CN207817038U - 一种电流测量电路和万用表 - Google Patents

Abstract

一种电流测量电路和万用表，包括：信号输入端(信号输入正端和信号输入负端)；信号采样回路，分别与信号输入正端和信号输入负端连接，用于根据预定量程对输入信号进行采样并通过两输出端输出采样信号；放大电路，其同相和反相输入端分别连接信号采样回路的两输出端，用于对采样信号进行放大且至少进行一次放大后再连接公共地；模数转换器，连接放大电路的输出端，用于将采样信号转换成数字信号；处理器，连接模数转换器，用于处理数字信号并输出电流测量结果。由于放大电路对信号采样回路输出的采样信号至少进行一次放大后才与公共地连接，形成差分式的输入级，避免了公共地的各种噪声和干扰信号的影响，提高了电流测量读数的准确度和稳定性。

Description

一种电流测量电路和万用表

技术领域

本发明涉及万用表技术领域，具体涉及一种电流测量电路和万用表。

背景技术

台式万用表是一种多用途的精密电子测量仪器，一般包含安培计、电压表、欧姆计等功能，可用于测量电压、电流等低频或者直流信号，在测量和校准领域得到了广泛的应用。电流测量是万用表的一项基本的测试功能，高精度万用表对于电流测量的量程和精度有很高的要求，比如典型的6位半台式万用表，其直流电流测量功能具有10mA、100mA、1A和3A等量程，典型24小时精度可达(0.005％×读数+0.01％×量程)。要达到如此宽的测量范围和精度，对于信号处理电路的设计提出了更高的要求，尤其是对电路噪声的处理，往往成为万用表性能的关键。

采用现有的台式万用表中实现电流测量功能的电路进行电流测量时，需要测量的电流由信号输入正端流入，通过采样电阻之后由信号输入负端流出，形成测量回路；需要测量的电流在通过采样电阻时会产生测量电压，该测量电压通过两级串联的典型负反馈放大电路被放大到模数转换器的满量程测量范围，再由模数转换器转化为数字电压信号输入到CPU(Central Processing Unit，中央处理器)控制系统，由CPU控制系统进行处理，得到测量结果。在该过程中，由于测量回路和后续的放大电路等信号处理电路均使用同一个地平面作为参考，即使用的是公共地平面，这样，在测量回路采用公共地平面进行电流测量时，后续的各个信号处理电路产生的噪声等信号都可以通过公共地平面传递给测量回路，从而导致公共地平面不是测量回路的理想地平面，也就是说，公共地平面存在着各种噪声和干扰信号，而这些噪声和干扰信号再经过两级负反馈放大电路之后会被进一步放大，这样便会导致电流的测量读数不稳定，且不准确，特别是对于小电流的测量，其影响更为明显。

发明内容

本申请提供一种电流测量电路和万用表，以避免公共地平面的各种噪声和干扰信号对电流测量的影响，提高电流测量读数的准确度和稳定性。

根据第一方面，一种实施例中提供一种电流测量电路，包括：

信号输入端，包括信号输入正端和信号输入负端；

信号采样回路，所述信号采样回路分别与信号输入正端和信号输入负端连接，用于根据预定的量程对输入信号进行采样，并通过两输出端输出采样信号；

放大电路，所述放大电路包括同相输入端和反相输入端，同相输入端和反相输入端分别与信号采样回路的第一输出端和第二输出端连接，用于对信号采样回路输出的采样信号进行放大，且对采样信号至少进行一次放大后再连接公共地；

模数转换器，所述模数转换器与放大电路的输出端连接，用于将采样信号转换成数字信号；

处理器，所述处理器与模数转换器连接，用于对数字信号进行处理，输出电流测量结果。

进一步的，所述放大电路包括：

第一阻抗；第二阻抗；

第一放大器，所述第一放大器的同相端与信号采样回路的第一输出端连接，反相端通过第一阻抗与信号采样回路的第二输出端连接，且反相端通过第二阻抗与输出端连接，所述输出端连接模数转换器。

进一步的，所述放大电路包括：

第一阻抗；第二阻抗；第三阻抗；第四阻抗；

第一放大器，所述第一放大器的同相端通过第三阻抗与信号采样回路的第一输出端连接，且同相端通过第四阻抗与地连接，反相端通过第一阻抗与信号采样回路的第二输出端连接，且反相端通过第二阻抗与输出端连接，所述输出端连接模数转换器。

进一步的，所述放大电路还包括：

第五阻抗；第六阻抗；

第二放大器，所述第二放大器的同相端与第一放大器的输出端连接，反相端通过第五阻抗与地连接，且反相端通过第六阻抗与第二放大器的输出端连接，所述第二放大器的输出端连接模数转换器。

进一步的，所述放大电路还包括第一模拟开关，所述第一模拟开关的控制端连接到处理器，用于在处理器的控制下将第一放大器的输出端和模数转换器的输入端电连接，或将第一放大器的输出端和第二放大器的输入端电连接。

进一步的，所述放大电路还包括第二模拟开关，所述第二模拟开关的控制端连接到处理器，用于在处理器的控制下将第二放大器的输出端和模数转换器的输入端电连接，或通过与第一模拟开关配合工作将第一放大器的输出端和模数转换器的输入端电连接。

进一步的，第一放大器和第二放大器通过增益调节使得第一放大器相比于第二放大器占有更大的增益分配比例。

进一步的，所述信号采样回路包括：

分压支路，所述分压支路包括串联的第一采样电阻和第二采样电阻，第一采样电阻的第一端与放大电路的同相输入端相连，第二端与第二采样电阻的第一端相连，第二采样电阻的第二端和反相输入端与信号输入负端相连；

切换开关，切换开关连接在信号输入正端和分压支路之间，其控制端与处理器相连，所述切换开关在处理器的控制下将信号输入正端连接到第一采样电阻的第一端或第一采样电阻和第二采样电阻的串联节点。

根据第二方面，一种实施例中提供一种万用表，包括如上述方案所述的电流测量电路和面板，所述信号输入端设置在面板上。

依据上述实施例的电流测量电路和万用表，信号采样回路分别与信号输入正端和信号输入负端连接，其两输出端分别与放大电路的同相输入端和反相输入端连接，形成差分式的输入级，放大电路对信号采样回路输出的采样信号至少进行一次放大后才与公共地连接，这时，电流测量电路的输入信号将是信号输入正端和信号输入负端之间的电压差，避免了公共地的各种噪声和干扰信号对采样信号的影响，这使得采样信号在进入放大电路进行至少第一次放大时不会存在对公共地的各种噪声和干扰信号的放大，从而能够提高电流测量读数的准确度和稳定性。

附图说明

图1为一种电流测量电路的结构示意图；

图2为改进后的一种实施例中电流测量电路的结构示意图；

图3为改进后的一种具体实施例中电流测量电路的结构示意图；

图4为一种差分放大电路的结构示意图；

图5为另一种差分放大电路的结构示意图；

图6为改进后的另一种具体实施例中电流测量电路的结构示意图；

图7为负反馈放大电路的结构示意图；

图8为本发明实施例的万用表的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。

图1示出了台式万用表的一种电流测量电路的结构示意图，如图1所示，测量电路主要由一个继电器K1、两个采样电阻R1和R2、两个模拟开关S1和S2、两级串联的放大电路、模数转换器和CPU控制系统组成，其中的两级放大电路均为典型的负反馈放大电路。在进行电流测量时，需要测量的电流由端口HI流入，通过采样电阻R1和R2之后由端口LO流出，形成测量回路；继电器K1用来切换测量档位；S1和S2用来控制采样信号的放大路径；需要测量的电流在通过R1和R2时会产生测量电压，该测量电压通过两级串联的负反馈放大电路被放大到模数转换器的满量程测量范围，再由模数转换器转化为数字电压信号输入到CPU控制系统，由CPU控制系统进行处理，得到测量结果。如果采用图1所示的电路，由图1可以看出，测量回路中采样电阻R1和R2串联之后与端口LO直接接地，且其与后续的负反馈放大电路等信号处理电路共用一个地平面，此时，输入信号相当于是端口HI的单端信号，这样易受公共地的各种噪声和干扰信号的影响，且通过两级负反馈放大电路后会进一步放大这些噪声和干扰信号的影响。

在本发明实施例中，将信号采样回路的两个输出端分别与放大电路的同相输入端和反相输入端连接，形成差分式的输入级，该放大电路对信号采样回路输出的采样信号至少进行一次放大后才与公共地连接。

实施例一：

图2为改进后的一种实施例中电流测量电路的结构示意图，如图2所示，该电流测量电路包括信号输入正端H、信号输入负端L、信号采样回路1、放大电路2、模数转换器3和处理器4，信号输入正端H和信号输入负端L共同组成电流测量电路的信号输入端。

信号采样回路1分别与信号输入正端H和信号输入负端L连接，用于根据预定的量程对输入信号进行采样，并通过两输出端a和b输出采样信号；放大电路2包括同相输入端c和反相输入端d，同相输入端c和信号采样回路的输出端a连接，反相输入端d与信号采样回路的另一输出端b连接，用于对信号采样回路输出的采样信号进行放大，且对采样信号至少进行一次放大后再连接公共地；模数转换器3与放大电路2的输出端连接，用于将信号采样回路输出的采样信号转换成数字信号；处理器4与模数转换器3连接，用于对模数转换器3输出的数字信号进行处理，输出电流测量结果。

本实施例提供的电流测量电路，信号采样回路1分别与信号输入正端H和信号输入负端L连接，信号采样回路的两输出端a和b分别与放大电路的同相输入端c和反相输入端d连接，且放大电路2对信号采样回路1输出的采样信号至少进行一次放大后才与公共地连接，形成差分式的输入级，这时，放大电路2的输入信号将是信号输入正端H和信号输入负端L之间的电压差，而不再是信号输入正端H的单端信号，从而避免了公共地的各种噪声和干扰信号的影响，进而在放大电路2至少第一次对测量的电流信号进行放大时，也便不会存在对公共地的各种噪声和干扰信号的放大，因此提高了电流测量读数的准确度和稳定性。

实施例二：

基于实施例一，图3为改进后的一种具体实施例中电流测量电路的结构示意图，如图3所示，本实施例提供的电流测量电路包括信号输入正端H、信号输入负端L、信号采样回路1、放大电路2、模数转换器3和处理器4，其中的信号采样回路1包括第一采样电阻R1、第二采样电阻R2和切换开关K，第一采样电阻R1和第二采样电阻R2串联构成分压支路，放大电路2为差分放大电路，该差分放大电路由第一放大器U1和阻抗构成，切换开关K可以是继电器。

第一采样电阻R1的第一端与信号采样回路1的输出端a连接，第二端与第二采样电阻R2的第一端相连，第二采样电阻R2的第二端和信号输入负端L与信号采样回路1的另一个输出端b连接；切换开关K连接在信号输入正端H和分压支路之间，其控制端与处理器4相连，不动端的两个触点分别与第一采样电阻R1的两端连接，动端与信号输入正端H连接，可以在处理器4的控制下将信号输入正端H连接到R1的第一端或R1和R2的串联节点，用来进行测量量程的档位切换；在需要测量大电流时，处理器4控制切换开关K将信号输入正端H连接到R1和R2的串联节点上，这时采样回路1将使用R2进行采样；当需要测量小电流时，处理器4则控制切换开关K将信号输入正端H连接到R1的第一端，使采样回路1使用R1和R2进行采样。

信号采样回路1的输出端a与放大电路2(即差分放大电路)的同相输入端c连接，输出端b与放大电路2的反相输入端d连接，用于将采样信号输出给放大电路2，由放大电路2进行放大；放大电路2的输出端e连接模数转换器3，模数转换器3又与处理器4连接，且放大电路2对采样信号进行放大后再与模数转换器3和处理器4共用地平面；放大电路2将放大后的采样信号输出给模数转换器3，由模数转换器3转换为数字信号后输出给处理器4进行处理，最后输出电流测量结果。

具体的，由第一放大器U1和阻抗构成的差分放大电路可以有两种形式，图4示出了一种差分放大电路的结构示意图，如图4所示，该差分放大电路包括第一放大器U1、第一阻抗Z1和第二阻抗Z2。第一放大器U1的同相端与放大电路2的同相输入端c连接，反相端通过第一阻抗Z1与放大电路2的反相输入端d连接，且反相端通过第二阻抗Z2与U1的输出端连接，U1的输出端又与放大电路2的输出端e连接。可得到该差分放大电路的增益表达式为表达式一：

表达式一：

其中，V_out为差分放大电路输出端e的电压，即对采样信号进行放大后的电压；V_H为差分放大电路同相输入端c的输入电压，即为采样回路1的输出端a的输出电压；V_L为差分放大电路反相输入端d的输入电压，即为采样回路1的输出端b的输出电压。

由表达式一可知，通过设定不同的Z1、Z2的阻抗值便可对采样信号进行不同增益的放大。

图5示出了另一种差分放大电路的结构示意图，如图5所示，包括第一放大器U1和四个阻抗：Z1、Z2、Z3、Z4。第一放大器U1的同相端通过第三阻抗Z3与放大电路2的同相输入端c连接，且同相端通过第四阻抗Z4与地连接，反相端通过第一阻抗Z1与放大电路2的反相输入端d连接，且反相端通过第二阻抗Z2与U1的输出端连接，U1的输出端又与放大电路2的输出端e连接，构成标准的差分放大电路。可得到该差分放大电路的增益表达式为表达式二：

表达式二：

其中，V_out为U1的输出端的电压，即对采样信号进行放大后的电压；V_H为差分放大电路同相输入端c的输入电压，即为采样回路1的输出端a的输出电压；V_L为差分放大电路反相输入端d的输入电压，即为采样回路1的输出端b的输出电压。

实际应用中，通常取Z3和Z1的阻抗值相等，且Z4和Z2的阻抗值相等，这时，表达式二将简化为：

这时，通过设定不同的Z1、Z2的阻抗值便可对采样信号进行不同增益的放大。

本实施例提供的电流测量电路，信号采样回路采集信号输入正端和信号输入负端的信号，将采样信号通过两个输出端分别输入差分放大电路的同相输入端和反相输入端，形成差分式的输入级，由差分放大电路对采样信号进行放大之后的输出信号才与后续的模数转换器和处理器共用地平面，因此避免了电流测量过程中公共地的各种噪声和干扰信号的影响，提高了电流测量的精度，尤其是小电流的测量，其效果更为明显，使电流测量读数更加准确和稳定。

实施例三：

基于实施例二，图6为改进后的另一种具体实施例中电流测量电路的结构示意图，与实施例二不同的是，该实施例中的放大器2除包括差分放大电路21外还包括负反馈放大电路22，差分放大电路21形成第一级放大电路，负反馈放大电路22形成第二级放大电路；其中的差分放大电路21同样可以是图4或图5所示的差分放大电路。

图7示出了负反馈放大电路22的结构示意图，如图7所示，负反馈放大电路22包括第二放大器U2与阻抗Z5和Z6；第二放大器U2的同相端与差分放大电路21的输出端(即U1的输出端)连接，反相端通过第五阻抗Z5与地连接，且反相端通过第六阻抗Z6与U2的输出端连接，U2的输出端与放大电路2的输出端e连接。该负反馈放大电路的增益表达式可用表达式三表示：

表达式三：

其中，G为负反馈放大电路的增益，Ve为U2的输出端电压，V_out为U1的输出端的电压(即差分放大电路21的输出电压，也为U2的同相端输入电压)。通过设定不同的Z1、Z2的阻抗值便可产生不同的第二级放大电路增益。

实际应用中，为了控制采样信号的放大路径，在差分放大电路21和负反馈放大电路22之间还连接有第一模拟开关S1，同时在负反馈放大电路22和模数转换器3之间连接有第二模拟开关S2。具体的，第一模拟开关S1的动端与差分放大电路21的输出端(相当于第一放大器U1的输出端)连接，不动端的触点5与U2的同相端连接，另一个触点6与第二模拟开关S2的不动端的触点7连接，第二模拟开关S2的不动端的另一个触点8与U2的输出端连接，第二模拟开关S2的动端与放大电路2的输出端e连接；第一模拟开关S1和第二模拟开关S2的控制端则分别与处理器4的两个控制端连接。当处理器4控制S1的触点6接通，且控制S2的触点7接通时，相当于S1和S2在处理器4的控制下将差分放大电路21的输出端和模数转换器3的输入端连接，这时，放大电路2只进行第一级放大，即只进行差分放大；当处理器4控制S1的触点5接通，且控制S2的触点8接通时，相当于S1在处理器4的控制下将差分放大电路21的输出端和负反馈放大电路22的输入端(即U2的同相端)连接，且S2在处理器4的控制下将负反馈放大电路22的输出端和模数转换器3的输入端连接，这时，放大电路2将进行第一级放大和第二级放大，以此来形成放大电路2的不同放大增益。

在图1所示的电流测量电路中，电流测量范围从10mA到3A，通过控制模拟开关S1和S2来控制采样信号的放大路径，形成不同的放大增益，例如，形成的放大增益如表1所示：

表1

量程	第一级增益	第二级增益	模数转换器输入电压
				3A	0.2	10	0.6V
1A	0.2	100	2V

由表1可知，第一级放大电路的增益分配比较小，第二级放大电路的增益分配比较大，由于两级放大电路均采用负反馈放大电路，而且受公共地的噪声和干扰信号的影响，无论如何分配第一级放大电路和第二级放大电路的增益，经过两级放大电路之后，噪声都会被进一步增大，在两级放大电路的增益分配过程中，若分配不合适还会缩小电流的测量范围。

而本实施例所提供的电流测量电路，在电路结构上，第一级放大电路采用了不同于第二级放大电路的形式，其不再是第二级的负反馈放大电路，而是采用差分形式的放大电路，其输入信号不再是信号输入正端的单端信号，而是信号输入正端与信号输入负端的电压差，由第一级放大电路放大后的输出信号才与后续的电路模块共用地平面，从而可以避免公共地的噪声和干扰信号对电流测量的影响，第一级放大电路也便不会存在对公共地的噪声和干扰信号的放大。因此，可以通过调整放大电路的第一级和第二级的增益分配，尽量增大差分放大级(即第一级放大电路)的增益分配比例来达到更好的噪声抑制效果。比如，在实际应用中，10A和2A量程用0.01欧姆的电阻采样，200mA和20mA量程用1欧姆的电阻采样，为了使最后输入到模数转换器中的采样电压尽可能接近其参考电压，以充分利用模数转换器的性能，可以采用表2所示的增益分配方式：

表2

量程	第一级增益	第二级增益	模数转换器输入电压
				10A	10	1	1V
2A	10	10	2V
				200mA	10	1	2V
20mA	10	10	2V

如表2所示，差分放大级分配了最大10倍的增益，这时，第二级放大电路便可以分配较小的增益，以减少噪声的干扰，提高电流测量的精度和分辨率。

本实施例提供的电流测量电路，信号采样回路采集信号输入正端和信号输入负端的信号，将采样信号通过两个输出端分别输入第一级放大电路的同相输入端和反相输入端，第一级放大电路采用差分形式的放大电路，其输入信号不再是信号输入正端的单端信号，而是信号输入正端与信号输入负端的电压差，由第一级放大电路放大后的输出信号才与后续的第二级负反馈放大电路、模数转换器和处理器等电路模块共用地平面，从而可以避免公共地的噪声和干扰信号对电流测量的影响，第一级放大电路也便不会存在对公共地的噪声和干扰信号的放大。因此，可以通过调整放大电路的第一级和第二级的增益分配，尽量增大差分放大级的增益分配比例来达到更好的噪声抑制效果，提高电流测量的精度和分辨率。

基于上述各实施例的电流测量电路，本发明实施例同时提供一种万用表，其结构示意图如图8所示，包括电流测量电路A和面板B，电流测量电路A的信号输入端设置在面板B上，电流测量电路A为实施例一、实施例二或实施例三中所述的电流测量电路，其结构和功能此处不再赘述，可参照上述各实施例。

本发明实施例提供的万用表采用了如实施例一、实施例二或实施例三中所述的电流测量电路，因而可以降低万用表电流测量过程中公共地的噪声和干扰信号对需要测量的电流信号的影响，提高了万用表电流测量的精度和分辨率，使万用表的电流测量读数更加准确和稳定，尤其是对小电流的测量，其效果更明显；同时，在原有电路的基础上进行电路架构的简化和设计，节省了电路成本，提高了产品的性价比，具有很强的实用价值。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.一种电流测量电路，其特征在于，包括：

信号输入端，包括信号输入正端和信号输入负端；

信号采样回路，所述信号采样回路分别与信号输入正端和信号输入负端连接，用于根据预定的量程对输入信号进行采样，并通过两输出端输出采样信号；

放大电路，所述放大电路包括同相输入端和反相输入端，同相输入端和反相输入端分别与信号采样回路的第一输出端和第二输出端连接，用于对信号采样回路输出的采样信号进行放大，且对采样信号至少进行一次放大后再连接公共地；

模数转换器，所述模数转换器与放大电路的输出端连接，用于将采样信号转换成数字信号；

处理器，所述处理器与模数转换器连接，用于对数字信号进行处理，输出电流测量结果。

2.如权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，所述放大电路包括：

第一阻抗；

第二阻抗；

第一放大器，所述第一放大器的同相端与信号采样回路的第一输出端连接，反相端通过第一阻抗与信号采样回路的第二输出端连接，且反相端通过第二阻抗与输出端连接，所述输出端连接模数转换器。

3.如权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，所述放大电路包括：

第一阻抗；第二阻抗；第三阻抗；第四阻抗；

第一放大器，所述第一放大器的同相端通过第三阻抗与信号采样回路的第一输出端连接，且同相端通过第四阻抗与地连接，反相端通过第一阻抗与信号采样回路的第二输出端连接，且反相端通过第二阻抗与输出端连接，所述输出端连接模数转换器。

4.如权利要求2或3所述的电流测量电路，其特征在于，所述放大电路还包括：

第五阻抗；第六阻抗；

第二放大器，所述第二放大器的同相端与第一放大器的输出端连接，反相端通过第五阻抗与地连接，且反相端通过第六阻抗与第二放大器的输出端连接，所述第二放大器的输出端连接模数转换器。

5.如权利要求4所述的电流测量电路，其特征在于，所述放大电路还包括：

第一模拟开关，所述第一模拟开关的控制端连接到处理器，用于在处理器的控制下将第一放大器的输出端和模数转换器的输入端电连接，或将第一放大器的输出端和第二放大器的输入端电连接。

6.如权利要求5所述的电流测量电路，其特征在于，所述放大电路还包括：

第二模拟开关，所述第二模拟开关的控制端连接到处理器，用于在处理器的控制下将第二放大器的输出端和模数转换器的输入端电连接，或通过与第一模拟开关配合工作将第一放大器的输出端和模数转换器的输入端电连接。

7.如权利要求4所述的电流测量电路，其特征在于，第一放大器和第二放大器通过增益调节使得第一放大器相比于第二放大器占有更大的增益分配比例。

8.如权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，所述信号采样回路包括：

分压支路，所述分压支路包括串联的第一采样电阻和第二采样电阻，第一采样电阻的第一端与放大电路的同相输入端相连，第二端与第二采样电阻的第一端相连，第二采样电阻的第二端和反相输入端与信号输入负端相连；

切换开关，切换开关连接在信号输入正端和分压支路之间，其控制端与处理器相连，所述切换开关在处理器的控制下将信号输入正端连接到第一采样电阻的第一端或第一采样电阻和第二采样电阻的串联节点。

9.一种万用表，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的电流测量电路和面板，所述信号输入端设置在面板上。