CN109342805A - 一种高精度微安电流检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度微安电流检测电路。包括待测线缆回路、采样模块、Sallen‑Key六阶滤波组、放大器组、信号处理模块。待测线缆回路负责接入288个待测线缆回路的选择；采样模块对待测回路微安电流的采样；放大器组对采样信号的增益放大，便于采集；供电模块对整个检测回路供电；Sallen‑Key六阶滤波组对放大后的采样信号进行有源滤波、去噪，从而得到高质量，高精度的采样信号；信号处理模块对信号的AD转换，采集，滤波等操作，并将处理后的数据上传至上位机显示。该电流检测电路旨在特定直流DC电压下实现对288个待测线缆回路间弱小电流信号的高精度采集。该检测电路具有测量信号小，检测精度高、抗干扰能力强等优点。

Description

一种高精度微安电流检测电路
技术领域
本发明属于电流检测技术领域，具体涉及电流信号采集、滤波、处理及显示等相关技术。
背景技术
目前，火箭发动机线缆的绝缘电阻测试电路，主要分为接触式和非接触式两种方式。非接触式主要是使用霍尔式电流传感器技术，霍尔式电流传感器是利用霍尔原理制作完成，通过感应导线中电流产生的磁场，非接触、间接地测试回路中的电流。接触式方式主要使用采样电阻的分流器的方式，将电流信号转换成电压信号进行采集。
霍尔式电流传感器具有非接触检测、测量范围广等优点，但是同时也存在温漂大，测量电流只能到mA级别等缺陷，不能满足线缆测试微安级电流检测要求。直接测量法采用分流器的方式，具有精度高、设计简洁等优点，但是成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度微安电流检测电路。该电流检测电路旨在特定直流DC电压下实现对288个待测线缆回路间弱小电流信号的高精度采集。该检测电路具有测量信号小，检测精度高、抗干扰能力强等优点。
为实现本发明的目的，本发明的技术方案是，一种高精度微安电流检测电路，包括待测线缆回路、采样模块、Sallen-Key六阶滤波器组、放大器组、供电模块、信号处理模块，其特征是：待测线缆回路与采样模块相连接形成回路，外部加载DC20V或DC100V直流电压于线缆回路两端；信号处理模块与Sallen-Key六阶滤波器组相连接；
待测线缆回路对288个待测线缆回路进行接入选择；采样模块采样待测线缆回路中微安电流信号；放大器组对采样信号进行增益放大；Sallen-Key六阶滤波组电路与放大模块相连接，将放大后的信号进行低通滤波，滤除有用信号之外的噪声信号；信号处理模块将滤波后的信号进行AD采集、软件滤波、解算，并将处理后的结果上传至上位机软件显示；
供电模块包括电压调整芯片，为放大器组、Sallen-Key六阶滤波器组、信号处理模块提供DC5V或DC3.3V电压供电。
一种高精度微安电流检测电路，其特征在于，待测线缆回路包括线缆回路选择模块、AC-DC转换模块和继电器控制模块，线缆回路选择模块决定待测线缆回路的接入；AC-DC转换模块将AC220V电压转换成DC20V-DC100V电压，产生待测线缆回路电流；继电器K8控制外部加载于待测回路两端DC20V-DC100V直流电压的通断，继电器K11控制连接线缆的通断，二极管D8、光耦P8以及二极管D11、光耦P11分别控制继电器K8和K11。
一种高精度微安电流检测电路，其特征在于，Sallen-Key六阶滤波器组分为四路，三个单路分别由四通道运算放大器AD8554AR中三个通道运算放大器以及匹配的电阻、电容组成，对信号进行二次滤波；另一个单路为同相放大器。
一种高精度微安电流检测电路，其特征在于，放大器组分为四路，对应于四路Sallen-Key六阶滤波器组，每一路均由一款四通道运算放大器AD8554AR及其匹配的电阻、电容以及PI型滤波器组成。
一种高精度微安电流检测电路，其特征在于，信号处理模块由AD转换器、ADC模块、外部基准模块和MCU模块组成，其中外部基准模块与ADC模块连接，ADC模块将滤波后的信号进行AD转换，将模拟信号转换为数字信号；外部基准模块为ADC模块提供稳定准确的5V基准；MCU模块是整个电路的逻辑控制中心，将滤波后的信号进行AD采集、处理、上传以及控制其他模块。
一种高精度微安电流检测电路，其特征在于，所述采样模块包括继电器K9，K10，K12，K13，该采样模块共分为四档，分别对应于Sallen-Key六阶滤波器组的四路。
一种高精度微安电流检测电路，其特征在于，采样模块还包含一个100K的采样电阻，在分流器中使用，达到采样电流信号的目的。
一种高精度微安电流检测电路，其特征在于，为同相放大器配置反馈电阻R24,R42,R50,R62和增益电阻R36,R41,R49,R60，使得1uA到100uA电流均能得到精准测量。
一种高精度微安电流检测电路，其特征在于，通过配置Sallen-Key六阶滤波组中匹配电阻和电容的阻值和容值，得到低噪声高精度的采集信号，电阻阻值分别配置为R37、R38为680K，R25、R33、R34、R35为510K；电容容值配置为：反馈电容C25、C26、C32分别为27nF,33nF,33nF,去耦电容C24、C33、C56分别为27nF,22nF,10nF；其他三路Sallen-Key六阶滤波器参数配置对应相同。
一种高精度微安电流检测电路，其特征在于，AD84554AR是一款四通道轨到轨精密运算放大器，待采集电压信号先通过PI型滤波器滤进行滤波，再通过其中一通道运算放大器构成的同相放大器进行放大。
本发明电流检测电路旨在特定直流DC电压下实现对288个待测线缆回路间弱小电流信号的高精度采集。设计的放大器组实现多级增益放大，以保证对宽直流DC电压范围下测试精度要求；六阶滤波器组的设计实现了各级增益后信号的滤波处理以及高精度采集。该检测电路具有测量信号小，检测精度高、抗干扰能力强等优点。
附图说明
图1是检测电路原理框图。
图2是待测线缆回路原理图。
图3-1、图3-2、图3-3、图3-4分别是四路放大滤波组原理图。
图4是ADC模块和外部基准模块。
图5是信号调理模块原理图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步说明：需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是有本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
图1中给出了本电流检测电路的原理框图。包括待测线缆回路、采样模块、Sallen-Key六阶滤波器组、放大器组、供电模块、信号处理模块以及上位机软件。其中待测线缆回路与采样模块相连接形成回路，外部加载DC20V或DC100V直流电压于线缆回路两端；待测线缆回路由线缆回路选择模块、继电器控制模块和AD-DC转换模块组成。
图2给出了待测线缆回路的具体实现。AC-DC转换模块将AC220V电压转换成DC20V-DC100V电压，以产生待测线缆回路电流。继电器K8控制外部加载于待测回路两端DC20V-DC100V直流电压的通断，继电器K11控制连接线缆的通断，二极管D8、光耦P8以及二极管D11、光耦P11分别控制继电器K8和K11。
继电器K9，K10，K12，K13构成采样模块，该采样模块共分为四档，分别对应于Sallen-Key六阶滤波组的四路，实现宽范围(1uA到100uA)弱电流检测。
设待测电压V分为V1,V2,V3,V4四挡，待测弱电流为I待测，Rr2,Rr3,Rr4,Rr5为采样电阻，如图2所示，则：
V1＝I待测*(Rr2+Rr4)
V2＝I待测*(Rr2+Rr5)
V3＝I待测*(Rr3+Rr4)
V4＝I待测*(Rr3+Rr5)
其中，I待测划分为1uA～25uA,25uA～50uA,50uA～75uA,75uA～100uA四挡；电阻选为Rr2＝200k,Rr3＝20k,Rr4＝100k,Rr5＝30k。
供电模块为电路各部分提供供电电源，为放大模块、ADC模块等提供DC5V供电，为MCU模块提供DC3.3V供电。
放大模块将待测回路电流通过采样模块转换成电压信号进行采集，对放大模块的要求是具有较大的带宽，以实现无失真的IV转换，同时具有较大的输出电压摆幅，以满足大动态范围的放大要求。Sallen-Key六阶滤波组电路与放大模块相连接，将放大后的信号进行低通滤波，滤除有用信号之外的噪声信号。
图3给出了放大器组以及Sallen-Key六阶滤波器组电路的具体实现。该部分为四路，分别如图3-1、图3-2、图3-3、图3-4所示，每一路均由一款四通道运算放大器AD8554AR及其匹配电阻电容以及PI型滤波器组成。AD84554AR是一款四通道轨到轨精密运算放大器，待采集电压信号先通过PI型滤波器滤进行滤波，再通过其中一通道运算放大器构成的同相放大器进行放大；Sallen-Key六阶滤波器由AD8554AR的另外三个通道运算放大器以及匹配的电阻电容组成，对信号进行二次滤波。
设四路运算放大器的输出分别为VOUT1,VOUT2,VOUT3,VOUT4，同相放大器增益分别为A1,A2,A3,A4,则有：
VOUT1＝V1A1
VOUT2＝V2A2
VOUT3＝V3A3
VOUT4＝V4A4
并且，
其中，V1,V2,V3,V4为四挡待测电压；R42,R41,R24,R36,R62,R60,R50,R49如图3所示，为同相放大器的反馈电阻和增益电阻。通过配置反馈电阻和增益电阻，使得宽测量范围内(1uA到100uA)电流均能得到精准测量；通过配置Sallen-Key六阶滤波组中匹配电阻和电容的阻值和容值，从而有效滤除电压信号中干扰噪声，得到纯净采集信号，提高测试精度，最小可识别精度可达1uA。
如图4和图5所示，信号处理模块与Sallen-Key六阶滤波组电路相连接，将滤波后的信号进一步处理，包括AD转换、软件平滑滤波、解算等操作，并将处理后的结果上传至上位机软件显示。信号处理模块由ADC模块、外部基准模块和MCU模块组成，其中外部基准模块与ADC模块连接，ADC模块将滤波后的信号进行AD转换，将模拟信号转换为数字信号；外部基准模块为ADC模块提供稳定准确的5V基准；MCU模块是整个电路的逻辑控制中心，将滤波后的信号进行AD采集、处理、上传以及控制其他模块。
AD转换器选择8通道，16位转换精度的逐次逼近型ADC，选用LT6657电压调整器提供的精准5V外部基准。处理器采用单片机C8051F040，时钟产生电路采用22.1184MHz的外部有源晶振WU50AQ22.1184MHz，为单片机提供精准时钟。同时，FM24CL04-G提供可读写的外部存储器，以供采集数据的处理。
待测线缆回路负责接入288个待测线缆回路的选择；采样模块实现对待测回路微安电流的采样；放大器组实现对采样信号的增益放大，便于采集；供电模块对整个检测回路供电；Sallen-Key六阶滤波器组对放大后的采样信号进行有源滤波、去噪，从而得到高质量，高精度的采样信号；信号处理模块实现对信号的AD转换，采集，滤波等操作，并将处理后的数据上传至上位机显示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度微安电流检测电路，包括待测线缆回路、采样模块、Sallen-Key六阶滤波器组、放大器组、供电模块、信号处理模块，其特征是：待测线缆回路与采样模块相连接形成回路，外部加载DC20V或DC100V直流电压于线缆回路两端；信号处理模块与Sallen-Key六阶滤波器组相连接；
待测线缆回路对288个待测线缆回路进行接入选择；采样模块采样待测线缆回路中微安电流信号；放大器组对采样信号进行增益放大；Sallen-Key六阶滤波组电路与放大模块相连接，将放大后的信号进行低通滤波，滤除有用信号之外的噪声信号；信号处理模块将滤波后的信号进行AD采集、软件滤波、解算，并将处理后的结果上传至上位机软件显示；
供电模块包括电压调整芯片，为放大器组、Sallen-Key六阶滤波器组、信号处理模块提供DC5V或DC3.3V电压供电。
2.根据权利要求1所述的高精度微安电流检测电路，其特征在于，待测线缆回路包括线缆回路选择模块、AC-DC转换模块和继电器控制模块，线缆回路选择模块决定待测线缆回路的接入；AC-DC转换模块将AC220V电压转换成DC20V-DC100V电压，产生待测线缆回路电流；继电器K8控制外部加载于待测回路两端DC20V-DC100V直流电压的通断，继电器K11控制连接线缆的通断，二极管D8、光耦P8以及二极管D11、光耦P11分别控制继电器K8和K11。
3.根据权利要求1所述的高精度微安电流检测电路，其特征在于，Sallen-Key六阶滤波器组分为四路，三个单路分别由四通道运算放大器AD8554AR中三个通道运算放大器以及匹配的电阻、电容组成，对信号进行二次滤波；另一个单路为同相放大器。
4.根据权利要求1所述的高精度微安电流检测电路，其特征在于，放大器组分为四路，对应于四路Sallen-Key六阶滤波器组，每一路均由一款四通道运算放大器AD8554AR及其匹配的电阻、电容以及PI型滤波器组成。
5.根据权利要求1所述的高精度微安电流检测电路，其特征在于，信号处理模块由AD转换器、ADC模块、外部基准模块和MCU模块组成，其中外部基准模块与ADC模块连接，ADC模块将滤波后的信号进行AD转换，将模拟信号转换为数字信号；外部基准模块为ADC模块提供稳定准确的5V基准；MCU模块是整个电路的逻辑控制中心，将滤波后的信号进行AD采集、处理、上传以及控制其他模块。
6.根据权利要求1所述的高精度微安电流检测电路，其特征在于，所述采样模块包括继电器K9，K10，K12，K13，该采样模块共分为四档，分别对应于Sallen-Key六阶滤波器组的四路。
7.根据权利要求6所述的高精度微安电流检测电路，其特征在于，采样模块还包含一个100K的采样电阻，在分流器中使用，达到采样电流信号的目的。
8.根据权利要求3所述的高精度微安电流检测电路，其特征在于，为同相放大器配置反馈电阻R24,R42,R50,R62和增益电阻R36,R41,R49,R60，使得1uA到100uA电流均能得到精准测量。
9.根据权利要求3、4所述的高精度微安电流检测电路，其特征在于，通过配置Sallen-Key六阶滤波组中匹配电阻和电容的阻值和容值，得到低噪声高精度的采集信号，电阻阻值分别配置为R37、R38为680K，R25、R33、R34、R35为510K；电容容值配置为：反馈电容C25、C26、C32分别为27nF,33nF,33nF,去耦电容C24、C33、C56分别为27nF,22nF,10nF；其他三路Sallen-Key六阶滤波器参数配置对应相同。
10.根据权利要求3、4所述的高精度微安电流检测电路，其特征在于，AD84554AR是一款四通道轨到轨精密运算放大器，待采集电压信号先通过PI型滤波器滤进行滤波，再通过其中一通道运算放大器构成的同相放大器进行放大。
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