CN115469139B - 电流测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流测量装置和方法，该电流测量装置包括：电流转换模块，包括缠绕在闭合导磁芯上的多个匝数互不相同的一次绕组和匝数固定的二次绕组，用于对输入的待测电流按预设比例缩小后输出；量程选择模块，量程选择模块的输入端与待测装置连接，量程选择模块的输出端分别与电流转换模块的多个一次绕组连接，用于导通目标一次绕组与待测装置之间的测量通路，以将待测装置的待测电流传输至测量通路，目标一次绕组为多个一次绕组中的一个；采样模块，与电流转换模块连接，用于将电流转换模块输出的电流采样成模拟电压信号，模拟电压信号、以及目标一次绕组与二次绕组的匝数比用于计算待测电流。该电流测量装置可实现宽频大电流的准确测量。

Description

电流测量装置和方法

技术领域

本发明涉及仪器测量技术领域，特别是涉及一种电流测量装置和方法。

背景技术

精密仪器是电子工业领域经常要使用的仪器，比如宽频跨导放大器、多功能校准源等，而在设计这类仪器时需要对内部电流进行采样测量，比如对宽频大电流进行测量。

传统的对宽频大电流进行测量时，常常以分流器为测量核心，采用大小宽频分流器组合，对大电流和小电流分别进行直接测量。理想的交直流分流器在经过直流电流和交流电流时应具有相同电阻值，且经过分流器的输入电流与两端的采样电压之间的相位差应为零。根据欧姆定律，已知分流器的采样电阻和采样电压的前提下，可计算得出输入电流值。

由于大多数分流器仅能够在直流或工频下进行测量，如果一定要对宽频大电流进行测量，则对分流器的设计和制造工艺提出了很高要求。由于宽频电流测量回路不可避免的会引入引线电感等分布参数，引线电感引入的电压会造成测量的误差，从而影响输出电流的准确度，存在测量不准确的问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种可以准确测量宽频大电流的电流测量装置和方法。

第一方面，本申请提供一种电流测量装置，包括：

电流转换模块，包括缠绕在闭合导磁芯上的多个匝数互不相同的一次绕组和匝数固定的二次绕组，用于对输入的待测电流按预设比例缩小后输出；

量程选择模块，所述量程选择模块的输入端与待测装置连接，所述量程选择模块的输出端分别与所述电流转换模块的多个一次绕组连接，用于导通目标一次绕组与所述待测装置之间的测量通路，以将所述待测装置的待测电流传输至所述测量通路，其中，所述目标一次绕组为多个一次绕组中的一个；

采样模块，与所述电流转换模块连接，用于将所述电流转换模块输出的电流采样成模拟电压信号，所述模拟电压信号、以及所述目标一次绕组与所述二次绕组的匝数比用于计算所述待测装置的电流值。

上述电流测量装置，电流转换模块包括有缠绕在导磁芯上的多组匝数互不相同的一次绕组和匝数固定的二次绕组，可以实现电流量程的宽量程转换。针对待测装置的待测电流的大小，可通过量程选择模块选择导通电流转换模块的多个一次绕组中的目标一次绕组，从而实现对电流量程的自适应切换，以将待测电流按预设比例缩小。进而再通过采样模块对缩小后的电流进行模拟电压信号的采样，该模拟电压信号可用于准确地计算得到缩小后的电流值，再根据目标一次绕组和二次绕组间的匝数比，将计算得到的电流值进行反比例转换，就能准确地得到该待测装置的电流值。本申请中用多组、多个线圈组合切换输入的方式，替代传统大小宽频分流器组合方案，可以节省成本，同时能够有效避免传统分流器在测量大电流时引入引线电感等分布参数而带来的测量误差问题，可以准确地实现了宽频大电流的精密测量。

在其中一个实施例中，所述采样模块包括模式选择电路、开关电路、直流标准电阻和交流标准电阻，其中：

所述模式选择电路的输入端与所述电流转换模块的输出端连接，所述模式选择电路的输出端与所述开关电路的第一端连接，所述开关电路的第二端分别与直流标准电阻和交流标准电阻连接；

其中，所述模式选择电路在检测到所述电流转换模块输出的电流为直流信号时，控制所述开关电路导通所述直流标准电阻与所述电流转换模块之间的直流通路；所述模式选择电路在检测到所述电流转换模块输出的电流为交流信号时，控制所述开关电路导通所述交流标准电阻与所述电流转换模块之间的交流通路。

在其中一个实施例中，所述开关电路包括继电器组件，所述继电器组件的使能控制端为所述开关电路的第一端，所述继电器组件的第一输出端和第二输出端为所述开关电路的第二端，所述继电器组件的第一输出端与所述直流标准电阻连接，所述继电器组件的第二输出端与所述交流标准电阻连接；其中，

所述模式选择电路用于在所述电流转换模块输出的电流为直流信号时，输出低电平至所述继电器组件的使能控制端，以使得所述继电器组件的使能控制端与第一输出端导通；

所述模式选择电路还用于在所述电流转换模块输出的电流为交流信号时，输出高电平至所述继电器组件的使能控制端，以使得所述继电器组件的使能控制端与第二输出端导通。

在其中一个实施例中，所述模式选择电路包括电容、放大单元、整流电路和加法器，其中：

所述电容的第一端与所述电流转换模块的输出端连接；

所述放大单元的第一输入端与所述电容的第二端连接，所述放大单元的第二输入端接地，所述放大单元用于对流经所述电容的交流信号进行放大处理；

所述整流电路的第一端与所述放大单元的输出端连接，用于对放大后的交流信号进行全波整流；

所述加法器的第一输入端与所述整流电路的第二端连接，所述加法器的第二输入端接地，所述加法器的输出端与所述开关电路连接，用于将接收的控制信号传输至所述开关电路。

在其中一个实施例中，所述整流电路包括：

半波整流单元，所述半波整流单元的输入端与所述放大单元的输出端连接，所述半波整流单元用于对接收的交流信号进行半波整流处理；

第一二极管，所述第一二极管的阴极与所述半波整流单元的输出端连接，所述第一二极管的阳极分别与所述半波整流单元的输入端、所述加法器的第一输入端连接；

第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述半波整流单元的输出端连接，所述第二二极管的阴极与所述半波整流单元的输入端连接。

在其中一个实施例中，所述半波整流单元包括放大器、第三二极管、第四二极管、第一三极管和第二三极管：

所述放大器的第一输入端与所述放大单元的输出端连接，所述放大器的第二输入端接地；

所述第三二极管的阴极与所述放大器的输出端连接，所述第三二极管的阳极分别与外接正电源、所述第一三极管的控制端连接；

所述第四二极管的阳极与所述放大器的输出端连接，所述第四二极管的阴极分别与外接负电源、所述第二三极管的控制端连接；

所述第一三极管的第一端与所述外接正电源连接，所述第一三极管的第二端与所述第一二极管的阴极连接；

所述第二三极管的第一端与所述外接负电源连接，所述第二三极管的第二端与所述第一二极管的阴极连接。

在其中一个实施例中，所述量程选择模块包括多个开关，各所述开关的第一端分别与所述待测装置连接，多个所述开关的第二端分别与多个一次绕组一一对应连接。

在其中一个实施例中，所述电流转换模块包括电流比较仪，所述电流比较仪的数量为多个，每个所述电流比较仪提供的各一次绕组分别与所述量程选择模块的输出端连接，每个一次绕组对应一个电流量程，多个所述电流比较仪用于共同提供n个电流量程，所述量程选择模块用于从所述n个电流量程中选择一个目标电流量程；其中，n为大于1的正整数。

在其中一个实施例中，所述电流比较仪包括第一电流比较仪和第二电流比较仪，所述第一电流比较仪用于提供1000A量程、200A量程和100A量程，所述第二电流比较仪用于提供20A量程、10A量程和1A量程。

第二方面，本申请提供一种电流测量方法，应用于上述的电流测量装置，所述方法包括：

获取待测装置的电流预测范围，根据所述电流预测范围确定目标电流量程；

根据所述目标电流量程确定电流转换模块中的目标一次绕组，并控制导通所述目标一次绕组与所述待测装置之间的测量通路；

获取采样模块对所述电流转换模块输出的电流进行采样得到模拟电压信号；

根据所述模拟电压信号的电压值、所述采样模块的采样参数、所述目标电流量程对应的预设比例，确定所述待测装置的电流值。

上述电流测量方法，基于待测装置的电流预测范围，确定与电流预测范围相匹配的目标电流量程，从而可导通与该目标电流量程对应的目标一次绕组，这样通过电流转换模块将待测电流按预设比例缩小后输出。进而再通过采样模块对缩小后的电流进行模拟电压信号的采样，该模拟电压信号可用于准确地计算得到缩小后的电流值，根据目标一次绕组和二次绕组间的匝数比，就可准确地计算得到该待测装置的电流值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为一个实施例的电流测量装置的结构示意图；

图2为一个实施例中量程选择模块的结构示意图；

图3为一个实施例中采样模块的结构示意图；

图4为模式选择电路的电路结构示意图；

图5为又一个实施例中电流测量装置的结构示意图；

图6为一个实施例中电流比较仪的绕组实现原理图；

图7为另一个实施例中电流比较仪的绕组实现原理图；

图8为另一个实施例中电流测量装置的结构示意图；

图9为一个实施例中电流测量方法的流程示意图。

附图标记说明：

10-电流测量装置，11-量程选择模块，12-电流转换模块，13-采样模块，14-驱动电路，131-模式选择电路，132-开关电路，133-直流标准电阻，134-交流标准电阻，1311-放大单元，1312-整流电路，13121- 半波整流单元，141-第一驱动电路，142-第二驱动电路。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一二极管称为第二二极管，且类似地，可将第二二极管称为第一二极管。第一二极管和第二二极管两者都是二极管，但其不是同一二极管。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

在一个实施例中，如图1所示，提供一种电流测量装置10，包括：量程选择模块11、电流转换模块12和采样模块13。其中，电流转换模块12，包括缠绕在闭合导磁芯上的多个匝数互不相同的一次绕组和匝数固定的二次绕组，用于对输入的待测电流按预设比例缩小后输出。其中，待测电流为待测装置的输出电流。其中，待测装置是需要进行电流测量的仪器，比如高精度的直流电源、高精度的交流电源、宽频跨导放大器、或多功能校准源等精密测量仪器。

电流转换模块12包括缠绕在封闭导磁芯的一端的一次绕组，以及缠绕在封铁导磁芯的另一端的二次绕组。该导磁芯具体可以是铁芯，也可以通过由其他导磁材料制作而成，比如铁硅系合金或铁铝系合金等材料制作而成，本申请实施例对此不做限定。本申请实施例中的电流转换模块设计有多个匝数互不相同的一次绕组，用于提供多个电流量程。

其中，电流转换模块12将一次侧大电流转换成二次侧小电流是基于磁动势F=N1*I1=N2*I2的原理，在已知一次绕组的线圈匝数N1和二次绕组的线圈匝数N2的情况下，可将一次侧电流I1按相应的匝数比进行缩小得到二次侧输出电流I2，I2=（N1/N2）*I1。举例说明，当一次绕组的线圈匝数N1为10匝，二次绕组的线圈匝数N2为2000匝的情况下，可将一次侧电流I1按相应的匝数比进行缩小得到二次侧输出电流I2,I2=（10/2000）I1,比如，当I1为200A时，那么经过比例转换后的I2就为1A。

电流转换模块12具体可以是电流比较仪、穿心式电流互感器或霍尔电流传感器等，可实现将输入的一次侧大电流按一次绕组和二次绕组的线圈匝数比进行缩小得到二次侧电流输出。示例性地，电流比较仪具体可以是零磁通电流比较仪，零磁通电流比较仪是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器。通过设置有不同的线圈匝数的一次绕组和二次绕组，能实现将大电流转换成小电流输出。需要说明的是，零磁通电流比较仪的测量精度很高，在高精度宽频大电流测量中可实现电流的准确转换。

量程选择模块11的输入端与待测装置连接，量程选择模块11的输出端分别与电流转换模块12的多个一次绕组连接，用于导通目标一次绕组与待测装置之间的测量通路，以将待测装置的待测电流传输至测量通路，其中，目标一次绕组为多个一次绕组中的一个。量程选择模块11可用于选择导通其中一个一次绕组，以选择与待测装置的待测电流相匹配的目标电流量程。

在一些实施例中，量程选择模块11可通过一组继电器实现，多个继电器的第一端分别与待测装置连接，多个继电器的第二端与多个一次绕组一一对应连接。量程选择模块11还可通过单刀多路开关实现，该单刀多路开关的第一端与待测装置连接，该单刀多路开关的多个第二端分别与多个一次绕组一一对应连接。

具体地，每个一次绕组可对应一个电流量程，在获取了待测装置的待测电流的电流预测范围后，可从多个电流量程中确定与电流预测范围相匹配的目标电流量程，并将目标电流量程所对应的一次绕组作为目标一次绕组。通过量程选择模块11导通目标一次绕组与待测装置之间的测量通路，如此，便能按照目标一次绕组和二次绕组的匝数比，对待测电流进行比例转换后输出。

采样模块13，与电流转换模块12连接，用于将电流转换模块12输出的电流采样成模拟电压信号，该模拟电压信号、以及目标一次绕组与二次绕组的匝数比用于计算待测装置的电流值。采样模块13具体可以通过标准电阻或者分流器实现，用于对电流转换模块12输出的二次侧电流采样成模拟电压信号。这样，在已知模拟电压信号的采样电压、以及采样模块的采样电阻的情况下，通过欧姆定律就可计算出二次侧输出电流的电流值。进而通过目标一次绕组与二次绕组的匝数比进行转换，即可得到待测装置的内部电流值。

需要说明的是，电流转换模块12（比如零磁通电流比较仪）的电流变换比例通常为一固定值，且受制于磁芯材料、零点电流等影响，一般只能保证其额定满量程值的预设范围内的转换准确性，额定满量程值的预设范围比如5%~100%。若在低于额定满量程值5%的情况下，其电流转换的准确性会出现偏差，因此会带来较大的测量误差，不利于宽频大电流的准确测量。也就是说，电流转换模块12的满量程设计与磁动势F=N×I相关，如果磁动势减小，那么可能会让电流转换模块12工作在低量程状态，其准确度和线性度均无法得到保证，这种情况下，电流转换模块12在磁平衡驱动电路中的电感也将减小，对于电路来说容易造成振荡，使电路测量失效。

有鉴于此，本申请在电流转换模块12中设置了多组线圈匝数不同的一次绕组，基于磁动势F=N1*I1=N2*I2的原理，保持一次绕组的线圈匝数可变，二次绕组的线圈匝数不变，从而可以扩展电流测量范围。针对待测电流的大小，选择合适的目标一次绕组，可使得磁动势F保持不变的状态。这样，电流转换模块12就可处在满量程状态下工作，那么相应地磁平衡驱动电路中的电感也不会减小，其电流转换的准确性和线性度就得到了保障。也就是可以通过本申请中的电流转换模块12准确的对大电流进行预设倍数的缩小，最终产生相应的小电流输出，输出的电流通常为百十毫安级别，可通过小电流适用的精密电阻进行采样测量。最后再根据选择的一次绕组和二次绕组的匝数比进行转换，得到待测装置的电流值。

上述电流测量装置10，电流转换模块12包括有缠绕在导磁芯上的多组匝数互不相同的一次绕组和匝数固定的二次绕组，可以实现电流量程的宽量程转换。针对待测装置的待测电流的大小，可通过量程选择模块11选择导通电流转换模块12的多个一次绕组中的目标一次绕组，从而实现对电流量程的自适应切换，以将待测电流按预设比例缩小。进而再通过采样模块13对缩小后的电流进行模拟电压信号的采样，该模拟电压信号可用于准确地计算得到缩小后的电流值，再根据目标一次绕组和二次绕组间的匝数比，将计算得到的电流值进行反比例转换，就能准确地得到该待测装置的电流值。本申请中用多组、多个线圈组合切换输入的方式，替代传统大小宽频分流器组合方案，可以节省成本，同时能够有效避免传统分流器在测量大电流时引入引线电感等分布参数而带来的测量误差问题，可以准确地实现了宽频大电流的精密测量。

如此，本申请所提供的电流测量装置10可以解决传统大电流测量方案准确度不高的问题，可应用于宽频跨导放大器、多功能校准源等精密测量仪器内部电流采样设计等相关用途。

在一个实施例中，参见图2，该量程选择模块11包括多个开关（例如，S1、S2、…Sn），各开关的第一端分别与待测装置连接，多个开关的第二端分别与多个一次绕组一一对应连接。

比如该量程选择模块11包括n个开关，每个开关的第一端均与待测装置连接，用于接收待测电流。每个开关的第二端分别与电流转换模块12的其中一个一次绕组连接，比如开关S1与具有Z1匝线圈的一次绕组连接，开关S2与具有Z2匝线圈的一次绕组连接，开关S3与具有Z3匝线圈的一次绕组连接，开关S4与具有Z4匝线圈的一次绕组连接，开关S5与具有Z5匝线圈的一次绕组连接……开关Sn与具有Zn匝线圈的一次绕组连接。其中，不同线圈匝数的一次绕组用于提供不同的电流量程。

上述实施例中，通过多个开关的组合实现了电流转换模块12的电流量程的自适应切换，可按照待测电流的电流预测范围，导通多个开关中的其中一个开关，以导通目标一次绕组与待测装置之间的测量通路。

在一些实施例中，参见图3，采样模块13包括模式选择电路131、开关电路132、直流标准电阻133和交流标准电阻134，其中：该模式选择电路131的输入端与电流转换模块12的输出端连接，模式选择电路131的输出端与开关电路132的第一端连接，开关电路132的第二端分别与直流标准电阻133和交流标准电阻134连接；其中，模式选择电路131在检测到电流转换模块12输出的电流为直流信号时，控制开关电路132导通直流标准电阻133与电流转换模块12之间的直流通路；模式选择电路131在检测到电流转换模块12输出的电流为交流信号时，控制开关电路132导通交流标准电阻134与电流转换模块12之间的交流通路。

需要说明的是，经过电流转换模块12处理后的二次侧输出电流，将一次侧输入电流按比例进行缩小，在满量程的测量下，二次侧输出电流为一个固定值。由于后续对二次侧输出电流的采样需要使用标准采样电阻实现，鉴于直流标准电阻和交流标准电阻在设计原理、选材和结构上均有较大区别，使用不同类别的标准采样电阻对二次侧输出电流采样，将对测量结果造成较大影响，因此本申请提出了通过模式选择电路131进行交直流检测，并通过开关电路132来实现对交直流标准电阻的选择，以便于对二次侧输出电流进行准确的测量。

在本实施例中，结合交直流的模式选择电路131，能够有效区分电流转换模块12输出的二次侧小电流是直流信号还是交流信号，进而搭配开关电路132可选择导通对应交直流模式下的标准采样电阻，最终实现宽频交直流电流的高精度测量。

在一些实施例中，开关电路132包括继电器组件，继电器组件的使能控制端为开关电路的第一端，继电器组件的第一输出端和第二输出端为开关电路的第二端，继电器组件的第一输出端与直流标准电阻连接，继电器组件的第二输出端与交流标准电阻连接。其中，模式选择电路131用于在电流转换模块12输出的电流为直流信号时，输出低电平至继电器组件的使能控制端，以使得继电器组件的使能控制端与第一输出端导通；模式选择电路131还用于在电流转换模块12输出的电流为交流信号时，输出高电平至继电器组件的使能控制端，以使得继电器组件的第二输出端导通。

其中，继电器组件，比如可以是磁保持继电器，包括使能控制端、第一输出端和第二输出端。模式选择电路131具体可以是整流滤波电路，该整流滤波电路中包括有电容和整流电路1312。其中，电容可实现通交隔直的作用，当电流转换模块12输出直流信号时会直接被阻断，直流信号不会被传输至整流电路1312，那么该整流电路1312将输出低电平。在电流转换模块12输出交流信号时，该交流信号可以顺利的被传输至整流电路1312，经过整流电路1312整流后输出高电平。

基于此，在电流转换模块12输出的电流为直流信号时，模式选择电路131可输出低电平至继电器组件的使能控制端，以使得继电器组件的使能控制端与第一输出端导通，从而导通直流标准电阻133与电流转换模块12之间的直流通路。在电流转换模块12输出的电流为交流信号时，模式选择电路131则可输出高电平至继电器组件的使能控制端，以使得继电器组件的第二输出端导通，从而导通交流标准电阻134与电流转换模块12之间的交流通路。

上述实施例中，通过模式选择电路131将直流信号转换成低电平，将交流信号转换成高电平，进而在低电平时导通直流标准电阻133与电流转换模块12之间的直流通路，在高电平时导通交流标准电阻134与电流转换模块12之间的交流通路，可准确的识别电流的信号模式（比如是直流信号还是交流信号），从而用与信号模式相匹配的标准采样电阻进行电压采样，提高了电压采样的准确性，进而提高对待测电流进行测量的准确性。

在一个实施例中，如图4所示，模式选择电路131包括电容C、放大单元1311、整流电路1312和加法器A4，其中：电容C的第一端与电流转换模块12的输出端连接；放大单元1311的第一输入端与电容C的第二端连接，放大单元1311的第二输入端接地，放大单元1311用于对流经电容C的交流信号进行放大处理；整流电路1312的第一端与放大单元1311的输出端连接，用于对放大后的交流信号进行全波整流；加法器A4的第一输入端与整流电路1312的第二端连接，加法器A4的第二输入端接地，加法器A4的输出端与开关电路132连接，用于将接收的控制信号传输至开关电路。

在其中一个实施例中，加法器A4的第一输入端与加法器A4的输出端通过电阻R12连接。

在一个实施例中，如图4所示，电流转换模块12的输出端与电压跟随器A1的第一输入端连接，该电压跟随器A1的第二输入端与电压跟随器A1的输出端连接。其中，电压跟随器A1的作用是提高输入阻抗。电压跟随器A1的输出端与电容C的第一端连接。根据“虚短”原则，V_aG=V_in，电流转换模块12输出的电流会同步送入至电容C。

在一个实施例中，电容C的第二端与放大单元1311的第一端连接，且与电阻R1连接后接地。在电流转换模块12输出的电流为直流信号时，由于C电容的存在，电容具有通交隔直的作用，直流信号会被阻拦，因此VbG=0V。由于VbG=0V，包括放大器A2的放大单元1311将不产生作用，因此VdG=0V，后续V==0V，所以VpG=0V，因此Vout=0V，也就是经过加法器A4后输出低电平至开关电路132。

在其中一个实施例中，放大单元1311包括放大器A2、电阻R2和电阻R3。其中，放大器A2的第一输入端与电容C的第二端连接，放大器 A2的第二输入端与电阻R2连接后接地，且放大器 A2的第二输入端与输出端通过电阻R3连接。

在电流转换模块12输出交流信号时，由于电容C1具有通交隔直的作用，因此VbG=VaG=V_in，根据放大器 A2的“虚短”原则，VcG=VbG= V_in，电流流向为c→GND，d→c，因此有公式：VcG÷R2=VdG÷（R2+R3），可计算得到VdG= VcG*（R2+R3）÷R2，其放大倍率取决于电阻R2和电阻R3的关系。

在其中一个实施例中，整流电路1312包括：半波整流单元13121、第一二极管D1和第二二极管D2，其中：半波整流单元13121的输入端与放大单元1311的输出端连接，半波整流单元13121用于对接收的交流信号进行半波整流处理；第一二极管D1的阴极与半波整流单元13121的输出端连接，第一二极管D1的阳极分别与半波整流单元13121的输入端、加法器A4的第一输入端连接；第二二极管D2的阳极与半波整流单元13121的输出端连接，第二二极管的阴极与半波整流单元13121的输入端连接。

在一个实施例中，放大器A2的输出端与半波整流单元13121的第一端通过电阻R4连接，放大器A2的输出端与加法器A4的第一输入端通过电阻R11连接。半波整流单元13121的第一端与第一二极管D1的阳极通过电阻R8连接，半波整流单元13121的第一端还与第二二极管D2的阴极通过电阻R9连接。半波整流单元13121的第二端分别与第一二极管D1的阴极、以及第二二极管D2的阳极连接。此外，第一二极管D1的阳极还与加法器A4的第一输入端通过电阻R10连接。

在一个实施例中，半波整流单元13121包括放大器A3、第三二极管D3、第四二极管D4、第一三极管Q1和第二三极管Q2：放大器A3的第一输入端与放大单元1311的输出端连接，放大器A3的第二输入端接地；第三二极管D3的阴极与放大器A3的输出端连接，第三二极管D3的阳极分别与外接正电源、第一三极管Q1的控制端连接；第四二极管D4的阳极与放大器A3的输出端连接，第四二极管D4的阴极分别与外接负电源、第二三极管Q2的控制端连接；第一三极管Q1的第一端与外接正电源连接，第一三极管Q1的第二端与第一二极管D1的阴极连接；第二三极管D2的第一端与外接负电源连接，第二三极管Q2的第二端与第一二极管D1的阴极连接。

在一个实施例中，半波整流单元13121包括放大器A3和跟随电路，跟随电路包括第三二极管D3、第四二极管D4、第一三极管Q1和第二三极管Q2。放大器A3的第一输入端为半波整流单元13121的输入端，放大器A3的第二输入端接地。放大器A3的输出端与跟随电路的输入端通过限流电阻R5连接，跟随电路的输出端为半波整流单元13121的输出端。

其中，第三二极管D3的阴极与放大器A3的输出端通过电阻R5连接，第三二极管D3的阳极与外接正电源+Vs通过电阻R6连接，且第三二极管D3的阳极第一三极管Q1的控制端连接。

第四二极管D4的阳极与放大器A3的输出端通过电阻R5连接，第四二极管D4的阴极与外接负电源-Vs通过电阻R7连接，且第四二极管D4的阴极还与第二三极管Q2的控制端连接。

第一三极管Q1的第一端与外接正电源+Vs连接，第一三极管Q1的第二端与第一二极管D1的阴极连接，同时也与第二三极管Q2的第二端连接。第二三极管Q2的第一端与外接负电源-Vs连接，第二三极管Q2的第二端与第一二极管D1的阴极连接。

其中，第一三极管Q1的基极为控制端，集电极为第一端，发射极为第二端。

其中，第二三极管Q2的基极为控制端，集电极为第一端，发射极为第二端。

需要说明的是，本申请中的跟随电路的目的在于保护A3放大器，使得流经放大器A3的电流不至于过大，避免放大器A3的损害。其中， R5是限流电阻，起到限流的作用。半波整流单元13121中g点到l点之间构成跟随电路，由于第三二极管D3的导通电压在0.6-0.7V之间，h和l间的电压降在0.7V左右，所以g点的电压和l点的电压近似相等，起到跟随的作用。整个跟随电路具有一个电流放大的作用（比如将电流放大到100-300倍）。从l点到m点到e点间的电流是经过了跟随电路放大后输出（该电流是受+Vs和-Vs控制），又由于跟随电路有放大效果，所以使得流经放大器A3的电流保持在一个较小的值，可以很好的保护放大器A3。

上述实施例中，通过在放大器A3后连接有跟随电路，可保护流经放大器A3的电流足够小，避免放大器A3的损害，同时也节省了功耗。

在一个实施例中，模式选择电路131可对二次侧输出电流进行交直流判断，进而对继电器组件J1进行相应的判断选通。具体地，通过模式选择电路131处理后的信号Vout接至继电器组件J1的使能控制端，如二次侧输出电流为直流信号，则Vout为低电平，继电器组件J1选通Sa，采用直流标准电阻对二次侧输出电流进行采样。如二次侧输出电流为交流信号，则Vout为高电平，继电器J1选通Sb，采用交流标准电阻对二次侧输出电流进行采样。具体实现方式如下：

（1）当Vin输入直流电流时，A1作为电压跟随器，作用是提高输入阻抗，由于C1电容的存在，电容具有通交隔直的作用，因此VbG=0V。由于VbG=0V，放大单元1311不产生作用，因此VdG=0V，后续V==0V，VpG=0V，因此Vout=0V，输出为低电平。

（2）Vin输入交流电流时，VaG=Vin，电容C1具有通交隔直的作用，因此VbG=VaG，电流经过放大单元1311，根据放大器A2的“虚短”原则，VcG=VbG，电流流向为c→GND，d→c，因此有公式：VcG÷R2=VdG÷（R2+R3），VdG为对Vin进行放大后的输出。再经过整流电路1312和加法器A4后输出大于0V的电压值，也就是输出高电平。

由此可以看出，该电路在处理直流信号时，最终输出信号为0V，属于低电平信号；在处理正弦波信号时，经过全波整流后输出直流高电平信号，其放大倍率取决于R2和R3电阻的关系。

当输入信号为直流信号时，继电器组件J1的使能控制端EN输入低电平，切换至Sa开关，连接至直流标准电阻133；当输入信号为交流信号或是交直流信号时，继电器组件J1使能控制端EN输入高电平，切换至Sb开关，连接至交流标准电阻134；最终实现交直流模式的切换功能。

在一个实施例中，参考图5，该电流测量装置10还包括与该电流转换模块12连接的驱动电路14，驱动电路14用于驱动该电流转换模块12工作。示例性地，该驱动电路14具体可以是磁平衡驱动电路。需要说明的是，当基于待测电流的电流预测范围选择合适的目标一次绕组，也就是选择了合适的电流量程，可使得电流转换模块12在工作时的磁动势F保持不变的状态，这样，电流转换模块12就可处在满量程状态下工作，那么相应地磁平衡驱动电路中的电感也不会减小，其电流转换的准确性和线性度就得到了保障。

在一个实施例中，其特征在于，电流转换模块12具体可以是电流比较仪，且电流比较仪的数量为多个，每个电流比较仪提供的各一次绕组分别与量程选择模块11的输出端连接，每个一次绕组对应一个电流量程，多个电流比较仪用于共同提供n个电流量程，量程选择模块11用于从n个电流量程中选择一个目标电流量程；其中，n为大于1的正整数。

具体地，为提供宽量程的电流转换，可通过多个电流比较仪实现N个电流量程。其中，电流比较仪的数量可以是1 个，2个或2个以上，每个电流比较仪提供至少一个一次绕组，电流比较仪提供的各一次绕组分别与量程选择模块11的输出端连接。可以理解的是，由于不同一次绕组的线圈匝数不同，在该电流比较仪的二次绕组的线圈匝数固定的情况下，一个一次绕组就可对应一个电流量程，n个电流量程就通过n个一次绕组提供。

本实施例中，通过多个电流比较仪提供n个电流量程，这n个电流量程可基于实际需要分布在预设的量程范围内，以应对各种电流大小的待测装置，使得电流测量装置具有更广泛的适用性。

在一个实施例中，电流比较仪包括第一电流比较仪和第二电流比较仪，第一电流比较仪用于提供1000A量程、200A量程和100A量程，第二电流比较仪用于提供20A量程、10A量程和1A量程。

参见图6，图6为一个实施例中第一电流比较仪的绕组实现原理图。该第一电流比较仪通过第一驱动电路141驱动，环形的封闭铁芯的左侧缠绕有匝数互不相同的多个一次绕组，比如1匝线圈的一次绕组、5匝线圈的一次绕组、10匝线圈的一次绕组等；环形的封闭铁芯的右侧缠绕有线圈匝数固定的二次绕组，比如可以是2000匝。

参加图7，图7为一个实施例中第二电流比较仪的绕组实现原理图。该第二电流比较仪通过第二驱动电路142驱动，环形的封闭铁芯的左侧缠绕有匝数互不相同的多个一次绕组，比如5匝线圈的一次绕组、10匝线圈的一次绕组、100匝线圈的一次绕组等；环形的封闭铁芯的右侧缠绕有线圈匝数固定的二次绕组，比如可以是200匝。其中，第一驱动电路141和第二驱动电路142可以是相同的驱动电路，也可以是不同的驱动电路。

在第一电流比较仪的二次绕组的线圈匝数为2000匝的情况下，该第一电流比较仪的一次绕组包括有具有1匝线圈的一次绕组、具有5匝线圈的一次绕组和具有10匝线圈的一次绕组，分别提供1000A量程、200A量程和100A量程。

在该第二电流比较仪的二次绕组的线圈匝数为200匝的情况下，该第二电流比较仪的一次绕组包括有具有5匝线圈的一次绕组、具有10匝线圈的一次绕组和具有100匝线圈的一次绕组，分别提供20A量程、10A量程和1A量程。

需要说明的是，上述电流比较仪的数量、第一绕组和第二绕组的线圈匝数，仅用于示意性的说明本申请，不用限定电流比较仪实际的数量和线圈匝数。在实际应用过程中，可基于实际测量需求，设计更多或更少的电流比较仪，设计更多或更少组的一次绕组是线圈匝数，设计更多或更少的二次绕组的线圈匝数等，本申请实施例对此不作限定。

本实施例中，通过设计多个电流比较仪，每个电流比较仪具有不同线圈匝数的一次绕组，从而可提供从1A至1000A范围的量程，大大扩展了电流测量范围。如此，在待测电流的电流值越大的情况下，通过增加电流比较仪的线圈匝数比，提高磁动势，能保证零磁通电流比较仪始终处于最佳的工作条件内。零磁通电流比较仪线圈经线圈驱动电路环节驱动，最终产生相应的二次侧输出电流，该电流通常为百十毫安级别，也就是将大电流转换成小电流，后续可通过小电流的精密电阻进行采样测量，从而解决传统电流测量模块中大电流分流器发热问题。

在其中一个实施例中，参见图8，该电流测量装置包括量程选择模块11，量程选择模块11的输入端与待测装置连接，接入一次侧输入电流（也就是待测电流），量程选择模块11的输出端分别与第一电流比较仪和第二电流比较仪连接，该第一电流比较仪和第二电流比较仪分别提供不同的电流量程，比如第一电流比较仪提供1000A量程、200A量程和100A量程，第二电流比较仪提供20A量程、10A量程和1A量程。其中，该第一电流比较仪通过第一驱动电路141驱动，该第二电流比较仪通过第二驱动电路142驱动。

在实际使用过程中，可基于一次侧输入电流的电流预测范围，选择一个合适的电流量程导通，进而将一次侧输入电流转换成二次侧输出电流。该二次侧输出电流会流经模式选择电路131。模式选择电路131在检测到二次侧输出电流为直流信号时，控制继电器组件导通开关Sa与直流标准电阻133间的直流通路。模式选择电路131在检测到二次侧输出电流为交流信号时，控制继电器组件导通开关Sb与交流标准电阻134间的交流通路。

经过交直流选择判断后的二次侧输出电流通过相应的标准采用电阻进行采样，与分流器测量电流方法相似，根据欧姆定律将电流转换成模拟电压信号输出，最终完成电流的精密测量。

本申请解决了跨导放大器等精密测试仪器传统大电流测量方案设计中使用大电流分流器进行电流采样测量，所导致的发热量大、温升导致阻值漂移等问题。并且，通过引入的一次侧多组线圈输入结合多个零磁通电流比较仪的方案设计，解决了单个零磁通电流比较仪难以覆盖小电流采样的问题，能够覆盖更多的电流测量量程，可以实现更多种电流测量组合。

并且，本申请中可使得电流比较仪工作在接近满量程状态，能够最大程度地使电流比较仪工作在最佳测量量程，充分发挥电流比较仪的性能，本申请在不同量程的切换上能够保证测量精度，且工作电路稳定，不容易产生振荡，实现宽频电流的精密测量。

此外，本申请结合交直流模式切换电路设计，从电路硬件上对直流电流信号和交流电流信号进行有效区分和识别，搭配磁保持继电器和交直流标准电阻器，最终实现宽频交直流电流的高精度准确测量，特别适用于跨导放大器、多功能校准源等精密测量仪器的内部电流采样设计和精密测量。本申请可实现从mA到kA量级的宽量程电流测量，测量电流频率最高可达到100kHz。

在一个实施例中，参见图9，提供了一种电流测量方法，应用于上述实施例所提及的电流测量装置，该方法包括：

步骤902，获取待测装置的电流预测范围，根据电流预测范围确定目标电流量程。

其中，对于待测装置而言，可预先获取该待测装置的电流预测范围，这样就能根据电流预测范围来选择一个合适的目标电流量程。通常来说，可按照电流预测范围的最大值来选择目标电流量程，使得目标电流量程大于电流预测范围的最大值。

步骤904，根据目标电流量程确定电流转换模块中的目标一次绕组，并控制导通目标一次绕组与待测装置之间的测量通路。

步骤906，获取采样模块对电流转换模块输出的电流进行采样得到模拟电压信号。

步骤908，根据模拟电压信号的电压值、采样模块的采样参数、目标电流量程对应的预设比例，确定待测装置的电流值。

在一个实施例中，当测得模拟电压信号的电压值后，基于欧姆定律，将电压值除以采样模块的采样电阻值，得到二次侧输出电流。再基于目标一次绕组与二次绕组的线圈匝数比，计算得到待测装置的电流值。

比如，目标一次绕组的线圈匝数为N1，二次绕组的线圈匝数为N2，那么基于磁动势原理，有N1*I1=N2*I2。其中，I1为待测装置的电流值，I2为二次侧输出电流的电流值。当N1、已知、N2已知、I2已知，通过上述公式即可计算得到I1的值。

上述电流测量方法，基于待测装置的电流预测范围，确定与电流预测范围相匹配的目标电流量程，从而可导通与该目标电流量程对应的目标一次绕组，这样通过电流转换模块将待测电流按预设比例缩小后输出。进而再通过采样模块对缩小后的电流进行模拟电压信号的采样，该模拟电压信号可用于准确地计算得到缩小后的电流值，根据目标一次绕组和二次绕组间的匝数比，就可准确地计算得到该待测装置的电流值。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电流测量装置，其特征在于，包括：

零磁通电流比较仪，包括缠绕在闭合导磁芯上的多个匝数互不相同的一次绕组和匝数固定的二次绕组，用于对输入的待测电流按预设比例缩小后输出；

量程选择模块，所述量程选择模块的输入端与待测装置连接，所述量程选择模块的输出端分别与所述零磁通电流比较仪的多个一次绕组连接，用于导通目标一次绕组与所述待测装置之间的测量通路，以将所述待测装置的待测电流传输至所述测量通路，其中，所述目标一次绕组为多个一次绕组中的一个；

采样模块，与所述零磁通电流比较仪连接，用于将所述零磁通电流比较仪输出的电流采样成模拟电压信号，所述模拟电压信号、以及所述目标一次绕组与所述二次绕组的匝数比用于计算所述待测装置的电流值；

其中，所述采样模块包括模式选择电路、开关电路、直流标准电阻和交流标准电阻，所述模式选择电路包括电容、放大单元、整流电路和加法器，其中：

所述电容的第一端与所述零磁通电流比较仪的输出端连接；

所述放大单元的第一输入端与所述电容的第二端连接，所述放大单元的第二输入端接地，所述放大单元用于对流经所述电容的交流信号进行放大处理；

所述整流电路的第一端与所述放大单元的输出端连接，用于对放大后的交流信号进行全波整流；

所述加法器的第一输入端与所述整流电路的第二端连接，所述加法器的第二输入端接地，所述加法器的输出端与所述开关电路的第一端连接，用于将接收的控制信号传输至所述开关电路；

所述开关电路的第二端分别与直流标准电阻和交流标准电阻连接；

其中，所述模式选择电路在检测到所述零磁通电流比较仪输出的电流为直流信号时，通过所述电容阻拦所述直流信号，使得所述加法器输出低电平至所述开关电路，以控制所述开关电路导通所述直流标准电阻与所述零磁通电流比较仪之间的直流通路；所述模式选择电路在检测到所述零磁通电流比较仪输出的电流为交流信号时，通过所述加法器输出高电平至所述开关电路，以控制所述开关电路导通所述交流标准电阻与所述零磁通电流比较仪之间的交流通路。

2.根据权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，所述导磁芯为铁芯。

3.根据权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，所述开关电路包括继电器组件，所述继电器组件的使能控制端为所述开关电路的第一端，所述继电器组件的第一输出端和第二输出端为所述开关电路的第二端，所述继电器组件的第一输出端与所述直流标准电阻连接，所述继电器组件的第二输出端与所述交流标准电阻连接；其中，

所述模式选择电路用于在所述零磁通电流比较仪输出的电流为直流信号时，输出低电平至所述继电器组件的使能控制端，以使得所述继电器组件的使能控制端与第一输出端导通；

所述模式选择电路还用于在所述零磁通电流比较仪输出的电流为交流信号时，输出高电平至所述继电器组件的使能控制端，以使得所述继电器组件的使能控制端与第二输出端导通。

4.根据权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，所述加法器的第一输入端与所述加法器的输出端通过电阻连接。

5.根据权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，所述整流电路包括：

半波整流单元，所述半波整流单元的输入端与所述放大单元的输出端连接，所述半波整流单元用于对接收的交流信号进行半波整流处理；

第一二极管，所述第一二极管的阴极与所述半波整流单元的输出端连接，所述第一二极管的阳极分别与所述半波整流单元的输入端、所述加法器的第一输入端连接；

第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述半波整流单元的输出端连接，所述第二二极管的阴极与所述半波整流单元的输入端连接。

6.根据权利要求5所述的电流测量装置，其特征在于，所述半波整流单元包括放大器、第三二极管、第四二极管、第一三极管和第二三极管：

所述放大器的第一输入端与所述放大单元的输出端连接，所述放大器的第二输入端接地；

所述第三二极管的阴极与所述放大器的输出端连接，所述第三二极管的阳极分别与外接正电源、所述第一三极管的控制端连接；

所述第四二极管的阳极与所述放大器的输出端连接，所述第四二极管的阴极分别与外接负电源、所述第二三极管的控制端连接；

所述第一三极管的第一端与所述外接正电源连接，所述第一三极管的第二端与所述第一二极管的阴极连接；

所述第二三极管的第一端与所述外接负电源连接，所述第二三极管的第二端与所述第一二极管的阴极连接。

7.根据权利要求1至6中任一项所述电流测量装置，其特征在于，所述量程选择模块包括多个开关，各所述开关的第一端分别与所述待测装置连接，多个所述开关的第二端分别与多个一次绕组一一对应连接。

8.根据权利要求1至6中任一项所述电流测量装置，其特征在于，所述零磁通电流比较仪的数量为多个，每个所述零磁通电流比较仪提供的各一次绕组分别与所述量程选择模块的输出端连接，每个一次绕组对应一个电流量程，多个所述电流比较仪用于共同提供n个电流量程，所述量程选择模块用于从所述n个电流量程中选择一个目标电流量程；其中，n为大于1的正整数。

9.根据权利要求8所述的电流测量装置，其特征在于，所述零磁通电流比较仪包括第一电流比较仪和第二电流比较仪，所述第一电流比较仪用于提供1000A量程、200A量程和100A量程，所述第二电流比较仪用于提供20A量程、10A量程和1A量程。

10.一种电流测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1至9中任一项所述的电流测量装置，所述方法包括：

获取待测装置的电流预测范围，根据所述电流预测范围确定目标电流量程；

根据所述目标电流量程确定零磁通电流比较仪中的目标一次绕组，并控制导通所述目标一次绕组与所述待测装置之间的测量通路；

获取采样模块对所述零磁通电流比较仪输出的电流进行采样得到模拟电压信号；

根据所述模拟电压信号的电压值、所述采样模块的采样参数、所述目标电流量程对应的预设比例，确定所述待测装置的电流值。

Images