CN1195987C - 测量内电路电阻和电流的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不用断开导体而测量导体内交流电流和直流电流的电路。已调制的电流源与导体段并联连接，输入测试电流。同步解调器也并联在该导体段的两端，从流过导体上的电流所产生的电压降中分离出测试电流所产生的电压降。测试电压降和电压降由电压表来测量，从而能够计算流过导体段的电流和该导体段的电阻。

Description

测量内电路电阻和电流的电路及方法

本发明一般涉及测量电流的电路，更具体地说，涉及测量工作电路导体中的电流的方法和装置。

测量流过导体的电流可以通过多种不同的方法来实现。传统破坏性的方法是将导体断开并将电流测量装置插入，象电流表一样与导体串联。然而，在许多情况下，断开铜线，印刷电路(p.c.)板覆铜线，或集成电路引线这样的导体很困难并且不方便，可能还会引起导体损坏，特别是对于印刷电路板的覆铜线尤其是这样。

目前已经开发出非破坏性的方法，它可以进行内电路的电流测量而不断开导体。通过使用电流钳表和磁传感探头检测导线周围的磁场，来确定流过导体的电流。这一技术使得不用接触导体就能确定其电流。然而，电流钳表和磁传感探头一般容易受到周围磁场干扰的影响，并且需要导体周围有一定的物理清洁度，这样就使得在测量印刷电路板覆铜线中的电流时，这些工具的使用受到限制。

另外一种非破坏性的方法是使用一对双线探头(“开尔文环KelVinclips”)，该方法沿其长度，在两个分离端与导体电连接，一般成为四线测量，它消除了探头电阻的影响。每一个两线的探头具有源触点和检测触点。在检测触点之间测量两点之间的电压降。通过源触点输入的平衡电流将被测电压清为零。将平衡电流调整到与流过导体的电流相等，这样就可以很容易地用外接的电流表来测量该平衡电流，而不用断开导体。然而，电流平衡技术只提供了有限的测量精度和范围。在电流范围的低端，其限制实际上是仪表测量相对小的电压降的能力，该电压降是在导体的一小段上产生的毫伏范围的电压降。在电流范围的高端，其限制实际上是测量仪表产生平衡电流的能力。

在第5,386,188号美国专利中描述了另外一个非破坏性测量电路的技术，该专利题目为“内电路电流测量”，是由Minneman等人于1995年1月31日发表的，并转让给了Keithley仪器公司。Minneman等人讲述了利用四线的测量技术，通过导体的一部分输入第一和第二电流，并测量该导体部分两端的第一和第二电压降。然后用第一和第二电流值以及第一和第二电压降值计算通过导体的电流。然而，该电路只提供一种处理交流电流和导体电流中出现的噪声的有限的能力。

因此，提供一种非破坏性的、改进测量范围并与交流或直流电流容量无关的测量导体中电流的方法是人们所希望的。

按照本发明，提供了一种不用断开导体测量导体中交流电流(a.c.)和直流(d.c.)电流的电路。该电路与导体上的几个点相连接，通常用物理逼近的方法，通过一对双线探头定义导体的一段，每一个双线探头具有检测触点和源触点，它们都与该导体相连接。

首先把该电路连接成测量电阻的形式，其方法是：把已调制的电流源经源触点与该导体段并联连接、以便输入测试电流。同时，在该导体段两端并联连接一个同步解调器，用来把导体电流产生的电压降和由测试电流所产生的该导体段两端的电压降分开。已调制电流源和同步解调器都连接到一个参考波形产生器上，用来接收调制波形，以实现由已调制电流源的测试电流所产生的测试电压降的同步检测。同步调制能从相对高幅度的干扰信号中分离低电平的信号。可以选择调制波形的频率，使得由于导体电流所产生的噪声和干扰基本上不会干扰或降低测试电压降信号的测量，并且该噪声和干扰低于一个预定的噪声水平。

通过同步解调器分离的测试电压降由连接成测量直流电压形式的电压表来测量。因为测试电流It是已知的，并且电流源接通的电压降V_on和电压源断开的电压降V_off能够被测量。因此该导体段的电阻可以按照下式进行计算。

R_seg＝[V_on-V_off]/ItV_on和V_off同时通过电压表作为直流电压在同步解调器的输出端被测量，并且计算出测试电压降[V_on-V_off]。

还可以把该电路连接成提供内电路电流测量的形式。电压表直接连接到导体段的两端，以测量电流源断开时的电压降。因为该导体电流可能包含交流成分，所以要将电压表调整为交流电压有效值(方均根值)，以便获得R_seg上正确的电压降V_0.，并且现在V₀已知，可以按照下式来计算流过导体段的电流I。

I＝V₀/R_seg

按照这一方法，所得到的流过导体的电流与电流中的交流成分无关。

本发明的一个目的是提供一种测量内电路导体上的交流和直流电流的装置。

本发明的另外一个目的是提供一种测量在有交流电流流过时导体的电阻。

本发明的另一目的是提供一种使用测试电流的同步解调来测量内电路交流和直流电流的装置。

本发明的再一目的是提供一种同步调制和解调导体中测试电流以排除导体电流中的交流成分的方法。

对于本专业的技术人员来说，通过结合附图阅读下面的说明，本发明的其它的特征，成就，和优点将是显而易见的。

图1是按照本发明测量导体电流和电阻电路的方框图；

图2是说明图1电路的测试频率与导体频率关系的幅度与频率的关系曲线；

图3是图1中的已调制电流源的最佳实施例的示意图；

图4是图1中同步解调器的最佳实施例的示意图。

图1是按照本发明测量电流和电阻的电路的方框图。导体10包括导线，印刷电路板覆铜线，集成电路引线，或任何其它能够导电的金属。双线探头12被置于导体长度方向上的点14，相邻的源和检测引线与导体10电接触。双线探头16被置于点18上，相邻的源和检测引线与导体10电接触。导体点14和点18之间的长度形成导体段，该导体段具有一定的电阻，由电阻11表示。电阻11一般来说不是分立元件，而是跟随导体10的一段长度变化的电阻模型。由于电流I流过导体10所以在电阻11的两端产生电压降V₀。

已调制电流源22经过开关20a与双线探头12的源极引线相连。开关20a与开关20b和20c一起组成一组分别与电阻测量方式和电流测量方式相对应的上下位置。开关20a-c对于电阻测量方式是如图中所示的上位置。已调制电流源22产生测试电流It，该电流的调制分量对由参考波形发生器24所产生的调制信号起反应。

为了将从导体电流接收到的噪声底值减至最小，参考波形发生器24产生所希望的频率的调制信号。可以保持并根据需要选择一系列调制频率，以获得低于预定电平的噪声底值，如图2中详细说明的那样。在最佳实施例中，调制信号是频率大约为61赫兹的方波信号。

同步解调器26通过双线探头12和16的触点14和16跨接在导体10的两端，由一对输入端接收电压降信号。为了对所述电压降信号进行同步解调，同步解调器26还接收来自参考波形发生器24的调制信号，所述电压降信号既含有测试电压降信号又含有电流I产生的电压降。

电压表28与同步解调器26的输出端相连，在电阻测量方式中通过开关20b和20c接收V_on和V_off的测试信号。V_on通过接通已调制电流源22测量，V_off通过断开已调制电流源22来测量。V_on和V_off的值在电压表28中转换为数字测量值，并且被送到微处理器30中，该处理器存储V_on和V_off。电压表28可以包括机内的数字电压表或按另一种方法可以包含带有采样时钟和适当滤波电路的模拟数字转换器，以产生数字测量值。

微处理器30提供能够控制电阻测量方式和电流测量方式的电路方式的信号。微处理器30给开关20a-c提供方式信号，开关组20a-c向上时为电阻测量方式，向下时为电流测量方式。在电阻测量方式中，已调制电流源22和同步解调器26与导体段并联连接。同时，在电阻测量方式中，根据由微处理器30提供的开关信号，断开已调制电流源22测量V_off，接通已调制电流源22测量V_on微处理器30还被用来选择适当的测试信号频率，作为频率信号提供给参考波形发生器24，同时将V_off信号电平与预定的最大噪声底值电平进行比较。

由于已调制电流源22所产生的测试电流It的值是已知的，并且V_on和V_off的值已经被存储，所以微处理器30能够按照下式计算14和18点之间导体段的电阻值。

R_seg＝[V_on-V_off]/It

在某一频率限度内，一般来说小于1兆赫，可以假设导体段电阻R_seg为常数。然后将导体段电阻R_seg送到显示器32进行显示。

将开关20a-c设置为向下位置，微处理器30可以构成电流测量方式电路。这时，电压表28跨接在导体段上直接测量V₀。已调制电流源22和同步器26与导体10断开。因为电流I可能含有交流成分，所以可以把该电压表设置成测量交流电压，以便精确地测量导体段两端的电压降V₀。因为电压降V₀与V_on和V_off一样是低电平电压信号，所以需要使用测量低电平电压的专门技术，如本专业已知的屏蔽和保护(guarding)技术。

一旦V₀值被确定并由电压表28提供给微处理器30，则就能够按照下面的方程计算电流I的值。

I＝V₀/R_seg

然后电流I被送到显示器32上显示。

图2是根据本发明说明选择适当测试频率的过程的幅度与频率的关系曲线。曲线50标出的电流噪声表示含有一定高频能量的电压降的幅频关系。任意多种幅频关系分布都是有可能的，因此，为了在希望的精度水平上获得电阻测量结果而选择多个测试频率。为了获得低于用噪声底值(NOISE FLOOR)标志的预定最大噪声电平的噪声底值，可以选择由标号F1，F2，F3表示的一组测试频率52。对于一个测试频率的实际噪声底值由在该测试频率上曲线50的幅度所确定。在这种情况下，只有频率F3提供了低于预定最大电平NOISEFLOOR的可接受的噪声底值，这样将用该频率来进行测量。

图3是根据本发明的最佳实施例的已调制电流源22的示意图。电流源50和52均与开关54相连，该开关响应来自参考波形发生器24的调制信号，交替地将来自每一电流源50和52的测试电流It连接到导体段10。按照这种方法，测试电流It在所希望的测试频率上含有交流成分。调制信号最好是方波信号，以保证开关54精确地动作。

图4是根据本发明的最佳实施例的同步解调器的示意图。开关60a-d跨接在导体段10两端，并且每一开关60a-d都按照来自参考波形发生器24的调制信号同步地动作。电容器62作为采样和保持电路存储从导体段两端接收到的电压值。为了按照与图3所示已调制电流源22同步的方式、以相反的极性将电容器62跨接到导体两端、以便在电容器62上产生测试电压降，各开关60a-d共同地形成换向开关。由于由电流I所产生的电压降可能包含有非同步并超出频带信号的直流和交流成分，因此该电压降将从测试电流It所产生的测试电压降中被分离出来。

本专业中普通的技术人员会明白，可以对本发明上面所述的最佳实施例的细节进行许多变化，而这些变化并不背离本发明诸方面的精神。例如，调制信号可以采取各种波形，如锯齿波和正弦波。测试频率不需要为常数，并且为了使用同步解调更加有效地从电流I中排除电流噪声，并获得所希望精度的电阻测量结果，调制波形可以包括伪随机间隔时间，或使用扩频通信技术方法中的捷变频技术。调制信号特性的选择可以通过适当的试验获得。因此，本发明的范围应当由下面的权利要求书来确定。

Claims (12)

1.一种测试导体中电流的方法包括：

(a)选择所述导体中的一段，所述电流在所述导体段两端产生电压降；

(b)在所述导体段上跨接已调制电流源，所述调制电流源响应具有所选择的频率的调制信号而产生测试电流，从而在所述导体段两端产生测试电压降；

(c)在所述导体段上跨接同步解调器，以便通过按照所述调制波形对所述测试电压降进行同步解调而将所述测试电压降从所述电压降中分离出来；

(d)用电压表测量所述测试电压降；

(e)断开所述已调制电流源；

(f)利用所述电压表测试所述导体段两端的所述电压降；以及

(g)根据所述测试电压降、所述电压降和所述测试电流，确定所述电流。

2.根据权利要求1的测量导体电流的方法，其特征在于还包括根据所述测试电压降和所述测试电流，计算所述导体段的电阻。

3.根据权利要求1的测量导体电流的方法，其特征在于还包括选择所述被选频率，以便获得低于预定最大电平的噪声容限。

4.根据权利要求1的测量导体电流的方法，其特点在于：所述电流包括交流电流和直流电流。

5.根据权利要求1的测量导体电流的方法，其特征在于所述已调制电流源包括：

(a)产生极性相反的电流的第一和第二电流源；以及

(b)双刀开关，所述双刀开关响应所述调制信号，交替地将所述第一和第二电流源连接到所述导体段上。

6.根据权利要求1的测量导体电流的方法，其特征在于所述同步解调器包括：

(a)电容器；以及

(b)换向开关，用来与所述调制信号同步地、按照相反的极性将所述电容器连接到所述导体段两端，在所述电容器两端产生所述测试电压降。

7.一种测量导体内电流的装置包括：

(a)跨接在所述导体段上的第一和第二探头，每一所述探头具有源接线和检测接线，所述电流在所述导体段两端产生电压降；

(b)产生调制信号的参考波形发生器；

(c)已调制电流源，用来响应所述调制信号而产生测试电流，并且经过所述第一和第二探头的所述源接线跨接所述导体段，以便产生测试电压降；

(d)通过所述第一和第二探头的所述检测接线跨接在所述导体段上的同步解调器，它响应所述调制信号而从所述电压降中分离出所述测试电压降；

(e)选择性地测量所述电压降和所述测试电压降、以便产生数字测量值的电压表；

(f)与所述电压表连接、接收所述数字测量值的微处理器，所述微处理器根据所述测试电压降和所述电压降计算所述导体中的所述电流。

8.根据权利要求7的测量导体内电流的装置，其特点在于所述微处理器还计算所述导体段的电阻。

9.根据权利要求7的测量导体内电流的装置，其特点在于所述微处理器与所述参考波形发生器连接，选择所述调制信号的频率，以便得到比预定最大电平低的噪声底值。

10.根据权利要求7的测量导体内电流的装置，其特点在于所述电流包括交流电流和直流电流。

11.根据权利要求7的测量导体内电流的装置，其特点在于所述已调制电流源包括：产生相反极性电流的第一和第二电流源；以及双刀开关，所述双刀开关响应所述调制信号，交替地将所述第一和第二电流源与所述导体段连接。

12.根据权利要求7的测量导体内电流的装置，其特征在于所述同步解调器包括：

(a)电容器；以及

(b)换向开关，用来与所述调制信号同步地、按照相反的极性将所述电容器连接到所述导体段两端，在所述电容器两端产生所述测试电压降。

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