CN113804960A - 快速消除fA级电流测试电路底数的电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速消除fA级电流测试电路底数的电路及方法，包括模式切换电路、输入保护电路、运算放大电路、反馈电路、比例运算电路及数模转换电路。在补偿底数模式下，被测电流经过输入保护电路、比例运算电路、反馈电路、运算放大电路，可以算出测试值，采用二分法，可以在最多16次次数以内取得测试值最接近0A时的16位数模转换器输出值，此时16位数模转换器输出的值即为电路内的底数，在后续测试中，16位数模转换器持续输出此值，即可将电路中的底数抵消，使测试值准确且真实。
Description
技术领域：
本发明涉及电子测量技术领域，尤其涉及一种快速消除fA级电流测试电路底数的电路及方法，可以消除测试电路中元器件属性差异及温漂带来的影响，使测试值更加准确且真实。
背景技术：
在测试标准fA级电流时，发现同一电流值在不同温度下，测试值与标准值略有差异，并且在不同硬件电路下测试值也有差异。分析后发现：由于测试电路中的元器件存在温漂、集成运算放大器有失调电压、同型号不同元器件之间存在个体差异等原因，使得测试值会叠加漏电流，产生偏差，且每次偏差值无规律。其实此偏差值为测试电路中的固有底数，无法避免且无法从根本上消除。
因此，需要在fA级电流测试电路中增加底数补偿电路，配合软件算法，可以快速抵消测试电路中固有底数，使测试值真实且准确。
发明内容：
本发明在fA级电流测试电路中增加模式切换模块和数模转换(DAC)电路。在模式切换为补偿底数模式时，根据数模转换(DAC)位数，通过二分法，不断调整DAC输出电压值，测试，在测试值小于底数允许范围时，认为消除底数成功，确定当前数模转换(DAC)电路输出值为底数抵消值。在后续测试中数模转换(DAC)持续输出此值，可抵消电路产生的底数，使测试值真实且准确。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种快速消除fA级电流测试电路底数的电路，包括模式切换电路、输入保护电路、运算放大电路、反馈电路、比例运算电路及数模转换电路。
所述模式切换电路包括若干继电器，用于将电路功能切换到补偿底数模式；
所述输入保护电路与模式切换电路连接，包括两个二极管组成的保护管，用于钳位输入电压，防止瞬间输入大电压，保护后级电路；
所述反馈电路与输入保护电路连接，包括标准量程电阻，用于产生电压；
所述运算放大电路分别与输入保护电路、反馈电路连接，包括若干运算放大器、电阻及电容，根据反馈电路的电压，可以运算出测试值；
所述数模转换电路包括基准电压及数模转换器，用于输出稳定的电压值；
所述比例运算电路分别与数模转换电路、运算放大电路连接，包括基准电压、运算放大器及电阻，用于将数模转换器输出的电压比例运算后输出。
本发明还提供一种上述电路的测试方法，在测试fA级电流时，被测电流经过输入保护电路，比例运算电路，反馈电路，运算放大电路，可以算出一次测试值。
将模式切换到补偿底数模式时，输入为基准0A。数模转换电路中的16位数模转换器(DAC)输出范围为0-65535，改变16位数模转换器(DAC)的值会改变测试到的测试值。采用二分法，可以在最多16次次数以内取得测试值最接近0A时的16位数模转换器(DAC)输出值，此时16位数模转换器(DAC)输出的值即为电路内的底数。在后续测试中，16位数模转换器(DAC)持续输出此DA值，即可将电路中的底数抵消，使测试值准确且真实。
本发明的有益效果是：本发明的快速消除fA级电流测试电路底数的电路及方法可以快速抵消测试电路中固有底数，使测试值真实且准确，保证了测试精度和测试效率。
附图说明：
图1为本发明的快速消除fA级电流测试电路底数的电路的原理框图；
图2为本发明的快速消除fA级电流测试电路底数的电路原理图；
图3为本发明的二分法的取值图；
图4为本发明的二分法的流程图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1、图2所示的一种快速消除fA级电流测试电路底数的电路，包括模式切换电路、输入保护电路、运算放大电路、反馈电路、比例运算电路及数模转换电路。
模式切换模块：由继电器S1、S2、S3组成，用于将电路功能切换到补偿底数模式。
输入保护电路：由二极管D1、D2组成，用于钳位输入电压，防止瞬间输入大电压，保护后级电路。
运算放大电路：由运算放大器(下文简称运放)U1、U2、U3，电阻R2、R3、R9、R10、R11，电容C2组成，根据反馈电路，可以运算出测试值。
反馈电路：由标准量程电阻R1组成。
数模转换电路：由基准电压VREF，16位数模转换器U6(以下简称DAC)组成，用于输出稳定的电压值。
比例运算电路：由基准电压VREF，运放U4、U5，电阻R5、R6、R7、R8、R12组成，用于将DAC-U6输出的电压比例运算后输出。
其测试fA级电流的方法如下：将模式切换模块中继电器S1打到3脚，继电器S2打到3脚，继电器S3打到1脚，此时，被测电流Im经过输入保护电路后，流过反馈电路中的标准量程电阻R1，此时在标准电阻R1上产生压降，有公式：
I＝U/R
运算放大电路根据反馈电路，采样出标准量程电阻R1上的电压，标准量程电阻R1为已知量，即可得出电流测试值。
本发明的工作原理如下：
当在理想状态下，16位数模转换器U6输出2.5V，经过比例放大电路，运放U4输出端输出0V电压，电阻R3的左边也为0V，电阻R3与运放U2+端相连，也为0V，根据运放输入端虚短虚断的特性，运放U2的-端和+端都为0V，且根据虚短虚断，运放U2的-端没有电流，即R2两端为0V，运放U1作为跟随器，使得U1的-端和+端都为0V(虚短虚断)，而输入保护电路D1、D2下面接地(0V)，所以D1、D2上没有电流，从而Im等于流过标准量程电阻R1的电流，使得采样的电压无误差。
可是运放U5、U4、U2、U1的+端和-端有失调电压，是不可避免的，使得运放U4-端电压为Uu4≈0(≠0)，再经过运放U2，使得运放U2-端电压为Uu2≈0(≠0)，再经过U1，使得U1+端电压Uu1≈0(≠0)。此时D1上端与运放U1+端相连，电压为Uu4+Uu2+Uu1，而D1、D2下端为0V，产生压降，此时在保护管D1、D2上产生电流Id，就是漏电流，使得Im＝Im+Id。当有漏电流时，导致在标准量程电阻上采样到的电压为被测电流叠加漏电流产生的压降。
要解决这种情况，需要在测试电路输入端接入一个恒定且已知的量，通过不断调整数模转换器U6输出的值，采样标准量程电阻R1上的电压，算出测试值。当测试值在输入已知量的允许范围内时，说明此时数模转换器U6输出的电压值可以抵消电路元器件产生的底数。所以在后续测试中，持续将数模转换器U6输出此值，即可测出准确真实的值。因为要不断调整数模转换器U6输出的值时，并且要保证在最快时间内找出确定值，所以采用二分法查找的方法。
本发明的二分法查找原理如下：
在调整数模转换器U6输出的值时，由于U6是16位DAC，输出范围为0-65535，如果逐次调整，速度太慢，所以采用二分法查找，流程图见图4所示。将整个输出范围拆分为相等的两半，设定中间值为DAC输出，此时测试一次测试值。当大于允许范围时，说明DAC要减小，在此中间值与分为两半的较小一边再取中间值设为DAC，再次测试；当小于允许范围时，说明DAC要增大，在此中间值与分为两半的较大一边再取中间值设为DAC，再次测试。以此类推，直至设定到某个DAC值时，测试值在允许范围内，说明此次DAC设定值可以抵消电路产生的底数。
因为数模转换器U6是16位DAC，所以在16次(最多16次)以内就可以查找到需要的值。
当需要进行消除电路底数时，执行以下步骤：
1.将模式切换电路切换到补偿底数模式。继电器S1打到3脚，继电器S2打到3脚，继电器S3打到3脚，此时，测试电路输入端接地，所以此时理论上运算放大电路采样到反馈电路上的电压为0V，计算得到测试电流为0A。
2.即将开始二分法查找DAC输出值，定义电路消除底数合格范围为0-5fA。即在二分法查找时，测试值在0-5fA以内就可判定消除底数成功。
3.开始二分法查找。第一次取值，将DAC输出范围(0-65535)从中间分为两个区间，即(0-32768)，(32768-65535)，DAC输出中间值32768，测试一次，得到测试值I1。第二次取值，将I1与合格范围做比较，如I1>5fA(合格范围0-5fA的上限)，说明DCA设置值偏大，需要减小，即在上一次较小区间(0-32768)取中间值，且分为两个区间(0-16384)，(16384-32768)，DAC输出中间值16384，测试一次，得到测试值I2；如I1<0fA(合格范围0-5fA的下限)，说明DCA设置值偏小，需要增大，即在上一次较大区间(32768-65535)取中间值，且分为两个区间(32768-49152)，(49152-65535)，DAC输出中间值49152，测试一次，得到测试值I2。第三次取值与上方法一致，不在赘述。取值见图3所示。
4.获得DAC值。当第n次测试后，测试值In在合格范围0-5fA内，此时测试电路的输入电流为0A，且测试电路测试到的电流值也为0A(在范围内)，测试值真实且准确，所以可以说明此次数模转换器U6输出DAC值已经将电路内元器件漏电流产生的底数清除掉，此次设定的DAC值为需要查找的DAC值。
5.正常测试。查找过程已结束，将模式切换电路切换到正常测试模式，继电器S1打到3脚，继电器S2打到3脚，继电器S3打到1脚。在后续测试中，只要将数模转换器U6持续输出此DAC值即可将电路的固有底数抵消。
6.可重复清除底数。在一段时间后或温度产生变化时，电路内的底数可能较上次发生变化，当需要重新清除电路底数时，重复上述步骤即可。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。
Claims (5)
1.一种快速消除fA级电流测试电路底数的电路，其特征在于：包括模式切换电路、输入保护电路、运算放大电路、反馈电路、比例运算电路及数模转换电路；
所述模式切换电路包括若干继电器，用于将电路功能切换到补偿底数模式；
所述输入保护电路与模式切换电路连接，包括两个二极管组成的保护管，用于钳位输入电压，防止瞬间输入大电压，保护后级电路；
所述反馈电路与输入保护电路连接，包括标准量程电阻，用于产生电压；
所述运算放大电路分别与输入保护电路、反馈电路连接，包括若干运算放大器、电阻及电容，根据反馈电路的电压，可以运算出测试值；
所述数模转换电路包括基准电压及数模转换器，用于输出稳定的电压值；
所述比例运算电路分别与数模转换电路、运算放大电路连接，包括基准电压、运算放大器及电阻，用于将数模转换器输出的电压比例运算后输出。
2.根据权利要求1所述的快速消除fA级电流测试电路底数的电路，其特征在于，所述数模转换器采用16位数模转换器。
3.一种快速消除fA级电流测试电路底数的方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的电路，包括如下步骤：
(1)将模式切换电路切换到补偿底数模式，测试电路输入端接地，运算放大电路采样到反馈电路上的电压为0V，计算得到测试电流为0A；
(2)定义电路消除底数合格范围为0-5fA，测试值在0-5fA以内就可判定消除底数成功；
(3)开始二分法查找数模转换器输出值；
(4)获得数模转换器输出值；
(5)将模式切换电路切换到正常测试模式，在后续测试中，数模转换器持续输出值即可将电路的固有底数抵消；
(6)重复清除底数。
4.根据权利要求3所述的快速消除fA级电流测试电路底数的电路，其特征在于，步骤(3)中，二分法查找数模转换器输出值具体包括如下步骤：
第一次取值，将数模转换器的输出范围0-65535从中间分为两个区间，即0-32768、32768-65535，数模转换器输出中间值32768，测试一次，得到测试值I1；
第二次取值，将I1与合格范围做比较；如I1>5fA，说明数模转换器设置值偏大，需要减小，即在上一次较小区间0-32768取中间值，且分为两个区间0-16384、16384-32768，数模转换器输出中间值16384，测试一次，得到测试值I2；如I1<0fA，说明数模转换器设置值偏小，需要增大，即在上一次较大区间32768-65535取中间值，且分为两个区间32768-49152、49152-65535，数模转换器输出中间值49152，测试一次，得到测试值I2；
依次类推，得到测试值In。
5.根据权利要求4所述的快速消除fA级电流测试电路底数的电路，其特征在于，当第n次测试后，测试值In在合格范围0-5fA内，此时测试电路的输入电流为0A，且测试电路测试到的电流值也为0A，测试值真实且准确，说明此次数模转换器输出值已经将电路内元器件漏电流产生的底数清除掉，此次设定的DAC值为需要查找的DAC值。
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