CN116539945A - 一种电流测量电路及电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电流测量电路及电流传感器，其中电流测量电路包括：环形磁芯，待测电流从其中间穿过；绕组，绕制于所述环形磁芯之上；方波发生电路，其供电端用于输入供电电压VCC、输出端连接所述绕组一端，所述方波发生电路用于输出所述供电电压VCC峰值的第一方波信号；基准电源电路，用于产生一大小为VCC/2的供电电压；电阻，连接在所述基准电源电路的输出端和所述绕组另一端之间；模拟解调电路，其输入端连接所述绕组另一端，所述模拟解调电路用于检测其输入端输入的采样信号，并在所述采样信号的电压斜率发生变化时，将所述采样信号解调为表征所述待测电流大小的电压信号输出。本发明不仅能降低对硬件的要求，还能保证高精度的性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及电流测量技术领域，特别涉及一种电流测量电路及电流传感器。
背景技术
磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的器件。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。利用这种现象来测量电流所产生的磁场，从而间接的达到测量电流的目的。
现有的磁通门电流传感器，可测量毫安级的电流，以及测量交流和直流电。例如在直流和交流供电系统中，可以用于隔离检测电流。常规的磁通门传感器技术方案如下：
(1)开环数字方案，需要高精度的ADC，高速运算，成本高；
(2)开环模拟方案，采集有无用信号，导致传感器精度降低；
(3)开环数模混合方案，用高精度数模混合技术提取出待检测电流，对硬件的要求高，从而成本较高。
发明内容
有鉴如此，本发明要解决的技术问题是提供一种电流传感器电路、其控制方法及电流传感器，不仅能降低对硬件的要求，从而降低成本，还能保证高精度的性能要求。
作为本发明的第一个方面，所提供的电流检测电路的实施方案如下：
一种电流测量电路，其中，包括：
环形磁芯，待测电流从其中间穿过；
绕组，绕制于所述环形磁芯之上；
方波发生电路，其供电端用于输入供电电压VCC、输出端连接所述绕组一端，所述方波发生电路用于输出所述供电电压VCC峰值的第一方波信号；
基准电源电路，用于产生一大小为VCC/2的供电电压；
电阻R，连接在所述基准电源电路的输出端和所述绕组另一端之间；
模拟解调电路，其输入端连接所述绕组另一端，所述模拟解调电路用于检测其输入端输入的采样信号，并在所述采样信号的电压斜率发生变化时，将所述电压采样信号解调为表征所述待测电流大小的电压信号输出。
优选地，所述方波发生电路包括：开关S1和开关S2，所述开关S1一端为所述方波发生电路的供电端，所述开关S1另一端和所述开关S2一端连接在一起后作为所述方波发生电路的输出端，所述开关S2的另一端用于接地，所述开关S1和所述开关S2互补驱动。
优选地，所述基准电源电路包括：电容C，所述电容C一端同时作为所述基准电源电路的供电端和输出端，所述电容C另一端用于接地，所述基准电源电路的供电端用于输入一大小为VCC/2的供电电压。
优选地，所述基准电源电路包括：电容C、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、二极管D1、二极管D2和电阻R2，所述三极管Q1集电极和所述电阻R1一端连接在一起作为所述基准电源电路的供电端，用于输入一大小为VCC的供电电压，所述三极管Q1的基极同时连接所述电阻R1另一端和所述二极管D1的阳极，所述三极管Q1的发射极、所述三极管Q2的发射极和所述电容C一端连接在一起作为所述基准电源电路的输出端，输出一大小为VCC/2的供电电压，所述二极管D1的阴极连接所述二极管D2的阳极，所述二极管D2的阳极同时连接所述三极管D2的基极和所述电阻R2一端，所述电阻R2另一端、所述三极管Q2集电极和所述电容C另一端连接在一起作为所述基准电源电路的接地端，用于接地。
优选地，所述模拟解调电路包括：依次连接的检测电路、解调电路和输出滤波电路，所述检测电路的输入端为所述模拟解调电路的输入端；
所述检测电路，用于检测其输入端输入的采样信号，并在所述采样信号的电压斜率发生变化时，将所述采样信号输出；
所述解调电路，用于将所述采样信号解调为第二方波信号；
所述输出滤波电路，用于将所述第二方波信号进行积分处理后获得表征所述待测电流大小的电压信号并输出。
进一步地，所述模拟解调电路还包括低通滤波电路，其输入端为所述模拟解调电路的输入端，其输出端连接所述检测电路的输入端，其接地端用于接地。
优选地，所述低通滤波电路包括电阻Ra和电容Ca，所述电阻Ra一端为所述低通滤波电路的输入端，所述电阻Ra另一端和所述电容Ca一端连接在一起后为所述低通滤波电路的输出端，所述电容Ca另一端用于接地。
作为本发明的第二个方面，所提供的电流传感器的实施例如下：
一种电流传感器，包括上述第一个方面中任一项电流检测电路的实施方案。
本发明实施例至少包括以下有益效果：
(1)本发明实施例的电流检测电路由于绕组直接提取电流信号，没有经过中间环节的转换，因此检测速度快、检测电流带宽高，通过样机测试验证1nS的检测速度可检测出待测电流，从而实现高速电流检测，并且可检测从直流到GHz频率范围的电流；
(2)本发明实施例的电流检测电路在采样信号的电压斜率发生变化时，将采样信号解调为表征待测电流大小的电压信号输出，通过拐点采样技术，拾取采样信号中表征待测电流最佳特征点的信号进行处理，不仅能降低对硬件的要求，从而降低成本，还能实现高精度检测，通过样机测试验证可实现0.05％高精度的电流检测。
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可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明第一实施例的电流检测电路的原理框图；
图2为本发明第一实施例的电流检测电路的一种实施例原理图；
图3为图2中的检测电路输出电压，解调电路输出电压，输出滤波电路输出电压的波形；
图4为本发明第一实施例的电流检测电路的另一种实施例原理图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中描述的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列元器件、单元电路或控制时序不必限于清楚地列出的那些元器件、单元电路或控制时序，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些电路固有的元器件、单元电路或控制时序。
另外，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应该理解的是，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件；当描述有步骤接续至另一步骤时，该步骤可直接接续至该另一步骤，或者通过第三步骤接续至该另一步骤。
第一实施例
本实施例提供的为一种电流检测电路，图1为本发明第一实施例的电流检测电路的原理框图，请参见图1，其中包括：
环形磁芯，待测电流从其中间穿过；
绕组L1，绕制于环形磁芯之上；
方波发生电路，其供电端用于输入供电电压VCC、输出端连接绕组L1一端，方波发生电路用于输出供电电压VCC峰值的第一方波信号；
基准电源电路，其供电端用于输入供电电压VCC/2；
电阻R，连接在基准电源电路的输出端和绕组L1另一端之间；
模拟解调电路，其输入端连接绕组另一端，模拟解调电路用于检测其输入端输入的采样信号，并在采样信号的电压斜率发生变化时，将采样信号解调为表征待测电流大小的电压信号输出。
其中，绕组L1既作为激励绕组又作为测量绕组，当电流检测电路工作时，方波发生电路加载一固定频率、固定波形的交变电流进行激励，使环形磁芯往复磁化达到饱和。当待测电流为零时，不会产生直流外在被测磁场，则绕组L1输出的感应电动势只含有激励波形的奇次谐波，波形正负上下对称；当待测电流不为零时，会产生直流外在被测磁场时，则环形磁芯中同时存在直流磁场和激励交变磁场，直流被测磁场在前半周期内促使激励场使环形磁芯提前达到饱和，而在另外半个周期内使环形磁芯延迟饱和，因此，造成激励周期内正负半周不对称，从而使输出电压曲线中出现振幅差，该振幅差与待测电流所产生的磁场成正比，因此可以利用振幅差来检测环形磁环中所通过的电流。
本发明实施例的电流检测电路由于绕组直接提取电流信号，没有经过中间环节的转换，因此检测速度快、检测电流带宽高；本发明实施例的电流检测电路在采样信号的电压斜率发生变化时，将采样信号解调为表征待测电流大小的电压信号输出，通过拐点采样技术，拾取采样信号中表征待测电流最佳特征点的信号进行处理，不仅能降低对硬件的要求，从而降低成本，还能实现高精度检测。
图2为本发明第一实施例的电流检测电路的一种实施例原理图，请参见图2。
其中，方波发生电路包括：开关S1和开关S2，开关S1一端为方波发生电路的供电端，开关S1另一端和开关S2一端连接在一起后作为方波发生电路的输出端，开关S2的另一端用于接地，开关S1和开关S2互补驱动。可由单片机或者控制芯片输出的50％占空比的方波信号驱动开关S1和开关S2交替导通，从而方波发生电路会输出Vcc峰值的方波信号。具体地，开关S1导通时，方波发生电路输出高电平，绕组L1正向励磁，经过电阻R，流入运放Vcc/2中；当开关S2导通时，方波发生电路输出低电平，绕组L1电流逐渐线性减小，后反向励磁，使得环形磁芯产生的磁场往复变化。
其中，基准电源电路包括：电容C，电容C一端同时作为基准电源电路的供电端和输出端，电容C另一端用于接地。
其中，模拟解调电路包括：依次连接的检测电路、解调电路和输出滤波电路，检测电路的输入端为模拟解调电路的输入端；检测电路，用于检测模拟解调电路输入端输入的采样信号，并在采样信号的电压斜率发生变化时，将采样信号输出，检测电路输出的电压波形请参见图3左边的波形图；解调电路，用于将采样信号解调为第二方波信号，解调电路输出的电压波形请参见图3中间的波形图；输出滤波电路，用于将第二方波信号进行积分处理后获得表征待测电流大小的电压信号并输出，输出滤波电路输出的电压波形请参见图3右边的波形图。
图2电路通过样机测试验证1nS的检测速度可检测出待测电流，从而实现高速电流检测，并且可检测从直流到GHz频率范围的电流。
图4为本发明第一实施例的电流检测电路的另一种实施例原理图，请参见图4，与图2不同点在于：
(1)模拟解调电路还包括低通滤波电路，其输入端为模拟解调电路的输入端，其输出端连接检测电路的输入端，其接地端用于接地,目的在于滤除采样信号的噪声。具体地，低通滤波电路包括电阻Ra和电容Ca，电阻Ra一端为低通滤波电路的输入端，电阻Ra另一端和电容Ca一端连接在一起后为低通滤波电路的输出端，电容Ca另一端为低通滤波电路的接地端；
(2)基准电源电路电容C、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、二极管D1、二极管D2和电阻R2，三极管Q1集电极和电阻R1一端连接在一起作为基准电源电路的供电端，用于输入一大小为VCC的供电电压，三极管Q1的基极同时连接电阻R1另一端和二极管D1的阳极，三极管Q1的发射极、三极管Q2的发射极和电容C一端连接在一起作为基准电源电路的输出端，输出一大小为VCC/2的供电电压，二极管D1的阴极连接二极管D2的阳极，二极管D2的阳极同时连接三极管D2的基极和电阻R2一端，电阻R2另一端、三极管Q2集电极和电容C另一端连接在一起作为基准电源电路的接地端，用于接地。
图4电路中开关S1和开关S2组成脉冲发生器，发出占空比50％的方波，其高电平幅度为VCC,低电平幅度为0；三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、二极管D1和二极管D2组成超高精度电源电路，输出高精度的大小为VCC/2的供电电压；这样加在线圈和电阻R之间的脉冲电压的高电平为VCC/2，低电平为-VCC/2，从而对称地对绕组L进行励磁操作，基准电压源的精度对电流检测电路的精度非常重要，图4电路通过样机测试验证可实现0.05％高精度的电流检测。
第二实施例
本实施例提供的为一种电流传感器，包括第一实施例中任一种电流检测电路的具体实施方案。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干等同电源、改进和润饰，这些等同电源、改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (8)
1.一种电流测量电路，其特征在于，包括：
环形磁芯，待测电流从其中间穿过；
绕组，绕制于所述环形磁芯之上；
方波发生电路，其供电端用于输入供电电压VCC、输出端连接所述绕组一端，所述方波发生电路用于输出所述供电电压VCC峰值的第一方波信号；
基准电源电路，用于产生一大小为VCC/2的供电电压；
电阻R，连接在所述基准电源电路的输出端和所述绕组另一端之间；
模拟解调电路，其输入端连接所述绕组另一端，所述模拟解调电路用于检测其输入端输入的采样信号，并在所述采样信号的电压斜率发生变化时，将所述电压采样信号解调为表征所述待测电流大小的电压信号输出。
2.根据权利要求1所述电流测量电路，其特征在于，所述方波发生电路包括：开关S1和开关S2，所述开关S1一端为所述方波发生电路的供电端，所述开关S1另一端和所述开关S2一端连接在一起后作为所述方波发生电路的输出端，所述开关S2的另一端用于接地，所述开关S1和所述开关S2互补驱动。
3.根据权利要求1所述电流测量电路，其特征在于，所述基准电源电路包括：电容C，所述电容C一端同时作为所述基准电源电路的供电端和输出端，所述电容C另一端用于接地，所述基准电源电路的供电端用于输入一大小为VCC/2的供电电压。
4.根据权利要求1所述电流测量电路，其特征在于，所述基准电源电路包括：电容C、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、二极管D1、二极管D2和电阻R2，所述三极管Q1集电极和所述电阻R1一端连接在一起作为所述基准电源电路的供电端，用于输入一大小为VCC的供电电压，所述三极管Q1的基极同时连接所述电阻R1另一端和所述二极管D1的阳极，所述三极管Q1的发射极、所述三极管Q2的发射极和所述电容C一端连接在一起作为所述基准电源电路的输出端，输出一大小为VCC/2的供电电压，所述二极管D1的阴极连接所述二极管D2的阳极，所述二极管D2的阳极同时连接所述三极管D2的基极和所述电阻R2一端，所述电阻R2另一端、所述三极管Q2集电极和所述电容C另一端连接在一起作为所述基准电源电路的接地端，用于接地。
5.根据权利要求1所述电流测量电路，其特征在于，所述模拟解调电路包括：依次连接的检测电路、解调电路和输出滤波电路，所述检测电路的输入端为所述模拟解调电路的输入端；
所述检测电路，用于检测其输入端输入的采样信号，并在所述采样信号的电压斜率发生变化时，将所述采样信号输出；
所述解调电路，用于将所述采样信号解调为第二方波信号；
所述输出滤波电路，用于将所述第二方波信号进行积分处理后获得表征所述待测电流大小的电压信号并输出。
6.根据权利要求5所述电流测量电路，其特征在于：所述模拟解调电路还包括低通滤波电路，其输入端为所述模拟解调电路的输入端，其输出端连接所述检测电路的输入端，其接地端用于接地。
7.根据权利要求6所述电流测量电路，其特征在于，所述低通滤波电路包括电阻Ra和电容Ca，所述电阻Ra一端为所述低通滤波电路的输入端，所述电阻Ra另一端和所述电容Ca一端连接在一起后为所述低通滤波电路的输出端，所述电容Ca另一端为所述低通滤波电路的接地端。
8.一种电流传感器，其特征在于：包括权利要求1至7任一项所述电流测量电路。
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| CN116953335A (zh) * | 2023-09-20 | 2023-10-27 | 盛位科技(合肥)有限公司 | 一种用于检测直流信号或磁场的装置和方法 |
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| CN116953335B (zh) * | 2023-09-20 | 2024-01-12 | 盛位科技(合肥)有限公司 | 一种用于检测直流信号或磁场的装置和方法 |
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