CN203414511U - 电流测量电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种电流测量电路，包括积分电路、模数转换电路、处理器单元以及开关控制电路，所述积分电路将待测的输入电流信号转化为电压信号，所述模数转换电路将所述电压信号转换为数字信号，所述处理器单元用于控制该电流测量电路并根据所述模数转换电路传输的数据计算输入的电流信号的值；所述积分电路包括一运算放大器以及一反馈网络，所述运算放大器具有一反相输入端、一正相输入端以及一输出端，所述反馈网络一端接所述反相输入端，另一端接所述输出端，所述正相输入端接地；所述反馈网络包括第一反馈电路以及与该第一反馈电路并联的第二反馈电路，所述开关控制电路通过所述处理器单元控制来切换所述第一反馈电路以及第二反馈电路。

Description

电流测量电路
技术领域
本实用新型涉及一种电流测量电路，尤其涉及一种可用于实时测量大动态范围微弱电流的测量电路。
背景技术
在探测放射性射线（比如γ、β射线、中子等）以及其它微弱信号（比如弱光、微振动等）时，一般都是先利用合适的探测器将其转换为微弱的电流，再对微弱电流进行放大并测量。在探测微弱信号时，探测器输出的微弱电流的动态范围有时很大。比如,用电离室对γ射线进行测量时，电离室输出的电流信号的范围可达10-14A～10-6A，属于微弱电流的范畴。微弱电流测量电路不仅要能对如此大动态范围的微弱电流进行测量，还需要具有体积小、可实时测量等特点，从而可以与探测器集成在一起构成微弱信号测量装置。普通的电流表无法满足上述要求，一般需要设计专门的微弱电流测量电路才可能达到上述要求。
目前，主要有两种微弱电流的测量方法：跨阻法和积分电容法。跨阻法通常是通过采用一个或多个并联的不同阻值的反馈电阻把微弱电流信号转换成电压信号，然后，通过模数转换（ADC）电路把电压信号转化为数字信号。然而，跨阻法对反馈电阻、放大器以及整个系统抗干扰能力的要求较高，且微弱电流的检测受反馈电阻自身阻值的限制，从而较难测量10-15至10-13A的极微弱电流。积分电容法可以用来检测相对于跨阻法更微弱的电流信号。积分电容法是通过在电容上积分把微弱电流信号转化为电压信号，然后通过ADC电路测量单位时间内的电压变化来计算电流值。积分电容法可以通过提高测量时间来测量极微弱的电流，但积分电容法受电容容量的限制，对微弱电流的测量范围有限，且响应时间慢。
实用新型内容
有鉴于此，确有必要提供一种可以测量大动态范围微弱电流的电流测量电路。
一种电流测量电路，包括积分电路、模数转换电路、处理器单元以及开关控制电路，所述积分电路将待测的输入电流信号转化为电压信号，所述模数转换电路将所述电压信号转换为数字信号，所述处理器单元用于控制该电流测量电路并根据所述模数转换电路传输的数据计算输入的电流信号的值；所述积分电路包括一运算放大器以及一反馈网络，所述运算放大器具有一反相输入端、一正相输入端以及一输出端，所述反馈网络一端接所述反相输入端，另一端接所述输出端，所述正相输入端接地；所述反馈网络包括第一反馈电路以及与该第一反馈电路并联的第二反馈电路，所述第一反馈电路包括一反馈电阻以及与该反馈电阻串联的第一开关；所述第二反馈电路包括一积分电容、第二开关、以及一第三开关，所述积分电容与所述第二开关串联，所述积分电容与第二开关串联后的电路与所述第三开关并联，所述开关控制电路通过所述处理器单元控制来切换所述第一反馈电路以及第二反馈电路。
相对于现有技术，本实用新型实施例通过在积分电路中将所述积分电容以及反馈电阻相结合的方式来对电流进行测量，由于所述积分电容可对较微弱的电流进行积分，通过测量积分电压的变化率，即可计算出待测量电流信号值。利用反馈电阻可测量较大的微弱电流，从而实现了大动态范围微弱电流的实时测量，本实用新型所述电流测量电路可实时测量1fA～1μA的大动态范围电流。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的电流测量电路的原理框图。
图2为本实用新型实施例提供的电流测量电路的电路图。
主要元件符号说明
积分电路 U1
模数转换电路 U2
处理器单元 U3
开关控制电路 U4
预积分电路 U5
温度传感器电路 U6
数字接口电路 U7
运算放大器 A
反馈电阻 Rf
传输电阻 Rp
第一开关 S1
第二开关 S2
第三开关 S3
第四开关 S4
积分电容 Ci
预积分电容 Cp
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本实用新型提供的电流测量电路作进一步的详细说明。
请参阅图1，本实用新型实施例提供一种电流测量电路，该电流测量电路可以实时测量1fA～1μA的大动态范围电流。该电流测量电路包括一积分电路U1、模数转换（ADC）电路U2、处理器单元U3以及开关控制电路U4。所述积分电路U1将输入的电流信号Iin转化为电压信号，所述ADC电路U2将所述电压信号转化为数字信号并传入所述处理器单元U3，所述处理器单元U3接收所述数字信号并运算得出所述电流信号Iin的大小。
请一并参阅图2，所述积分电路U1进一步包括一运算放大器A以及一反馈网络。
所述运算放大器A具有一反相输入端（-）、一正相输入端（+）以及一输出端（Vo）。待检测的所述电流信号Iin从所述反相输入端输入，所述正相输入端接地。所述反馈网络的一端接所述运算放大器A的反相输入端，另一端接所述运算放大器A的输出端。
所述运算放大器A可选取漏电流较低的FET输入型运算放大器，所述漏电流小于1皮安（pA）。本实用新型实施中所述运算放大器A的型号为AD549。
所述反馈网络包括一第一反馈电路以及与所述第一反馈电路并联的第二反馈电路。所述第一反馈电路包括一反馈电阻Rf以及与该反馈电阻Rf串联的第一开关S1。该反馈电阻Rf的阻值可为100K?至100M?。本实用新型实施例中所述反馈电阻Rf的阻值为10M?。该第一反馈电路可用来测量电流值较大的微弱电流。在本实用新型实施例中，该第一反馈电路可测量大于1nA的电流。此外，所述反馈网络可包括多个并联的第一反馈电路，该多个第一反馈电路中的反馈电阻Rf的电阻值互不相同，从而可实现不同量程范围电流信号的测量。
所述第二反馈电路包括一积分电容Ci、第二开关S2、以及第三开关S3。所述积分电容Ci与所述第二开关S2串联，所述积分电容Ci与所述第二开关S2串联后与所述第三开关S3并联。所述第二开关S2用于控制该第二反馈电路的断开与闭合。所述第三开关S3用于控制所述积分电容Ci上积累的电荷的泻放。优选地，该积分电容Ci的容值范围为1pF至1000pF。本实用新型实施例中所述积分电容Ci的电容值为50pF。该第二反馈电路可用来测量电流值相对较小的微弱电流。在本实用新型实施例中，该第二反馈电路可测量小于10nA的电流。
所述ADC电路U2用于将所述积分电路U1输出的电压信号转换为数字信号。具体地，该ADC电路U2可对所述积分电容Ci上积累的积分电压以及反馈电阻Rf上的电压进行采集并转化成数字信号。所述ADC电路可通过一ADC芯片来实现。本实用新型实施例中所述ADC电路采用24位∑-Δ型ADC芯片。
所述开关控制电路U4可用来切换所述第一反馈电路和第二反馈电路以实现在不同量程范围内电流信号的实时检测。具体地，所述开关控制电路U4用来控制所述第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3的闭合和断开。所述第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3均为高绝缘性的开关。所述第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3的绝缘电阻不低于1012?。
进一步地，所述电流测量电路包括一预积分电路U5，该预积分电路U5可在所述积分电容Ci泻放电荷的过程中来对输入的电流信号Iin进行积分，从而可避免该电流测量电路对电流检测存在的死时间，以达到实时检测所述输入的电流的目的。
该预积分电路U5包括一预积分电容Cp，传输电阻Rp以及第四开关S4。所述预积分电容Cp的一端接地，另一端接所述传输电阻Rp。所述第四开关S4一端接所述传输电阻Rp，另一端为该预积分电路U5的输出端，接所述积分电路U1的输入端，具体地，接所述运算放大器A的反相输入端。
所述预积分电容Cp的容值范围为1pF至10nF。所述第四开关S4为高绝缘性的开关。所述第四开关S4的绝缘电阻不低于1012?。所述第四开关S4由所述开关控制电路U4来控制。
在所述积分电路U1中的积分电容Ci泻放电荷时，所述第四开关S4断开，输入的电流信号Iin在所述预积分电容Cp上积分。当所述积分电路U1完成电荷泻放后，所述第四开关S4闭合，所述预积分电容Cp上积累的电荷经过所述传输电阻Rp释放，流向积分电路U1，然后通过所述ADC电路U2以及处理器单元U3采集计算获得电流信号大小，从而可解决传统的积分电容法存在死时间的问题。可以理解，当不考虑所述积分电路U1泻放电荷引起的死时间时，所述预积分电路U5为该电流测量电路中一可选的元件。当所述电流测量电路不包括所述预积分电路U5时，待检测的电流信号Iin直接输入到所述积分电路U1中，本实用新型实施例中，所述待检测的电流信号Iin直接通过所述运算放大器A的反相输入端输入。
所述处理器单元U3用于控制所述开关控制电路U4，读取所述ADC电路U2输出端的数据并实时处理获得输入的电流信号Iin的测量结果。所述处理器单元U3可为可编辑逻辑器件，如微控制器、微处理器或FPGA（Field Programmable Gate Array）。该可编程逻辑器件可自动完成测量的控制和测量结果的实时处理，得出输入电流的最终测量结果。本实用新型实施例中所述处理器单元U3采用所述微控制器实现。
所述电流测量电路可进一步包括一温度传感器电路U6，用于采集环境温度，以对电流信号Iin的测量结果进行校正，从而来提高该电流测量电路的测量精度。所述温度传感器电路U6可通过温度传感器以及与该温度传感器连接的测量电路来实现。所述温度传感器可为热敏电阻。此外，所述温度传感器电路U6也可采用温度测量集成芯片来实现。所述温度传感器电路U6采集的环境温度传输到所述处理器单元U3来进行校正。
所述电流测量电路可进一步包括一数字接口电路U7用来将所述电流信号Iin的测量结果传输到其他电子设备进行记录、分析或实时显示。具体地，所述数字接口电路U7可通过以太网、USB通信或串口通信的方式与其他电子设备通讯。该电子设备可为计算机、液晶显示器或数码管。
该电流测量电路的工作过程如下：首先，所述第二反馈电路开始工作，即所述第二开关S2以及第四开关S4闭合，所述第一开关S1以及第三开关S3断开，待检测的所述电流信号Iin在所述积分电容Ci上积分产生积分电压，所述ADC电路U2将所述积分电压转化成数字信号传输到所述处理器单元U3进行处理获得电流信号Iin的测量结果。当检测到电流信号Iin的值过大（即，测量到的电流信号值接近或超出所述第二反馈电路本身可以测得的电流信号的上限值）时，所述第二反馈电路停止工作，所述第一反馈电路开始工作，即所述第一开关S1和第四开关S4闭合，所述第二开关S2和第三开关S3断开，所述输入的电流信号Iin通过在所述反馈电阻Rf上产生的电压来检测其电流信号Iin的大小。同样地，当所述处理器单元U3获得电流信号Iin较小时，即，测量到的电流信号值接近或者小于所述第一反馈电路可以测量的电流范围的下限值时，所述处理器单元U3切换所述第一反馈电路到所述第二反馈电路再进行电流信号的检测。从而可以实时准确的检测大动态范围内的电流信号值。
当所述第二反馈电路工作时，输入的电流信号Iin在所述积分电容Ci上积分产生积分电压，当该积分电压超过该积分电容Ci的阈值时，第二开关S2与S3同时闭合，第四开关S4断开，使该积分电容Ci进行电荷泻放。此时输入的电流信号Iin在所述预积分电容Cp上积分，当所述积分电容Ci电荷泻放完毕后，所述第二反馈电路正常工作，即第三开关S3断开，第二开关闭合S1，同时第四开关S4闭合，所述预积分电容Cp上积累的电荷通过所述传输电阻Rp传输到所述积分电容Ci上积分，产生的积分电压通过ADC电路U2和处理器单元U3获得所述积分电容Ci在泻放电荷的时间段内，输入的电流信号值的大小，从而避免了该电流测量电路死时间的存在，实现了大动态范围电流的实时检测。
本实用新型实施例通过在积分电路中将所述积分电容以及反馈电阻相结合的方式来对电流进行测量，由于所述积分电容可对较微弱的电流进行积分，通过测量积分电压的变化率，即可计算出待测量电流信号值。利用反馈电阻可测量较大的微弱电流，从而实现了大动态范围微弱电流的测量，本实用新型所述电流测量电路可实时测量1fA～1μA的大动态范围电流。此外，由于所述反馈电阻与积分电容结合使用，因此，反馈电阻选取常规的低温度系数电阻即可，可大大降低电路设计和反馈电阻选型的难度。此外，通过开关控制电路可实现第一反馈电路以及第二反馈电路之间的实时切换，即不同测量量程的切换，从而可实现大动态范围微弱电流的实时测量。最后，本实用新型电流测量电路中的元器件均为常用的元器件，因此，易于实际应用，且该电流测量电路具有较小的体积可嵌入到需要测量微弱电流的设备中使用。
另外，本领域技术人员还可在本实用新型精神内做其他变化，当然，这些依据本实用新型精神所做的变化，都应包含在本实用新型所要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种电流测量电路，包括积分电路、模数转换电路、处理器单元以及开关控制电路，所述积分电路将待测的输入电流信号转化为电压信号，所述模数转换电路将所述电压信号转换为数字信号，所述处理器单元用于控制该电流测量电路并根据所述模数转换电路传输的数据计算输入的电流信号的值；其特征在于， 
所述积分电路包括一运算放大器以及一反馈网络，所述运算放大器具有一反相输入端、一正相输入端以及一输出端，所述反馈网络一端接所述反相输入端，另一端接所述输出端，所述正相输入端接地；所述反馈网络包括第一反馈电路以及与该第一反馈电路并联的第二反馈电路，所述第一反馈电路包括一反馈电阻以及与该反馈电阻串联的第一开关；所述第二反馈电路包括一积分电容、第二开关、以及一第三开关，所述积分电容与所述第二开关串联，所述积分电容与第二开关串联后的电路与所述第三开关并联，所述开关控制电路通过所述处理器单元控制来切换所述第一反馈电路以及第二反馈电路。 
2.如权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，所述反馈电阻的阻值为100KΩ至100MΩ。 
3.如权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，所述积分电容的容值范围为1pF至1000pF。 
4.如权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，进一步包括一用于检测环境温度的温度传感器电路，检测到的所述环境温度输入到所述处理器单元对检测到的电流信号值进行校正。 
5.如权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，进一步包括一数字接口电路，该数字接口电路用于将检测到的电流信号值传输到一电子设备。 
6.如权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，进一步包括一预积分电路，所述预积分电路用于在所述积分电容电荷泻放的过程中对输入的电流信号进行积分，所述预积分电路包括一预积分电容、一传输电阻以及一第四开关，所述预积分电容一端接地，另一端与所述传输电阻的一端电连接，所述传输电阻与第四开关串联，所述第四开关的一端接所述传输电阻，另一端接所述运算放大器的反相输入端。 
7.如权利要求6所述的电流测量电路，其特征在于，所述预积分电容的容值范围为1pF至10nF。 
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