电缆3的内编织导线上，运算放大器A210将取样电阻8端电压/>同相缓冲，在其输出引脚上得到与/>等电位的/>。此时使得/>与信号地之间不再有直接的电容耦合，而是通过一与/>等电位的内编织导线与信号地间接耦合，即电位为/>的三同轴电缆3的内编织导线、长方体金属盒4以及PCB板上的铜箔11尽可能地将电位为/>的连接线包围于电位/>中，使得/>与信号地之间不再有直接的电容耦合,如附图4所示，附图4中，/>代表去流导线即三同轴电缆3内芯与内编织导线之间的耦合电容，/>表示回流导线即三同轴电缆3外编织导线与内编织导线之间的耦合电容，/>代表PCB板上电位为/>的铜箔11与电位为/>的铜箔11之间的耦合电容，/>代表PCB板上信号地铜箔11与电位为/>的铜箔11之间的耦合电容。不难看出，虽然耦合电容依旧存在，但流过耦合电容的电流却不再由被测电流提供，而是由产生/>的运算放大器A210提供，因此/>，从而消除了耦合电容对被测电流的影响。

本发明经过试验，在测量频率为300kHz，有效值为100uA的高频微电流时，其测量误差小于5%。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种精密测量高频微电流的装置，包括PCB板及集成在PCB板上的取样电阻（8），取样电阻（8）为四线取样电阻，其特征在于：还包括一长方体金属盒（4），在长方体金属盒（4）的底面和PCB板上分别设有对应的螺纹孔，通过螺纹孔上的螺栓和螺母将PCB板固定在长方体金属盒（4）上；所述长方体金属盒（4）的左侧壁和右侧壁上各开有一小孔，一根三同轴电缆（3）穿过左侧壁小孔进入长方体金属盒（4）内，三同轴电缆（3）的前端分别连接被测电流输出正端（1）和被测电流输出负端（2），被测电流输出正端（1）连接三同轴电缆（3）的内芯，作为被测电流的输入端，被测电流输出负端（2）连接三同轴电缆（3）的外编织导线，作为被测电流的输出端，其中被测电流输出负端（2）接PCB板上电路的信号地；位于长方体金属盒（4）内的三同轴电缆（3）内芯和外编织导线分别与PCB板上的取样电阻（8）的两个引脚相连，一运算放大器A1（9）的同相和反相输入端分别与取样电阻（8）的另外两个引脚相连，运算放大器A1（9）通过输出引脚与同轴电缆（5）连接，同轴电缆（5）穿过长方体金属盒（4）右侧壁的小孔与一高频电压表连接；运算放大器A2（10）的同相输入端与取样电阻（8）的一引脚连接，运算放大器A2（10）的输出引脚通过铜导线分别连接到长方体金属盒（4）上和三同轴电缆（3）的内编织导线上，运算放大器A2（10）将取样电阻（8）端电压同相缓冲，在其输出引脚上得到与取样电阻（8）端电压等电位的电压；所述长方体金属盒（4）的左侧壁和右侧壁上的小孔直径分别与三同轴电缆（3）和同轴电缆（5）的外径相等。