CN113238088A - 基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路及方法，电流源包括两个电流方向相反可交替工作的恒流源，其由测量控制单元控制切换，电流源的电流绝对值大于待测电流的绝对值；积分器对输入电流及恒流源输入的电流之和进行积分；模数转换器采集固定时间点的积分电压信号，并将积分电压信号发送给测量控制单元；测量控制单元对固定时间点的积分电压信号进行分析，判断该点的积分电压是否超量程或过零，根据过零情况进行两个恒流源的切换，并对两个恒流源导通状态进行计数，用于计算输入电流。本发明微弱电流测量精度高；并可根据工频干扰设置测量周期，减小或消除工频干扰噪声；且可测量双极性微弱电流，消除零点饱和带来误差的缺点。

Description

基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路及方法

技术领域

本发明涉及微弱电流测量技术领域，具体为基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路及方法。

背景技术

随着科学技术的发展，以及市场对于低功耗高性能的需求，电子设备的电流水平有往小发展的趋势，从毫安到微安再到皮安，比如手机电池待机电流(10^-3A)、光电二极管暗电流(10^-12A)、OLED的像素电流(10^-12A)等，在静电研究、材料测试、光电器件、辐射计量等应用与测试中也要测量微弱电流，而如何精确测量出微弱电流，则成了一道避不开的难题。

微弱电流测量方式主要有两种方式：跨阻法和积分法。

跨阻法原理是，待测电流接运算放大器的反相输入端，一反馈电阻R跨接反相输入端和输出端，同相输入端接地，则反相输入端处于虚地，输入端所有电流流经反馈电阻，从欧姆定律I＝V/R可知，只要测量跨阻放大器输出电压值，通过已知反馈电阻阻值就可以计算出待测电流。

积分法原理是，待测电流接运算放大器的反相输入端，一积分电容C跨接反相输入端和输出端，同相输入端接地，反相输入端处于虚地，输入端所有电流流入积分电容，从电荷电流关系Q＝I·t＝ΔV·C可知，只要测量出积分时间内积分器输出电压变化值，通过已知积分电容容值以及积分时间就可以计算出待测电流。

目前，国内外已有多家公司开发了微弱电流测量电路及方法，一般采用电容积分法，通过切换不同容值的电容来更改测量电流量程。跨阻法所需器件及工艺要比积分法严格得多，因此采用跨阻法测量电流的公司不多，跨阻法的量程切换是通过改变跨接电阻阻值实现的。

发明专利CN112213554A的微弱电流测量电路如下图1所示。该发明专利中的测量电路是基于积分法。通过电流积分，积分电压将会慢慢增加，当积分电压到达下阈触发电压时，高速比较器2便会输出高电平，复位逻辑电路接收到脉冲后输出一固定脉宽的积分复位信号，该积分复位电压信号通过低漏电流复位器输出固定的电荷用于积分器的复位，积分器的输出电压因此降低。高速比较器1用于电路起始阶段的复位功能，当积分器输出电压超过上阈触发电压时，复位逻辑电路输出积分复位信号，从而使积分器输出电压低于下阈触发电压。单稳态触发电路用于将积分复位脉冲信号转换为固定宽度的脉冲信号，该脉冲信号频率正比于微弱电流信号。

上述方案不足之处在于：

1)测量周期来源于积分复位信号，因而其测量周期不固定，不能整倍于工频信号，容易受工频干扰影响；即便固定了测量周期，将会损失部分电流积分信息。

2)在量程低端时，待测电流较小，积分电压变化较慢，导致一定测量周期内输出脉冲信号少，从而测量误差大，测量周期长。

3)其积分器必须保持不漏电或固定方向的漏电流，否则反向漏电流将会导致积分器低端饱和，影响测量电流的精度，并且在测量量程的低端输入电流较小时测量电路将无脉冲信号输出。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路及方法，利用电荷平衡理论实现微弱电流高精度测量，解决现有微弱电流测量需要多量程切换，只能测量单极性电流、测量误差大的问题。技术方案如下：

一种基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路，包括电流源、积分器、模数转换器和测量控制单元；

所述电流源包括两个电流方向相反可交替工作的恒流源I1和恒流源I2，其由测量控制单元控制切换，电流源的电流绝对值大于待测电流的绝对值；

所述积分器包括积分电容C1和低偏置电流的运算放大器U1，所述积分电容C1连接于运算放大器U1的反相输入端和输出端之间；待测微弱电流和电流源输出端共同连接到运算放大器U1的反相输入端；

所述模数转换器连接到运算放大器U1的输出端，采集固定时间点的积分器输出电压信号，并将积分器输出电压信号发送给测量控制单元；

所述测量控制单元对固定时间点的积分电压信号进行分析，判断该点的积分电压是否超量程或过零，根据过零情况进行两个恒流源的切换，并对两个恒流源导通次数进行计数，用于计算输入电流I。

进一步的，所述微弱电流单次测量总周期为工频周期的整数倍。

一种基于电荷平衡的高精度微弱电流测量方法，包括以下步骤：

步骤1：积分器输出电压信号采样；

步骤2：超量程判断：判断积分器输出电压是否超量程，若超量程，则设置超量程标志并进入下一步，超量程标志说明该次测量的初始电压或输入电流超量程，测量结果不可信；若未超量程则进入下一步；

步骤3：过零判断：若积分器输出电压小于零，则开启提供负向电流的恒流源I2，积分器对输入电流I及恒流源I2输入的电流I₂之和进行积分，积分器输出电压线性上升；当积分器输出电压大于等于零时，开启提供正向电流的恒流源I1，积分器对输入电流I及恒流源I1输入的电流I₁之和进行积分，积分器输出电压线性下降；

步骤4：电流源计数：经过时间T后，重复步骤1、步骤2和步骤3，并对电流源中的两个恒流源的导通状态进行计数。若干周期T之后测量结束；

步骤5：计算输入电流I：

输入电流I与恒流源开启的次数以及积分器输出电压与初始电压的差值存在线性关系，公式如下：

式中：V为测量结束时积分器输出电压；V₀为测量启动时积分器输出电压；T为积分器输出电压采样周期；x为恒流源I1开启次数；y为恒流源I2开启次数；I为输入电流；I₁为恒流源I1的电流；I₂为恒流源I2的电流；I_L为系统泄漏电流；C₁为积分电容；

假设所有电流均为恒流，则将上式变为以下公式：

则输入电流为：

进一步的，所述多点刻度法中选择至少4个刻度点。

本发明的有益效果是：

1)市场上现有的微弱电流测量方案需用使用多个量程才能覆盖整个微弱电流测量范围，而本发明无须量程切换即可实现整个微弱电流测量范围内的高精度电流测量；

2)微弱电流测量过程中，工频干扰是其中主要的干扰源，本发明通过设置测量周期为工频周期的整数倍来消除或减弱工频干扰，提升微弱电流测量特别是量程低端的测量精度；

3)本发明内部提供正负电流源，通过交替叠加不同方向的固定电流积分，使得积分器不会饱和，可以测量正负极性电流。

4)本发明采用模数转换器采集测量开始及结束时的积分电压计算未满一个电荷平衡周期的剩余电流，中间完整的电荷平衡周期则代表了固定的电流，因此待测电流值大小等于固定电流值加上剩余电流，从而电流测量的精度不会随着待测电流的减小而降低。

附图说明

图1为发明专利CN112213554A的微弱电流测量电路。

图2为本发明微弱电流测量电路。

图3为本发明测量控制单元的控制流程。

图4为本发明输出电压波形与恒流源状态(输入电流为零时)。

图5为本发明输出电压波形与恒流源状态(输入电流为负时)。

图6为本发明输出电压波形与恒流源状态(输入电流为正时)

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的微弱电流测量电路如图2所示,微弱电流测量电路由电流源、积分器、模数转化器及测量控制单元组成。电流源包含了两个电流方向相反可交替工作的恒流源，其切换由测量控制单元负责，电流源的电流绝对值大于待测电流的绝对值。积分器由积分电容和低偏置电流的运算放大器构成。模数转换器采用高速高精度ADC，用于采集固定时间点的积分电压信号。测量控制单元对固定时间点的积分电压信号进行分析，判断该点的积分电压是否超量程以及过零，并对电流源中的两个恒流源导通进行计数，最终可以得到累计积分电荷。如果积分电压超量程，则设置超量程信号位。如果积分电压过零了，则切换恒流源。

微弱电流测量最基本方式有两种：跨阻法和积分法，其中测量精度和抗噪能力最好的是积分法，但积分器在积分饱和后需要复位。当积分时间和积分输出电压变化一定时，待测电流越小，所需积分电容的容值越小。因而本发明设计了一种测量宽量程范围内微弱电流方法，即采用小容值的积分电容来精确测量微弱电流，使用正负电流源来进行电荷平衡，避免积分器的积分饱和，从而延长积分时间。

测量控制单元的控制流程如图3所示，积分电压信号首先进行超量程判断，再进行过零判断、电流源计数、累计电荷计算。测量控制单元根据过零情况进行电流源的切换，由电流源计数、初始时与结束时电压差转换为电流数字信号，电流数字信号通过输入输出接口输出至其他控制器或显示终端。具体步骤如下：

步骤1：积分器输出电压信号采样。

步骤2：超量程判断：判断积分器输出电压是否超量程，若超量程，则设置超量程标志并进入下一步，超量程标志说明该次测量的初始电压或输入电流超量程，测量结果不可信；若未超量程则进入下一步；

步骤3：过零判断：若积分器输出电压小于零，则开启提供负向电流的恒流源I2，积分器对输入电流I及恒流源I2输入的电流I₂之和进行积分，积分器输出电压线性上升；当积分器输出电压大于等于零时，开启提供正向电流的恒流源I1，积分器对输入电流I及恒流源I1输入的电流I₁之和进行积分，积分器输出电压线性下降；

步骤4：电流源计数：经过时间T后，重复步骤1、步骤2和步骤3，并对电流源中的两个恒流源的导通状态进行计数。若干周期T之后测量结束；

步骤5：计算输入电流I：

假设当测量开始时初始电压小于零，则负向电流的恒流源I2开启，积分器对微弱输入电流I及恒流源输入的电流之和进行积分，积分电压线性上升。经过时间T后，系统对积分器输出电压进行模数转换，判定电压是否过零。当输出电压大于零时，正向电流的恒流源I1开启，积分电压线性下降；当输出电压还小于零时，维持恒流源I2的开启状态，积分电压线性上升。经过若干周期T之后测量结束，输入电流I与恒流源开启的次数以及积分器输出电压与初始电压的差值存在线性关系，公式如下：

式中：V为测量结束时积分器输出电压；V₀为测量启动时积分器输出电压；T为测量采样电压周期；x为恒流源I1开启次数；y为恒流源I2开启次数；I为输入电流；I₁为恒流源I1的电流；I₂为恒流源I2的电流；I_L为系统泄漏电流；C₁为积分电容。

假设所有电流均为恒流，则上式可以变为以下公式：

最终输入电流则由下式得到：

以上公式只是理论计算，在实际测量过程中，积分电容容值C₁、测量采样电压周期T、恒流源的电流以及系统泄漏电流均无法精确测量出来，因此可以通过多点刻度的方法来拟合电流大小的公式，设

K₁＝I₁，K₂＝I₂，K₃＝I_L，其公式如下：

在一块电路中积分电容C₁为固定容值，测量时间T也是固定时间，则K₀为固定系数；恒流源I1和I2输出的电流值也是固定的，积分电压的泄露电流I_L一般也是固定的，则K₁、K₂和K₃也为固定系数。但是实际应用中，每块电路板中电容值、恒流源的电流和电路中的泄露电流都存在离散性，其值并不固定，在生产过程中不可能一一去精确测量积分电容容值、电流源电流以及泄露电流的大小，而且这些值在使用老化过程中都会缓慢变化，因此采用多点刻度拟合的方式确定电流计算公式的系数。本实施例中，至少选择刻度4点才可计算出系数K₀，K₁，K₂，K₃等参数。

本实施例中，4个刻度点只是求得输出电流拟合计算公式的系数，一段时间内系数是固定的，输出电流大小直接按照公式计算即可。测量仪器需要校准的时候，可以刻度4点，求得4个参数，保存参数作为校准后的电流测量计算使用

图4、图5、图6为积分器输出电压与输入电流、恒流源以及时间的关系示意图。其中图4为输入电流为零式的输出电压波形及恒流源状态，积分输出电压的斜率绝对值相等；图5为输入电流为负时(电流的方向与恒流源I2相同)的输出电压波形及恒流源状态，积分输出电压上升的斜率绝对值要比下降的大，为了要达到电荷平衡，因而恒流源I1的开启周期次数要多；图6为输入电流为正时(电流的方向与恒流源I1相同)的输出电压波形及恒流源状态，积分输出电压上升的斜率绝对值要比下降的小，为了要达到电荷平衡，因而恒流源I2的开启周期次数要多。

Claims (4)

1.一种基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路，其特征在于，包括电流源、积分器、模数转换器和测量控制单元；

所述电流源包括两个电流方向相反可交替工作的恒流源I1和恒流源I2，其由测量控制单元控制切换，且电流源的电流绝对值大于待测电流的绝对值；

所述积分器包括积分电容C1和低偏置电流的运算放大器U1，所述积分电容C1连接于运算放大器U1的反相输入端和输出端之间；待测微弱电流和电流源输出端共同连接到运算放大器U1的反相输入端；

所述模数转换器连接到运算放大器U1的输出端，采集固定时间点的积分器输出电压信号，并将积分器输出电压信号发送给测量控制单元；

所述测量控制单元对固定时间点的积分器输出电压信号进行分析，判断该点的积分器输出电压是否超量程或过零，根据过零情况进行两个恒流源的切换，并对两个恒流源导通次数进行计数，用于计算输入电流I。

2.根据权利要求1所述的基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路，其特征在于，所述微弱电流单次测量总周期为工频周期的整数倍。

3.一种基于权利要求1所述测量电路的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：积分器输出电压信号采样；

步骤2：超量程判断：判断积分器输出电压是否超量程，若超量程，则设置超量程标志并进入下一步，；若未超量程则进入下一步；

步骤3：过零判断：若积分器输出电压小于零，则开启提供负向电流的恒流源I2，积分器对输入电流I及恒流源I2输入的电流I₂之和进行积分，积分器输出电压线性上升；当积分器输出电压大于等于零时，开启提供正向电流的恒流源I1，积分器对输入电流I及恒流源I1输入的电流I₁之和进行积分，积分器输出电压线性下降；

步骤4：电流源计数：经过时间T后，重复步骤1、步骤2和步骤3，并对电流源中的两个恒流源的导通状态进行计数；若干周期T之后测量结束；

步骤5：计算输入电流I：

输入电流I与恒流源开启的次数以及积分器输出电压与初始电压的差值存在线性关系，公式如下：

式中：V为测量结束时积分器输出电压；V₀为测量启动时积分器输出电压；T为积分器输出电压采样周期；x为恒流源I1开启次数；y为恒流源I2开启次数；I为输入电流；I₁为恒流源I1的电流；I₂为恒流源I2的电流；I_L为系统泄漏电流；C₁为积分电容；

假设所有电流均为恒流，则将上式变为以下公式：

则输入电流为：

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述多点刻度法中选择至少4个刻度点。

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