CN108572273B - 低电流测量电路及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低电流测量电路及其测量方法，其通过将被测电路的输出端与电阻模块以及第一电压源串联相接，使得测得该电阻模块的两端电压及其总阻值便可得到流经该电阻模块的电流，即被测电路的被测电流，其中电阻模块的总阻值及第一电压源的电压容易得知，被测电路的输出端的电压通过比较电路得到，具体方法为，将被测电路的输出端与比较电路连接，不断调节第一电压源的电压大小，当被测电路输出比较信号时，表明该比较电路中第二电压源的电压即为被测电路的输出端的电压。该低电流测量电路分散了电压的测量点，使被测电路中的低电流测量成为可能，且测量方法简单，显著降低了低电流测量电路的操作难度。

Description

低电流测量电路及其测量方法

技术领域

本发明涉及电路设计领域，尤其涉及一种低电流测量电路及其测量方法。

背景技术

随着穿戴式电子的技术演进，低功耗电子产品应用越来越广泛，也显得越来越重要。而低功耗产品由于其低功耗电路的设计，使其产生的电流微乎其微，要测量十分困难，这对于前期测试及后期修理来说都有所不利，对测量设备的要求也非常苛刻。

现有的低电流测量设备一般直接使用传统的仪器测量方式，使用这种方法进行测量则被分流去测试线路的电流会影响产品本身电路中的电流，导致预测量区域的电流产生严重变化，最后发生测量不正确或无法测量的问题。

在另一种测量方式中，通过组合许多同类型的被测电路，并测量其总和电流，再除以被测电路数量以求得被测电流的平均值，但这种测量方法只能测得被测电路的电流平均值，无法侦测其电流的变化。

现有技术中还有利用微探针来进行低电流的方法，但这种方法仍无法进行实时监测，无法获取大量的电流样本以侦测电流的变化。

发明内容

本发明提供一种低电流测量电路及其测量方法，采用了分散测量点的方式测量与被测电路串联的电阻模块的两端电压，以使被测电路中的低电流测量成为可能。

为了达到上述目的，本发明提供一种低电流测量电路，其包括电阻模块、第一电压源和比较电路，所述电阻模块的两端分别接入一被测电路的输出端和所述第一电压源，所述比较电路将所述被测电路的输出端的电压与一第二电压源的电压相比较，并在所述被测电路的输出端的电压和第二电压源的电压相等时输出一比较信号。

可选的，所述电阻模块包括第一电阻，所述第一电阻的两端分别接入所述被测电路的输出端和所述第一电压源。

可选的，所述电阻模块包括由若干电阻串联相接组成的电阻组，所述电阻组的两端分别接入所述被测电路的输出端和所述第一电压源。

可选的，所述电阻组由若干等阻值的电阻串联相接组成。

可选的，所述第一电压源为可变电压源。

可选的，所述比较电路包括比较器，所述比较器的两个输入端分别接入所述被测电路的输出端和所述第二电压源，并在所述被测电路的输出端的电压和第二电压源的电压相等时输出所述比较信号。

可选的，所述被测电路的输出端接入所述比较器的负极，所述第二电压源接入所述比较器的正极，所述比较信号为高电平。

可选的，所述被测电路的输出端接入所述比较器的正极，所述第二电压源接入所述比较器的负极，所述比较信号为高电平。

可选的，所述比较电路还包括第二电阻，所述第二电阻的两端分别接入所述被测电路的输出端和所述第二电压源。

可选的，所述低电流测量电路还包括第三电压源，所述被测电路的输出端接入所述第三电压源。

可选的，所述第三电压源为可变电压源。

本发明还提供一种上述低电流测量电路的测量方法，其包括：

获取所述电阻模块的总阻值；

为所述第一电压源预设一个初始电压值；

调节所述第一电压源的电压大小，直至所述比较电路输出所述比较信号，此时所述被测电路的输出端的电压与所述第二电压源的电压相等；

根据所述电阻模块的总阻值及所述电阻模块的两端电压计算出流经所述电阻模块的电流，即为所述被测电路的被测电流。

可选的，所述电阻模块的总阻值通过一电阻测量电路测得。

可选的，所述获取所述电阻模块的总阻值的步骤包括：

将所述被测电路的输出端接地；

通过电流测量仪器测量流经所述电阻模块的电流；

根据流经所述电阻模块的电流及所述电阻模块的两端电压计算出所述电阻模块的总阻值。

可选的，所述电阻模块包括由若干电阻串联相接组成的电阻组，所述电阻组的两端分别接入所述被测电路的输出端和所述第一电压源，所述获取所述电阻模块的总阻值的步骤包括：

将所述被测电路的输出端接地；

通过电流测量仪器测量流经所述电阻组中任一电阻的电流；

根据流经该电阻的电流及所述电阻模块的两端电压计算出所述电阻模块的总阻值。

可选的，在所述通过电流测量仪器测量流经所述电阻模块的电流的步骤中，还将所述第二电压源的电压设为所述被测电路的工作电压。

可选的，所述电阻模块的两端电压为：所述比较电路开始输出所述比较信号时，所述第一电压源的电压与所述第二电压源的电压之差。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的低电流测量电路及其测量方法通过将被测电路的输出端与电阻模块以及第一电压源串联相接，使得测得该电阻模块的两端电压及其总阻值便可得到流经该电阻模块的电流，即被测电路的被测电流，其中电阻模块的总阻值及第一电压源的电压容易得知，被测电路的输出端的电压通过比较电路得到，具体方法为，将被测电路的输出端与比较电路连接，不断调节第一电压源的电压大小，当被测电路输出比较信号时，表明该比较电路中第二电压源的电压即为被测电路的输出端的电压。该低电流测量电路分散了电压的测量点，使被测电路中的低电流测量成为可能，且测量方法简单，显著降低了低电流测量电路的操作难度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明一实施例提供的低电流测量电路的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的低电流测量电路的测量方法的流程图；

图3为本发明一实施例提供的低电流测量电路的测量方法中步骤一的流程图；

图4为本发明另一实施例提供的低电流测量电路的测量方法中步骤一的流程图。

在图1中，

U：被测电路；R1：第一电阻；R2：第二电阻；P：比较器；OUT：比较信号；A：第一电压源；B：第二电压源；C：第三电压源。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的低电流测量电路及其测量方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种低电流测量电路及其测量方法，其通过将被测电路的输出端与电阻模块以及第一电压源串联相接，使得测得该电阻模块的两端电压及其总阻值便可得到流经该电阻模块的电流，即被测电路的被测电流，其中电阻模块的总阻值及第一电压源的电压容易得知，被测电路的输出端的电压通过比较电路得到，具体方法为，将被测电路的输出端与比较电路连接，不断调节第一电压源的电压大小，当被测电路输出比较信号时，表明该比较电路中第二电压源的电压即为被测电路的输出端的电压。该低电流测量电路分散了电压的测量点，使被测电路中的低电流测量成为可能，且测量方法简单，显著降低了低电流测量电路的操作难度。

请参考图1至4，图1为本发明实施例提供的低电流测量电路的结构示意图；图2为本发明一实施例提供的低电流测量电路的测量方法的流程图；图3为本发明一实施例提供的低电流测量电路的测量方法中步骤一的流程图；图4为本发明另一实施例提供的低电流测量电路的测量方法中步骤一的流程图。

如图1所示，本发明一实施例提供一种低电流测量电路，其包括电阻模块、第一电压源A和比较电路，所述电阻模块的两端分别接入被测电路U的输出端和所述第一电压源A，所述比较电路将所述被测电路U的输出端的电压与第二电压源B的电压相比较，并在其相等时输出一比较信号OUT。

如图2所示，本发明实施例还提供一种上述低电流测量电路的测量方法，其包括：

步骤一：获取所述电阻模块的总阻值；

步骤二：为所述第一电压源A预设一个初始电压值；

步骤三：调节所述第一电压源A的电压大小，直至所述比较电路输出所述比较信号OUT，此时所述被测电路U的输出端的电压与所述第二电压源B的电压相等；

步骤四：根据所述电阻模块的总阻值及所述电阻模块的两端电压计算出流经所述电阻模块的电流，即为所述被测电路U的被测电流。

本发明实施例提供的低电流测量电路及其测量方法通过将被测电路U的输出端与电阻模块以及第一电压源A串联相接，使得测得该电阻模块的两端电压及其总阻值便可得到流经该电阻模块的电流，即被测电路U的被测电流，其中电阻模块的总阻值及第一电压源A的电压容易得知，被测电路U的输出端的电压通过比较电路得到，具体方法为，将被测电路U的输出端与比较电路连接，不断调节第一电压源A的电压大小，当被测电路U输出比较信号时，表明该比较电路中第二电压源B的电压即为被测电路U的输出端的电压。该低电流测量电路分散了电压的测量点，使被测电路U中的低电流测量成为可能(例如小于100nA的低电流)，且测量方法简单，显著降低了低电流测量电路的操作难度。

在本实施例中，所述电阻模块包括第一电阻R1，所述第一电阻R1的两端分别接入所述被测电路U的输出端和所述第一电压源A。

所述电阻模块使用单电阻的结构，有利于电路结构的简化，但另一方面，为了增大经过电阻模块的电流，使其可测，第一电压源A可能会调节到一个比较高的电压，由于电阻模块单电阻的结构设计，第一电阻R1需要选择一个阻值较高的电阻，以保证第一电压源A的高电压不会对低电流的被测电路U造成损伤，在本实施例中，第一电阻R1为1M ohms～50Mohms，例如10M ohms。

可以想到的是，所述电阻模块还可为多个电阻串联或并联组合而成的电路模块，以适应不同被测电路U或第一电压源A的不同测量状况，所述第一电阻R1也可为其它阻值，只需保证被测电路U不被第一电压源A所影响，本发明也意图包含这些技术方案在内。

可选的，所述第一电压源A为可变电压源。该设计使得在测量被测电路U的低电流时无需使用更换的方式进行电压调节，第一电压源A便可随时调节其电压，以保证电流测量能够更顺利地进行。

可以想到的是，所述第一电压源A还可为其它供电模块，如电池等，只要其满足电压可调节的要求，本发明便意图包含这些技术方案在内。

可选的，所述比较电路包括比较器P，所述比较器P的两个输入端分别接入所述被测电路U的输出端和所述第二电压源B，并在其电压相等时输出所述比较信号。

在本实施例中，所述被测电路U的输出端接入所述比较器P的负极，所述第二电压源B接入所述比较器P的正极，当第一电压源A的从较低的电压慢慢向上调节时，被测电路U的输出端的电压会从一低点慢慢向上升，而第二电压源B的电压保持在一个较高点，一开始比较器P只会输出高电平，直至两个电压值相等时，比较器P的输出跳变低电平，即所述比较信号。

可以想到的是，当第一电压源A的从较高的电压慢慢向下调节时，被测电路U的输出端的电压会从一高点慢慢向下降，而第二电压源B的电压保持在一个较低点，一开始比较器P只会输出低电平，直至两个电压值相等时，比较器P的输出跳变高电平，即所述比较信号，故本发明并不限定所述比较信号为高电平或低电平，即若所述比较电路在两个电压值相等时跳变为低电平，其亦可作为一个比较信号来实现该测量方法，本发明也意图包含该技术方案在内。

可以想到的是，本发明还可以将所述被测电路U的输出端接入所述比较器P的正极，所述第二电压源B接入所述比较器P的负极，其比较信号也会相应地变为高电平或低电平，也亦能起到其作用，故本发明也意图包含这些技术方案在内。

可以想到的是，所述比较电路可为任何现有的能够实现两个输入值比较功能的比较电路，如单比较器或比较器与其它电路元件组合而成的其它现有比较电路，本发明并不限定其具体结构，只着眼于其能够实现的功能，故本发明也意图包含这些技术方案在内。

可选的，所述比较电路还包括第二电阻R2，所述第二电阻R的两端分别接入所述被测电路U的输出端和所述第二电压源B。所述第二电阻R的设计有利于在调节第一电压源A时被测电路U的输出端电压变化的灵敏度，使该低电流测量电路及其测量方法的测量工作更为高效。

在本实施例中，考虑到被测电路U的输出端电压变化的灵敏度，所述第二电阻R2的阻值选择较为适中，为60K ohms～500K ohms，例如100K ohms。

可以想到的是，本发明并不限定第二电阻R2的阻值，只要第二电阻R2的阻值不会影响低电流的测量，则本发明也会将这些阻值选择包含在内。

可选的，所述低电流测量电路还包括第三电压源C，所述被测电路U的输出端接入所述第三电压源C，如图3所示，所述步骤一具体包括：

步骤1a：将所述被测电路U的输出端接地；

步骤1b：通过电流测量仪器测量流经所述电阻模块的电流；

步骤1c：根据流经所述电阻模块的电流及所述电阻模块的两端电压计算出所述电阻模块的总阻值。

使用该方法测量电阻模块的阻值时被测电路U中不会有电流产生，消除了损害被测电路U的风险，并且若第一电压源A的电压足够大，该方法也能够增大流经电阻模块的电流，使其得以测量。

需要注意的是，在进行所述步骤三时，需将所述第三电压源C悬空，以消除其对于电流测量的影响。

可以想到的是，在所述步骤一中，所述电阻模块的总阻值还可在进行电流测量之前通过其它电阻测量电路测得，即该电阻模块的总阻值为一已知量，使该低电流测量电路及其测量方法的测量工作更为高效。

可选的，所述第三电压源C为可变电压源。该设计使得在测量电阻模块时无需将被测电路U的输出端另行接地，第三电压源C便可随时调节其电压，以保证电阻模块的阻值测量能够更顺利地进行。

可选的，在所述步骤二中，还将所述第二电压源B的电压设为所述被测电路U的工作电压，以确保被测电路U能够正常工作。

可以想到的是，所述第二电压源B的电压还可设为与被测电路U相近的其它电压，只要该电路能够正常工作即可，故本发明还意图包含这些技术方案在内。

下面结合图1，提供一个具体的实施例阐述该低电流测量电路及其测量方法的具体原理：

假设被测电路U的被测电流为10nA，被测电路U的工作电压为1V，第一电阻R1的阻值为10M ohms。

首先通过将第三电压源C接地，同时将第一电压源A的电压调节至10V，以使流经第一电阻R1的电流得以测量，此时流经第一电阻R1的电流只流向地，而不影响被测电路U，测得流经第一电阻R1的电流为1μA，第一电阻R1的阻值可得：

R1＝U_A/I_R1＝10V/1μA＝10M ohms

其中，R1为第一电阻R1的阻值，U_A为第一电压源A的电压，I_R1为流经第一电阻R1的电流。

接着悬空第三电压源B，将第二电流源B的电压设为被测电路U的工作电路或与其相近的电压，在本实施例中，设第二电流源的电压为1V，同时将第一电压源A的电压设为0V，一开始由于有电流从第二电压源B处流向被测电路U，故被测电路U的输出端，即第三电压源C处的电压小于第二电流源B。

然后慢慢将第一电压源A的电压向上调节，直至其为1.1V时，被测电路U的输出端，即第三电流源C处的电压为1V与第二电压源B的电压相等，此时，比较器P输出一低电平的比较信号，第二电阻R2两端电压相等，无电流从第二电阻R2中流过，流经第一电阻R1的电流即为被测电路U的被测电流，故被测电流可得：

I＝I_R1＝(U_A-U_C)/R1＝(U_A-U_B)/R1＝(1.1V-1V)/10M ohms＝10nA

其中，I为被测电流，I_R1为流经第一电阻R1的电流，U_A为第一电压源A的电压，U_C为第三电压源C的电压，U_B为第二电压源B的电压，R1为第一电阻R1的阻值。

该低电流测量电路具有很高的精度，假设比较器P的精度误差为10mV，即此时第一电压源A的电压为1.101V，则被测电流可得：

I＝I_R1＝(U_A-U_C)/R1＝(U_A-U_B)/R1＝(1.101V-1V)/10M ohms＝10.1nA

将被测电流的理想值与实际值相比较，则该低电流测量电路的精度误差为：(10.1-10)/10＝1％，即其精度为99％，可见其精度之高。

在本发明提供的另一实施例中，所述低电流测量电路中的电阻模块包括由若干电阻串联相接组成的电阻组，所述电阻组的两端分别接入所述被测电路U的输出端和所述第一电压源，如图4所示，所述步骤一具体包括：

步骤1a’：将所述被测电路U的输出端接地；

步骤1b’：通过电流测量仪器测量流经所述电阻组中任一电阻的电流；

步骤1c’：根据流经该电阻的电流及所述电阻模块的两端电压计算出所述电阻模块的总阻值。

由于电阻模块由多个较小阻值的电阻串联而成，故每个电阻上的电流都比前一实施例中的单大电阻阻值容易测得，增加了该电流测量方法的可行性。

可选的，所述电阻组由若干等阻值的电阻串联相接组成，测量流经其中任意一个电阻的电流即可，该设计最大限度地增加了流经电阻模块的电流的可测性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (17)

1.一种低电流测量电路，其特征在于，包括电阻模块、第一电压源和比较电路，所述电阻模块的两端分别接入一被测电路的输出端和所述第一电压源，所述比较电路将所述被测电路的输出端的电压与一第二电压源的电压相比较，并在所述被测电路的输出端的电压和第二电压源的电压相等时输出一比较信号，所述比较电路包括比较器，所述比较器的两个输入端分别接入所述被测电路的输出端和所述第二电压源，所述第二电压源的电压设为所述被测电路的工作电压，所述电阻模块的阻值为1Mohms～50Mohms。

2.根据权利要求1所述的低电流测量电路，其特征在于，所述电阻模块包括第一电阻，所述第一电阻的两端分别接入所述被测电路的输出端和所述第一电压源。

3.根据权利要求1所述的低电流测量电路，其特征在于，所述电阻模块包括由若干电阻串联相接组成的电阻组，所述电阻组的两端分别接入所述被测电路的输出端和所述第一电压源。

4.根据权利要求3所述的低电流测量电路，其特征在于，所述电阻组由若干等阻值的电阻串联相接组成。

5.根据权利要求1所述的低电流测量电路，其特征在于，所述第一电压源为可变电压源。

6.根据权利要求1所述的低电流测量电路，其特征在于，所述被测电路的输出端接入所述比较器的负极，所述第二电压源接入所述比较器的正极。

7.根据权利要求6所述的低电流测量电路，其特征在于，所述被测电路的输出端接入所述比较器的正极，所述第二电压源接入所述比较器的负极。

8.根据权利要求1所述的低电流测量电路，其特征在于，所述比较电路还包括第二电阻，所述第二电阻的两端分别接入所述被测电路的输出端和所述第二电压源。

9.根据权利要求1所述的低电流测量电路，其特征在于，还包括第三电压源，所述被测电路的输出端接入所述第三电压源。

10.根据权利要求9所述的低电流测量电路，其特征在于，所述第三电压源为可变电压源。

11.根据权利要求1至10任一项所述的低电流测量电路的测量方法，其特征在于，包括：

获取所述电阻模块的总阻值；

为所述第一电压源预设一个初始电压值；

调节所述第一电压源的电压大小，直至所述比较电路输出所述比较信号，此时所述被测电路的输出端的电压与所述第二电压源的电压相等；

根据所述电阻模块的总阻值及所述电阻模块的两端电压计算出流经所述电阻模块的电流，即为所述被测电路的被测电流。

12.根据权利要求11所述的低电流测量电路的测量方法，其特征在于，所述电阻模块的总阻值通过一电阻测量电路测得。

13.根据权利要求11所述的低电流测量电路的测量方法，其特征在于，所述获取所述电阻模块的总阻值的步骤包括：

将所述被测电路的输出端接地；

通过电流测量仪器测量流经所述电阻模块的电流；

根据流经所述电阻模块的电流及所述电阻模块的两端电压计算出所述电阻模块的总阻值。

14.根据权利要求11所述的低电流测量电路的测量方法，其特征在于，所述电阻模块包括由若干电阻串联相接组成的电阻组，所述电阻组的两端分别接入所述被测电路的输出端和所述第一电压源。

15.根据权利要求14所述的低电流测量电路的测量方法，其特征在于，所述获取所述电阻模块的总阻值的步骤包括：

将所述被测电路的输出端接地；

通过电流测量仪器测量流经所述电阻组中任一电阻的电流；

根据流经该电阻的电流及所述电阻模块的两端电压计算出所述电阻模块的总阻值。

16.根据权利要求13所述的低电流测量电路的测量方法，其特征在于，在所述通过电流测量仪器测量流经所述电阻模块的电流的步骤中，还将所述第二电压源的电压设为所述被测电路的工作电压。

17.根据权利要求11所述的低电流测量电路的测量方法，其特征在于，所述电阻模块的两端电压为：所述比较电路开始输出所述比较信号时，所述第一电压源的电压与所述第二电压源的电压之差。

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