CN114167130B - 用于高内阻电源测量的精密电压表的电压检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高内阻电源测量的精密电压表的电压检测电路及方法，包括输入钳位电路、同相跟随电路、自举电路及量程选择电路。本发明将电压表输入电阻提高到了200TΩ以上，输入偏置电流降低到5fA以下，解决了普通电压表无法测量高内阻电压源的问题，同时还保证测量结果准确度达到100ppm。

Description

用于高内阻电源测量的精密电压表的电压检测电路及方法

技术领域：

本发明涉及电子测量技术领域，尤其涉及一种用于高内阻电源测量的精密电压表的电压检测电路及其检测方法。

背景技术：

电压是最基本的电学量之一，科研和生产中经常要测量各种样品的电压值。理想的电压表内阻无穷大，但实际情况下并非如此。例如，普通的手持式万用电压表功能的内阻一般在10MΩ左右，使用这种电压表来测量高内阻电压源的电压时，由于电压表内阻的分压作用，测得的电压值将显著小于实际被测件两端的电压。另一方面，由于普通电压表内阻较小且输入偏置电流较大，使用其测量电容器两端电压时，将不可避免地使电容器放电，使测量值无法稳定。

发明内容：

针对目前电压表内阻较小、输入偏置电流较大、无法精确测量高内阻电源的缺点，本发明所述的电压检测电路及检测方法将电压表输入电阻提高到了200TΩ以上，输入偏置电流降低到5fA以下，解决了普通电压表无法测量高内阻电压源的问题，同时还保证测量结果准确度达到100ppm。

本发明提供一种用于高内阻电源测量的精密电压表的电压检测电路，包括输入钳位电路、同相跟随电路、自举电路及量程选择电路，所述同相跟随电路分别与输入钳位电路、自举电路及量程选择电路相连，所述自举电路与同相跟随电路相连，所述量程选择电路分别与同相跟随电路、自举电路相连。

被测电压信号首先经过同轴电缆芯线接入仪器，通过输入钳位电路，然后通过同相跟随电路，同相跟随电路输出信号分成三路，一路输出到同轴电缆屏蔽层，一路接入量程选择电路，还有一路反馈给自举电路，量程选择电路根据量程不同将电压缩放不同的倍数，最后经过模数转换电路将模拟信号转换为数字信号传输给处理器，自举电路用于给同相跟随电路的运放供电。

各部分电路的具体原理如下：

输入钳位电路由两个二极管、两个第一稳压管和两个第一电阻组成，其中两个二极管为低漏电流二极管，导通电压为Vd，第一稳压管齐纳电压为Vz。当输入电压U>Vz+Vd时，二极管D1导通，输入电压将被拉低到Vz+Vd；当输入电压U<-(Vz+Vd)时，二极管D2导通，输入电压将被拉高到-(Vz+Vd)；当输入电压-(Vz+Vd)<U<Vz+Vd，二极管D1和D2都未导通，输入电压不受影响，同时，由于两个二极管的漏电流非常小，保证了电压表内阻不因为保护电路的而减小。

本发明中同相跟随电路的主要功能有二：1、使用高输入阻抗的运算放大器作为电压表的输入级，将电压表的等效阻抗提高到TΩ级；2、输出一个与输入电压相等的电压，此电压连接到同轴电缆屏蔽层，使同轴电缆屏蔽层和芯线电势差为0。对于一般的电压表的连接方式，测量输入端接线未做任何处理，此时若测量具有很高输出电阻的电压源时，由于输入端接线对电源地之间必然存在绝缘电阻和电缆电容，那么最终电压表测得的电压值实际上将等于线缆对地的绝缘电阻上的分压值，而且受电缆电容的影响，测量速度也将大大降低。本发明中，在输入端接线使用了同轴电缆，并使电缆的屏蔽层具有了和芯线相同的电压，因此，虽然同轴电缆的芯线和屏蔽层之间仍然存在绝缘电阻和电缆电容，根据欧姆定律，流过该处的电流为0，所以这些电阻和电容不再会对电压测量产生影响。

本发明中同相跟随电路使用一个低输入偏置电流、高输入阻抗的第一运算放大器及一个第二电阻实现，以保证电压表具有高阻抗。不过由于低输入偏置电流、高输入阻抗的运放的最大允许的供电电压范围一般都不大，这使得允许的输入电压的也只能在较小的范围内。为使电压表能测更大范围的电压，同时使运放始终工作在最佳的工作点，增加下述的自举电路。

自举电路由三个NPN晶体管、三个PNP晶体管、两个第二稳压管、六个第三电阻和两个电容组成。其中，晶体管Q1、Q2、Q3、Q4，电阻R3、R4、R5、R6组成两个电流镜像电路。Q1和Q2两个晶体管的基极电流几乎恒定，所以Q1和Q2的集电极电流也保持恒定。又因为Q5和Q6两个晶体管的基极电流远小于Q3和Q4的集电极电流，则第二稳压管的电流也可以视为恒定值，因此，第二稳压管两端的压差将保持恒定，不随输入电压的变化而变化。通过该电路，可使运放的正供电电压始终比输入电压高恒定值，负供电电压始终比输入电压低恒定值，即实现了供电电压整体随输入电压的浮动。

量程选择电路由一个第二运算放大器、三个第四电阻、一个双刀双掷开关组成，通过开关的通断，可以实现对不同的缩放倍数，对应于不同的测量量程，将被测电压缩放到合适的值。一般的量程选择电路通常只使用一个单刀多掷开关S1B，输出电压从c处引出，这种方式中实际的量程电阻将串联了开关S1B接触电阻，由于接触电阻本身不稳定，会导致最终测量结果的不准确。本发明中为了避免这种情况，使用双刀双掷开关，即增加一个开关S1A，从a处或b处引出输出电压，避免了开关S1B接触电阻对输出电压的影响。

本发明的有益效果是：

1.使用同相跟随电路产生一个与输入电压相等的电压，施加到输入电缆的屏蔽层，使得输入电缆上的泄漏电流为0，防止电缆的绝缘电阻和电容对测量产生影响；

2.使用自举电路为运放提供随输入电压浮动的供电电压，扩展了运放允许输入的电压范围，同时使运放始终工作在其最佳工作点，减小了失真；

3.使用电流镜像电路保证了自举电路中稳压管电流的恒定，使稳压管压降值更精确，保证了运放供电电压的稳定性；

4.使用双刀双掷开关代替量程选择电路中的单刀双掷开关，防止了开关接触电阻对电压放大的影响，实现了精密的准确的电压变换。

附图说明：

图1是本发明的用于高内阻电源测量的精密电压表的电压检测电路的结构示意图；

图2为本发明的用于高内阻电源测量的精密电压表的电压检测电路的电路原理图；

图3为本发明针对高阻源测量中防止漏电流的保护方法的原理图。

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所示的一种用于高内阻电源测量的精密电压表的电压检测电路，包括输入钳位电路、同相跟随电路、自举电路及量程选择电路，所述同相跟随电路分别与输入钳位电路、自举电路及量程选择电路相连，所述自举电路与同相跟随电路相连，所述量程选择电路分别与同相跟随电路、自举电路相连。

具体地，如图2所示，输入钳位电路由两个二极管D1、D2，两个稳压管D3、D4和两个电阻R8、R9组成，其中D1和D2为低漏电流二极管，导通电压为Vd，D3和D4齐纳电压为Vz。当输入电压U>Vz+Vd时，二极管D1导通，输入电压将被拉低到Vz+Vd；当输入电压U<-(Vz+Vd)时，二极管D2导通，输入电压将被拉高到-(Vz+Vd)；当输入电压-(Vz+Vd)<U<Vz+Vd，二极管D1和D2都未导通，输入电压不受影响，同时，由于两个二极管的漏电流非常小，保证了电压表内阻不因为保护电路的而减小。

本发明中同相跟随电路包括一个低输入偏置电流、高输入阻抗的运算放大器U1和电阻R7。同相跟随电路输出信号分成三路，一路输出到同轴电缆屏蔽层，一路接入量程选择电路，还有一路反馈给自举电路。

自举电路由三个NPN晶体管Q3、Q4、Q5，三个PNP晶体管Q1、Q2、Q6，两个稳压管D5、D6，六个电阻R1～R6和两个电容C1、C2组成。其中，晶体管Q1、Q2型号相同，Q3、Q4型号相同，Q5、Q6为功率晶体管，R3＝R4＝R5＝R6。连接方式见附图2。晶体管Q1、Q2电阻R3、R4组成一个电流镜像电路，晶体管Q3、Q4电阻R5、R6组成另一个对称的电流镜像电路。Q1和Q2两个晶体管的基极相连，所以基极电位相等，又由于Q1和Q2型号相同，所以R3和R4上的压降相同，所以R3和R4上的电流相等，所以R2和D5、D6上的电流相等。由于Q1，Q3的工作状态恒定，所以R2上的电流恒定，所以D5、D6的电流恒定，所以D5、D6的压降恒定，设其为Vc。设Q5和Q6的基极与射极间的电压为Vbe。易得V+＝Vmid+Vc-Vbe，V-＝Vmid-Vc+Vbe，所以供电电压差模值V+-V-＝2(Vc–Vbe)，供电电压共模值(V++V-)/2＝Vmid。因此，实现了运放供电电压恒定，且随输入电压变化而变化。

量程选择电路由一个运算放大器U2、三个精密电阻R10、R11、R12，一个双刀双掷开关S1组成。一般的量程选择电路通常只使用一个单刀多掷开关S1B，输出电压从c处引出，这种方式中实际的反馈电阻串联了开关S1B接触电阻，由于接触电阻本身不稳定，会导致最终测量结果的不准确。本发明中为了避免这种情况，使用双刀双掷开关，即增加一个开关S1A，从a处或b处引出输出电压，避免了开关S1B接触电阻对输出电压的影响。

下面结合实施例进行具体说明，连接方式参考附图3。

(1)首先，为了模拟高内阻的电压源，准备一个已校准过的6.5位稳恒电压源和一个50GΩ电阻，将它们串联起来，普通稳恒电压源的内阻一般在几欧姆到几十欧姆，相对于50G电阻可忽略不计。

(2)使用同轴电缆线的芯线连接被测电压源的正输出端和所述电压表的输入端；

(3)将所述电压表的地端和被测电压源的负输出端连接到同一地端，同时将步骤(2)中的同轴电缆的屏蔽层连接到该地端；

(4)令电压源输出10.00000V电压，开始测量，约1s后，所述电压表测得电压值稳定到9.956231V，此时如果移动或触碰同轴电缆，测量值会产生明显跳动，跳动幅度约±0.2V。以上即为未加保护的电压测量方式。

(5)在其他条件不变的情况下，将同轴电缆的屏蔽层从地端断开，连接到所述电压表的输入保护端。

(6)同样，令电压源输出10.00000V电压，开始测量，约1s后，所述电压表测得电压值稳定到9.997943V，此时如果移动或触碰同轴电缆，测量值不会产生明显跳动。以上即为加保护的电压测量方式。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于高内阻电源测量的精密电压表的电压检测电路，其特征在于，包括输入钳位电路、同相跟随电路、自举电路及量程选择电路；

所述输入钳位电路包括两个二极管、两个第一稳压管及两个第一电阻，输入电压经二极管、第一稳压管稳压后输出；

所述同相跟随电路分别与输入钳位电路、自举电路及量程选择电路相连，包括第一运算放大器及第二电阻，同相跟随电路输出信号分成三路，一路输出到同轴电缆屏蔽层，一路接入量程选择电路，还有一路反馈给自举电路；

所述自举电路与同相跟随电路相连，包括三个NPN晶体管、三个PNP晶体管、两个第二稳压管、两个电容及若干第三电阻，NPN晶体管、PNP晶体管及第三电阻组成两个对称的电流镜像电路，使运算放大器的正供电电压始终比输入电压高恒定值，负供电电压始终比输入电压低恒定值；

所述量程选择电路分别与同相跟随电路、自举电路相连，包括第二运算放大器、双刀双掷开关及若干第四电阻，第二运算放大器、双刀双掷开关分别与第四电阻相连，通过双刀双掷开关的通断，实现电压不同的缩放倍数，对应于不同的测量量程，将被测电压缩放到合适的值。

2.根据权利要求1所述的用于高内阻电源测量的精密电压表的电压检测电路，其特征在于，所述二极管为低漏电流二极管。

3.根据权利要求2所述的用于高内阻电源测量的精密电压表的电压检测电路，其特征在于，所述第一运算放大器为低输入偏置电流、高输入阻抗的运算放大器。

4.一种用于高内阻电源测量的精密电压表的电压检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的用于高内阻电源测量的精密电压表的电压检测电路，包括如下步骤：

(1)使用同轴电缆线的芯线连接被测电压源的正输出端和电压表的输入端，同轴电缆的屏蔽层连接所述电压表的输入保护；

(2)将电压表的地端和被测电压源的负输出端连接到同一地端；

(3)电压表量程选择固定量程的大电压档或自动量程；

(4)对电压表开始测试，若选择了固定量程大电压档，再根据测得的结果决定是否需要使用小电压量程。