CN113985109B - 微弱电流测量的装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微弱电流测量的装置和系统，涉及电流测量的技术领域，该装置包括主控器，以及与主控器依次连接的量程切换电路和扩展多路输入电路；其中，扩展多路输入电路包括多个输入通道，量程切换电路包括多个电阻档位通道和多个电阻值不同的采样电阻，每个电阻档位通道与对应的采样电阻相连接；本申请能够利用量程切换电路进行自动切换量程，通过扩展多路输入电路可以进行多路电路的扩展，同时本申请提供的装置将多个电路集成于一起做成一个专门多通道采集微弱电流的装置，实现模块化，减小体积。

Description

微弱电流测量的装置和系统

技术领域

本发明涉及电流测量领域，尤其是涉及一种微弱电流测量的装置和系统。

背景技术

微弱电流测量广泛的应用现代工业的多个领域，微弱电流是一种典型的微弱信号，微弱电流通常小于10-6A，且通常呈现高动态范围特性。目前主流的微弱电流测量方式有I/V变换测量方法，利用阻值较高的精密电阻作为采样电阻将微弱电流转换成可以被检测到的电压，被测电流一般到达nA、uA级别。这种测量方法也应用于万用表等用于测量电路中的微弱电流的仪器。

但是，万用表或与万用表相似的电路都需要测量前预估电流级别去选定测量量程或电路上选定采样电阻。现有的微弱电流测量的装置通常存在需要提前评估被测电路的电流级别、当存在多个测量电路或传感器时，需要手动切换量程，不便于用户的测量使用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微弱电流测量的装置和系统，能够自动切换量程进行微弱电路的测量，提高了用户的使用体验。

第一方面，本发明实施例提供了一种微弱电流测量的装置，其中，该装置包括主控器，以及与主控器依次连接的量程切换电路和扩展多路输入电路；其中，扩展多路输入电路包括多个输入通道，量程切换电路包括多个电阻档位通道和多个电阻值不同的采样电阻，每个电阻档位通道与对应的采样电阻相连接；主控器用于接收测量指令，向扩展多路输入电路发送测量指令对应的通道选通信号，以触发扩展多路输入电路选取与通道选通信号对应的目标输入通道，以将该目标输入通道对应的电流输入电路的电流信号输入至量程切换电路；主控器还用于向量程切换电路发送量程切换信号，以触发量程切换电路切换与量程切换信号对应的目标电阻档位通道，以使电流信号经目标电阻档位通道所对应的目标采样电阻产生电压信号，并将电压信号通过目标电阻档位通道输入至主控器；主控器还用于接收处理后的电压信号，基于电压信号和目标电阻档位通道上的目标采样电阻对电流信号进行测量。

上述扩展多路输入电路还包括多个滤波电路，每个输入通道与对应滤波电路相连接，每个滤波电路与对应的电流输入电路连接；滤波电路用于对电流信号进行滤波处理，并将滤波处理后的电流信号通过目标输入通道输入至量程切换电路。

上述扩展多路输入电路还包括第一多路模拟复用开关，第一多路模拟复用开关包括第一输出端和多个第一输入端，每个滤波电路与对应的第一输入端对应连接，第一输出端与量程切换电路连接，每个第一输入端与第一输出端构成对应的输入通道。

上述量程切换电路包括第二多路模拟复用开关和多个采样电阻，第二多路模拟复用开关包括第二输出端和多个第二输入端，每个采样电阻与对应的第二输入端对应连接，主控器和多个滤波电路均与第二输出端连接，主控器和第一输出端还与多个滤波电路构成的公共点连接，每个第二输入端与第二输出端构成对应的电阻档位通道。

上述装置还包括与主控器和量程切换电路均连接的处理电路；该处理电路用于接收电压信号，对电压信号进行处理，并将处理后的电压信息发送至主控器。

上述处理电路包括依次连接的模数转换电路和放大电路；其中，模数转换电路与主控器连接，放大电路的正端与公共点连接，放大电路的负端与第二输出端连接；放大电路用于接收电压信号，对电压信号进行放大处理，并将放大处理后的电压信号发送至模数转换电路；模数转换电路用于接收放大处理后的电压信号，将电压信号转换成数字电压信号，并将数字电压信号发送至主控器。

上述模数转换电路包括基准电压源和模数转换器，基准电压源连接于模数转换器的REF管脚，模数转换器的输出端连接到主控器。

上述装置还包括与主控器连接的电源模块，用于对主控器进行充电。

第二方面，本发明还提供了一种微弱电流测量的系统，其中，该系统包括上述微弱电流测量的装置，还包括与上述微弱电流测量的装置电连接的多个电流输入电路。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本申请实施例提供了一种微弱电流测量的装置和系统，其中，该装置包括主控器，以及与主控器依次连接的处理电路、量程切换电路和扩展多路输入电路，本申请能够利用量程切换电路进行自动切换量程，无需人为手动进行量程的切换，提高了用户的使用体验，并且，本申请中可以通过扩展多路输入电路进行多路电路的扩展，同时本申请提供的装置将多个电路集成于一起做成一个专门多通道采集微弱电流的装置，实现模块化，减小体积，极大降低了成本和体积。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种微弱电流测量的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种扩展多路输入电路的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种微弱电流测量的装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种微弱电流测量的装置的结构示意图。

图标：

10-主控器；101-电源模块；11-量程切换电路；111-电阻挡位通道；112-采样电阻；113-第二多路模拟复用开关；12-扩展多路输入电路；121-输入通道；122-滤波电路；123-第一多路模拟复用开关；13-处理电路；131-模数转换电路；132-放大电路；311-基准电压源；312-模数转换器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

考虑到现有微弱电流测量需要手动切换档位以及扩展性不好等问题；基于此，本发明实施例提供的一种微弱电流测量的装置和系统，能将利用量程切换电路进行自动切换量程，无需人为手动进行量程的切换，提高了用户的使用体验，并且，本申请中可以通过扩展多路输入电路进行多路电路的扩展，同时本申请提供的装置将多个电路集成于一起做成一个专门多通道采集微弱电流的装置，实现模块化，减小体积，极大降低了成本和体积。

本实施例提供了一种微弱电流测量的装置，其中，参见图1所示的一种微弱电流测量的装置的结构示意图，如图1，该装置包括主控器10，以及与主控器10依次连接的量程切换电路11和扩展多路输入电路12；其中，扩展多路输入电路12包括多个输入通道121，量程切换电路包括多个电阻档位通道111和多个电阻值不同的采样电阻112，每个电阻档位通道111与对应的采样电阻112相连接；主控器10用于接收测量指令，向扩展多路输入电路12发送测量指令对应的通道选通信号，以触发扩展多路输入电路12选取与通道选通信号对应的目标输入通道121，以将该目标输入通道对应的电流输入电路的电流信号输入至量程切换电路11；主控器还用于向量程切换电路11发送量程切换信号，以触发量程切换电路切换与量程切换信号对应的目标电阻档位通道111，以使电流信号经目标电阻档位通道111所对应的目标采样电阻112产生电压信号，并将电压信号通过目标电阻档位通道111输入至主控器10；主控器10还用于接收电压信号，基于电压信号和目标电阻档位通道111上的目标采样电阻112对电流信号进行测量。

如图1所示，以示出的4个采样电阻、电阻挡位通道和输入通道为例进行说明，在实际使用时，采样电阻、电阻挡位通道和输入通道的数量可以根据实际需要进行设置，在此不进行限制。

上述采样电阻和电阻挡位通道是预先确定的，存储在主控器中，首先主控器对所采集未知的大小电流选用最大量程的电阻挡位通道，进行电流值的预估，因为所测量的微弱电流通常不会超过所提供的量程，因此可以预估出待测量的输入电路的大致范围，经过估算后，主控器就可以调用合适的电阻挡位并且选择最佳精度的采样电阻进行挡位的选择。

其中，根据不同挡位的需要，所采用的采样电阻可以根据阻值大小确定不容挡位，从大到小一般可以是10兆欧、1兆欧、100千欧、10千欧、1千欧、100欧等以此类推，根据实际需要可以设置不同差值的采样电阻，但是，具体差值梯度本申请不做具体限制，并且，采样电阻可以是由一个电阻组成也可以是由多个电阻并联或串联组成的，在此不进行限定。

本申请实施例提供的扩展多路输入电路用于扩展多个输入信号，该扩展多路输入电路的输入端连接电流输入信号，输出端连接量程切换电路，主控器可以通过控制该微弱电流测量的装置各个逻辑引脚实现指定的输入通道与输出通道开启连通，从而实现多通道的微弱电流的自动测量。

为了便于理解，如图2示出了一种扩展多路输入电路的结构示意图，该扩展多路输入电路还包括多个滤波电路122，每个输入通道121与对应滤波电路122相连接，每个滤波电路与对应的电流输入电路连接。

滤波电路122用于对电流信号进行滤波处理，并将滤波处理后的电流信号通过目标输入通道输入至量程切换电路11。

扩展多路输入电路12还包括第一多路模拟复用开关123，该第一多路模拟复用开关123包括第一输出端B1和多个第一输入端A1，每个滤波电路122与对应的第一输入端A1对应连接，第一输出端B1与量程切换电路11连接，每个第一输入端A1与第一输出端B1构成输入通道121。

扩展多路输入电路用于扩展多路输入信号，该扩展多路输入电路的第一输入端连接多个经过滤波电路处理过后的电流输入信号。扩展多路输入电路的输出端连接着量程切换电路的第二输入端的采样电阻，量程切换电路的第二输出端同时也经滤波电路连接到输入端的电流回路。并且通过主控器控制量程切换电路可以开启指定的输入电流输出至量程切换电路采样电阻一端，通过电流回路形成回路，从而实现分时切换不同的测量通道测量多个输入电流。

本实施例中的主控器利用扩展多路输入电路的逻辑引脚来控制打开哪个通道，在此，以通道数为4的扩展多路输入电路为例，如4路扩展多路输入电路就会有2个逻辑引脚供主控器控制，通过控制该2个引脚的高低电平来打开具体哪个通道，如逻辑引脚是低电平有效的，2个引脚就能表示4种状态，主控器的2个控制引脚连接到4路扩展多路输入电路的2个逻辑引脚，主控器控制逻辑引脚输出低电平为0，输出高电平为1，则2个控制引脚输出0，0则代表打开通道一，0，1为通道二，如此类推具体的映射如下：

00：打开通道一；01：打开通道二；10：打开通道三；11：打开通道四。

为了便于理解，如图3示出了另一种微弱电流测量的装置的结构示意图，其中，量程切换电路11包括第二多路模拟复用开关113和多个采样电阻112，第二多路模拟复用开关包括第二输出端B2和多个第二输入端A2，每个采样电阻112与对应的第二输入端A2对应连接，主控器10和多个滤波电路122均与第二输出端B2连接，主控器10和第一输出端B1还与多个滤波电路122构成的公共点C连接，每个第二输入端A2与第二输出B2端构成电阻档位通道。

为了便于理解，如图4示出了另一种微弱电流测量的装置的结构示意图，该装置还包括与主控器10和量程切换电路11均连接的处理电路13；处理电路13用于接收电压信号，对电压信号进行处理，并将处理后的电压信息发送至主控器10。

处理电路13包括依次连接的模数转换电路131和放大电路132；其中，模数转换电路131与主控器10连接，放大电路132的正端与公共点C连接，放大电路的负端与第二输出端B2连接；

放大电路132用于接收电压信号，对电压信号进行放大处理，并将放大处理后的电压信号发送至模数转换电路131；

模数转换电路131用于接收放大处理后的电压信号，将电压信号转换成数字电压信号，并将数字电压信号发送至主控器10。

模数转换电路131包括基准电压源311和模数转换器312，基准电压源311连接于模数转换器的REF(Reference，基准电压)管脚，模数转换器312的输出端D连接到主控器10。

该装置还包括与所述主控器10连接的电源模块101，用于对主控器10进行充电。

本发明实施例所使用的电流测量原理为电流/电压变换测量法，通过串联一个已知阻值精密采样电阻到被测电路中，电路闭合后电流流经采样电阻产生压降，在待检电流两端接有高阻抗，低漂移，放大倍数足够大的放大电路对电阻两端的电压进行放大并由高精度的数模转换器将模拟电压信号转换成数字电压信号，从而完成信号的转换。数模转换器转换完成后传输到主控器由主控器根据欧姆定律计算出流经该采样电阻的电流值。至此一个转换流程完成。其中，上述放大电路的主要构成为仪表放大器，也可以利用其他可以实现本申请实施例效果的其他放大器，在此不作限制。

当需要选择量程时，量程切换电路的第二多路模拟复用开关的第二输入端接入多个不同等级阻值的采样电阻。从而实现了通过开启指定量程切换电路输入与输出通道，使放大电路放大流经指定的采样电阻两端的待检电流的电压。

当需要扩展多路输入电路的第一输入端连接多个经过滤波电路处理过后的电流输入信号。扩展多路输入电路的第一输出端连接着扩展多路输入电路的滤波电路构成的公共点，量程切换电路的第二输出端同时也经滤波电路连接到扩展多路输入电路输入端的电流回路。通过主控器控制第二多路模拟复用开关的逻辑引脚可以开启指定的输入电流输出至第二多路模拟开关输入端的采样电阻公共端，通过电流回路形成回路，从而实现分时切换不同的测量通道测量多个输入电流。

第二多路复用模拟开关可以根据需求接入一定数量和不同电阻等级的采样电阻，从而细分测试电流的档位，由于微弱电流值很细，想要使流经采样电阻的待检电流的电压能被仪表放大器所检测到，采样电阻阻值必须足够大，测量纳安级别的电流需要使用1兆欧-10兆欧的电阻。根据需求选择满足最细电流测量需求的电阻后，电阻值逐级减小，形成平滑测量过渡。

当测量的硬件电路实现后，便可通过对主控器进行编程，设计一个智能的控制程序，使得各器件能和谐协调工作，不会产生冲突。根据硬件电路，设计测量算法，实现根据用相对较小的电阻初步测量输入电流粗略值，得出粗略值后，算法程序选择最适合测量该电流值的电阻档位通道，从而实现高精度的自动测量，减少人为估算误差。

本申请实施例提供的量程切换电路和扩展多路输入电路均使用了两个或以上多路模拟复用开关来实现本申请实施例所需要达到的效果。

该器件具有以下特点：输入阻抗低，漏电流小，可通过电流大，开关速度快，具有多个输入通道，一个输出通道，可以控制其中一个输入通道与输出通道相连通而保持其他通道断开连接。可通过主控MCU控制该器件的逻辑引脚实现指定的输入通道与输出通道开启连通。

通过多路复用模拟开关的组合使用，使得本申请实施例的方案不受器件的限制，可以通过串联多个多路模拟复用开关从而扩展采样电阻的数量，从而提高测量档位数，使测量更加平滑。也可以增加输入的电流通道，增加可以测量的电流传感器数量。对此本申请实施例在此不做具体限制。

本申请实施例提供的采样电阻的阻值为1兆欧-10兆欧。

本申请实施例提供的微弱电流测量的装置设置在PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)板上，且，该PCB板的材质为聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜或氟化乙丙烯薄膜。

本实施例还提供了一种微弱电流测量的系统，该系统包括上述微弱电流测量的装置，还包括与微弱电流测量的装置电连接的多个电流输入电路。

以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种微弱电流测量的装置，其特征在于，所述装置包括主控器，以及与所述主控器依次连接的量程切换电路和扩展多路输入电路；其中，所述扩展多路输入电路包括多个输入通道，所述量程切换电路包括多个电阻档位通道和多个电阻值不同的采样电阻，每个所述电阻档位通道与对应的采样电阻相连接；

所述扩展多路输入电路还包括多个滤波电路，每个所述输入通道与对应所述滤波电路相连接，每个所述滤波电路与对应的电流输入电路连接；

所述滤波电路用于对电流信号进行滤波处理，并将滤波处理后的所述电流信号通过目标输入通道输入至所述量程切换电路；

所述扩展多路输入电路还包括第一多路模拟复用开关，所述第一多路模拟复用开关包括第一输出端和多个第一输入端，每个所述滤波电路与对应的所述第一输入端对应连接，所述第一输出端与所述量程切换电路连接，每个所述第一输入端与所述第一输出端构成输入通道；

所述量程切换电路包括第二多路模拟复用开关和多个所述采样电阻，所述第二多路模拟复用开关包括第二输出端和多个第二输入端，每个所述采样电阻与对应的所述第二输入端对应连接，所述主控器和多个所述滤波电路均与所述第二输出端连接，所述主控器和所述第一输出端还与多个所述滤波电路构成的公共点连接，每个所述第二输入端与所述第二输出端构成电阻档位通道；

所述主控器用于接收测量指令，向所述扩展多路输入电路发送所述测量指令对应的通道选通信号，以触发所述扩展多路输入电路选取与所述通道选通信号对应的目标输入通道，以将该目标输入通道对应的电流输入电路的电流信号输入至所述量程切换电路；

所述主控器还用于向所述量程切换电路发送量程切换信号，以触发所述量程切换电路切换与所述量程切换信号对应的目标电阻档位通道，以使所述电流信号经所述目标电阻档位通道所对应的目标采样电阻产生电压信号，并将所述电压信号通过所述目标电阻档位通道输入至所述主控器；

所述主控器还用于接收所述电压信号，基于所述电压信号和所述目标电阻档位通道上的目标采样电阻对所述电流信号进行测量。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述主控器和所述量程切换电路均连接的处理电路；

所述处理电路用于接收所述电压信号，对所述电压信号进行处理，并将处理后的所述电压信号发送至所述主控器。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述处理电路包括依次连接的模数转换电路和放大电路；其中，所述模数转换电路与所述主控器连接，所述放大电路的正端与所述公共点连接，所述放大电路的负端与所述第二输出端连接；

所述放大电路用于接收所述电压信号，对所述电压信号进行放大处理，并将放大处理后的所述电压信号发送至所述模数转换电路；

所述模数转换电路用于接收放大处理后的所述电压信号，将所述电压信号转换成数字电压信号，并将所述数字电压信号发送至所述主控器。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述模数转换电路包括基准电压源和模数转换器，所述基准电压源连接于所述模数转换器的REF管脚，所述模数转换器的输出端连接到所述主控器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述主控器连接的电源模块，用于对所述主控器进行充电。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采样电阻的阻值为1兆欧-10兆欧。

7.一种微弱电流测量的系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1-6任一项所述微弱电流测量的装置，还包括与所述微弱电流测量的装置电连接的多个电流输入电路。