CN1553563A - 用于微小直流电流测量的开关电容电流电压变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于微小直流电流测量的开关电容电流电压变换器，可将微小直流电流变换为较高电压信号，由运算放大器、电容器、电子开关和定时器组成，电容器和电子开关并联，连接在运算放大器的反馈回路中，电子开关与定时器连接，变换器的输入为直流电流信号，输出为单极性的锯齿波电压，锯齿波的极性与输入电流的极性相反，锯齿波的周期由定时器控制，斜率与输入电流的幅值成线性关系。本发明通过调节电容器电容量和锯齿波频率可以调节电路的灵敏度，电路简单而稳定，有很强的抗干扰能力。

Description

用于微小直流电流测量的开关电容电流电压变换器

技术领域：

本发明涉及一种用于微小直流电流测量的开关电容电流电压变换器，用于将微小直流电流变换为相反极性锯齿波电压进行测量，属于电学领域电工测量电子电路。

背景技术：

微小直流电流是指10^-6A-10^-9A及以下的直流电流。目前微小直流电流的通用测量方法有两种。一种是直接放大即直接进行电流电压变换然后进行电压放大，由于是直流放大，这种方法很容易受到电子器件特性的失调和漂移而影响到工作的稳定和准确。另一种是斩波调制，即先将直流信号变换为交流电压，再对交流电压进行电压放大，最后再变换为直流电压。这种方法克服了直接放大法的缺点但电路复杂。两种方法都是以电子电路的电压放大功能将小信号放大到可测量的电平，它们的共同特点是容易受交流电流干扰。因为在放大过程中伴随直流信号的交流干扰信号也同时放大，当交流干扰信号的电平达到或超过直流信号一到二个数量级时，电子电路由于电压饱和将不能正常工作。而这种情况在实验室以外场合是经常遇见的，例如：生产车间，变电站等。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于微小直流电流测量的开关电容电流电压变换器，电路简单而实用，灵敏度高又具有较强的抗干扰能力。

为实现这样的目的，本发明设计的用于微小直流电流测量的开关电容电流压变换器由运算放大器，电容器，电子开关和定时器组成，电容器和电子开关并联，连接在运算放大器的反馈回路中，即连接在运算放大器的负输入端和输出端之间，电子开关与定时器连接。

本发明的运算放大器采用高输入阻抗，低输入电流的场效应管输入的运算放大器。

变换器的输入为直流电流信号，当开关断开时，输入电流对电容器充电，运算放大器的输出端电压线性上升。当开关闭合时电容器储存的电荷快速中和，运算放大器的输出端电压立刻降为零，然后开关又断开，电容器重新开始充电，由此输出为单极性的锯齿波电压，锯齿波的极性与输入电流的极性相反。电子开关的开断和闭合由定时器控制，即锯齿波的周期由定时器控制，锯齿波的斜边的上升率(斜率)与输入电流的幅值成线性关系。对这个锯齿波电压进行平均值测量就可以得到与被测量直流电流幅值成比例的电压值，而这个电压不再需要放大而很容易进行测量。

本发明通过调节电容器电容量和锯齿波频率可以调节电路的灵敏度，电路简单而稳定，有很强的抗干扰能力。

附图说明：

图1为本发明开关电容电流电压变换器的电原理图。

如图1所示，本发明的用于微小直流电流测量的开关电容电流压变换器由一个运算放大器OA，电容器C，电子开关K和定时器T组成。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明设计的开关电容电流电压变换器的电原理图如图1所示，包括一个高输入阻抗的运算放大器OA，用于储存电荷的电容器C，用于放电的电子开关K和控制开关断开、闭合的定时器T。电容器和C电子开关K并联，连接在运算放大器OA的反馈回路中，即连接在运算放大器的负输入端和输出端之间，电子开关K与定时器T连接。

从电原理图可看出，被测量的电流对电容器充电，运算放大器的输出端的电压将以I/C的速率增长；当达到适当的时间，定时器T输出一个窄脉冲，控制开关K短暂地闭合一次，将电容器上的电荷放掉(中和)，运算放大器的输出端的电压迅速下降到零；然后开关K打开，重新开始充电。如此这样地连续进行下去就在运算放大器的输出端得到锯齿状的电压波形，对这个锯齿波电压进行平均值测量就可以得到与被测量直流电流幅值成比例的电压值，它的极性与输入电流的极性相反。所以本发明的方法简单的说就是，将被测量的小电流转换为一个相当数量级(伏级)的单向的锯齿波电压。而这个电压是很容易进行测量，所以不再需要电压放大。

伴随输入直流电流的干扰信号，例如工频感应电流，只影响到锯齿波的斜边而对锯齿波的平均电压影响极小。如果定时器T的周期与交流干扰电流的频率成整倍数，则交流干扰电流的影响可为零。

本发明的变换器可用于微电流计中作为前置输入端，特别适用于很强工频电场影响的现场测量用的微电流计。

本发明变换器的测量灵敏度和抗干扰能力取决于电容器C和充电时间T的选择。计算如下式：

$V_0\left(t\right)={\∫}_0^T(-I_{1}t/C)\mathrm{dt}$

平均输出电压

$V_0=\frac{I_{1}T}{2C}$

换算后的平均输入直流电流：I＝2CV₀/T

本发明的输出端直接连接一个具有较长转换时间的双积分型数字电压表，既可构成一个数字式微电流计。该电流计具有极强的抗干扰能力，可在任何强干扰场合下进行直流微电流测量。

本发明的输出端连接一个平均值电路，然后可连接任何一种的信号采集系统，构成信号采集系统的直流微电流测量输入端。

本发明的输出端连接一个平均值电路，然后再连接一个电压电流变换器，构成为直流微电流信号变送器，可在分布式现场测量系统中用作为直流微电流传感器。

Claims (2)

1、一种用于微小直流电流测量的开关电容电流电压变换器，其特征在于由运算放大器OA，电容器C，电子开关K和定时器T组成，电容器C和电子开关K并联，连接在运算放大器的反馈回路中，即连接在运算放大器的负输入端和输出端之间，电子开关K与定时器T连接，变换器的输入为直流电流信号，输出为单极性的锯齿波电压，锯齿波的极性与输入电流的极性相反，锯齿波的周期由定时器K控制，锯齿波的斜率与输入电流的幅值成线性关系。

2、如权利要求1的用于微小直流电流测量的开关电容电流电压变换器，其特征在于所述运算放大器OA为高输入阻抗，低输入电流的场效应管输入的运算放大器。

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