CN220650862U - 针对检流放大器的电流校准电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种针对检流放大器的电流校准电路，涉及电路领域，包括检流放大器、模数转换器、MCU芯片、六位半万用表和检测电路；检流放大器的正负输入端连接检测电路中的采样电阻，测量并输出采样电阻的压降；检流放大器的输出端连接模数转换器，模数转换器的输出端连接MCU芯片；检测电路包含至少两条不同阻值的检测支路，通过六位半万用表检测电流数据，通过以太网输入MCU芯片；MCU芯片通过I2C/SPI总线读取模数转换器测量的输出电压，根据六位半万用表检测电流数据传送的电流数据确定失调电压。该校准电路仅两组检测数据即可得到全量程范围内待测电流与检流放大器输出电压关系并确定失调电压，提高检流放大器的检测准确性。

Description

针对检流放大器的电流校准电路

技术领域

本申请涉及电路领域，特别涉及一种针对检流放大器的电流校准电路。

背景技术

电流检测放大器(简称检流放大器)的工作原理是通过利用变压器结构将测量的信号放大，然后由电容、互补对称电阻和识别放大器等组件将信号进行有效的处理，从而使得微弱的电流变化变得更加明显。因此，电流检测放大器是一种十分有效检测电流变化的工具，它能够极大地提升检测效率，有效地防止电流变化对电路的不利影响，是广泛用于电子设备实时监测负载电流的成熟IC。

在高精度电流的采集场合，由于检流放大器存在输入失调电压Vos和输入失调电流Ios等，导致输出的值和理论值有偏差，从而导致电流测量值在全量程内有误差，这一偏差在普通电路结构中可以忽略不计，但是在高精度电路中会影响电路的精度和工作性能。一些传统的电流校准方案采用放大器调零电路或查表法获取相对接近值。但实际上放大器调零电路需要人工将电位器调至合适阻值，耗时长，效率低，若存在多路检流电路，基本不具备可操作性，而查表法的数值精度取决于选取测量点的多少，需要前期进行大量测试实验获取。

发明内容

本申请实施例提供一种针对检流放大器的电流校准电路，解决检流放大器电路中电流检测精度误差问题。包括检流放大器、模数转换器、MCU芯片、六位半万用表和检测电路；

所述检流放大器的正负输入端连接所述检测电路中的采样电阻，测量并输出所述采样电阻的压降；所述检流放大器的输出端连接所述模数转换器，所述模数转换器的输出端连接所述MCU芯片；

所述检测电路包含至少两条不同阻值的检测支路，且通过所述六位半万用表检测电流数据，并通过以太网输入至所述MCU芯片；

所述MCU芯片通过I2C/SPI总线读取所述模数转换器测量的输出电压，并根据所述六位半万用表检测电流数据传送的电流数据计算。

具体的，所述检测电路包括输入电压源、所述采样电阻、第一检测支路和第二检测支路；

所述第一检测支路和所述第二检测支路通过选择开关连接所述采样电阻，且两个检测支路分别接入阻值不同的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2；

所述六位半万用表的正极探头与接入检测电路中分压电阻的输出端连接，正极探头接地。

具体的，所述第一分压电阻R1＝Vsource/0.2*Imax，所述第二分压电阻R2＝Vsource/0.8*Imax；其中，Vsource为输入电压源，Imax为检流放大器的最大量程；

选择开关连接R1时，所述六位半万用表测得第一电流值I1，所述MCU芯片通过所述模数转换器测得第一检测输出电压V1；

选择开关连接R2时，所述六位半万用表测得第二电流值I2，所述MCU芯片通过所述模数转换器测得第二检测输出电压V2；

其中，测量的V1和V2是叠加所述检流放大器的失调电压Vos后的测量值。

具体的，所述MCU芯片分别接收两条检测支路对应的输出电压和检测电流，根据所述检流放大器输入输出的线性关系得到所述失调电压Vos，表示如下：

Vos＝I1-(I1-I2)/(V1-V2)*V1。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：摈弃传统调零电路和查表法校准，根据检流放大器的线性函数关系，仅需校准两个点就可以得到全量程范围内待测电流与检流放大器输出电压关系函数，耗时短，精度高。校准时仅需高精度万用表、带有选择开关的两组分压电阻器，以及带有简单逻辑计算的MCU芯片，整体操作简单。

附图说明

图1是描述检流放大器在电路中形成测量误差的原理示意图；

图2是针对检流放大器的电流校准电路的电路结构示意图；

图3是MCU芯片外接硬件运算电路组成的硬件计算电路图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

因为传统方案中检流放大器增加调零电路，通过可变电阻器(电位器)将放大器的输入失调电压Vos调为零。而这种方法需要人工将电位器调至合适阻值，耗时长，效率低，若存在多路检流电路，基本不具备可操作性。查表法是设定电流测试量程为I，检流放大器的输出电压为V，采集步进为ΔI，校准点数为N(N为正整数)。有ΔI*N＝I，N取值为1、2、3、…、N时分别校准测试(电流分别为ΔI、2*ΔI、3*ΔI、…、N*ΔI)，测得检流放大器的输出电压对应为V1、V2、V3、…、VN，电流与检流放大器的输出电压对应关系保存在系统的存储器中，实际测试中测得的检流放大器输出电压Vt与表中的V1、V2、V3、…、VN比较，取一个最接近的值查表得出电流值。这种方法的测试精度主要取决于校准点数N的大小，N取值越大，校准点数越多，测试越精确，但N取值不可能无限大，因此实际测试误差不能做到最小，因为是扫点校准，不能真正做到全量程校准。

图1是描述检流放大器在电路中形成测量误差的原理示意图。检流放大器U1连接到采样电阻Rsense的两端，Rsense连接输入电压Vsource，电流通路经过Rsense串接的负载电阻Rload接地。输入电压、采样电阻和负载电阻模拟真实电路结构，其电路电流为It。电流It流过采样电阻Rsense产生压降ΔV，经过检流放大器U1放大输出Vout，理论上Vout＝G*ΔV，G为检流放大器U1的增益，Vout输出至模数转换器U2，模数转换器U2将模拟信号转换为数字信号通过I2C或者SPI总线传送给MCU，实现电路采样。

但实际上，检流放大器U1并非理想器件，其本身物理特性决定了工作时存在输入失调电压Vos，有Vout＝G*(ΔV+Vos)，就算是同一型号的放大，不同个体Vos也存在差异，这就导致了不同的检流放大器测得的结果也不相同，特别是高精度电路中必须对检流放大电路做校准。

针对检流放大器的测试精度误差，本申请提供一种针对校准检流放大器的电流校准电路，该校准电路在检流放大器正式使用前进行测量。

如图2所示，该电流校准电路包括检流放大器U1、模数转换器U2、MCU芯片U3、六位半万用表和检测电路。

检流放大器U1的正负输入端连接检测电路中的采样电阻Rsense，测量并输出采样电阻的压降ΔV。事实上的采样电阻Rsense可以表示实际电路中检流放大器U1采集的功率器件，不限于电阻设备。

采样电阻Rsense和检测电路整体为串联结构，输入电压源Vsource串联采样电阻Rsense，为整个电路提供输入电压，并在采样电阻Rsense两端形成压降压降ΔV，检流放大器U1连接在采样电阻Rsense两端测试该压降。

检流放大器U1的输出端Vout进一步连接模数转换器U2，模数转换器U2用于将检流放大器U1采集的Vout数据转换为数字信号，并通过I2C/SPI总线输入到MCU芯片中。MCU后续根据传送和采集电压电流数据计算出检流放大器的实际参数。

在这其中，因为检流放大器U1的失调电压Vos造成精度误差，也就是Vout并非实际采样电阻Rsense的真实压降。

因为检流放大器采集的电流和电压是必然存在线性关系的，也就是表示为It＝K*Vout+B。其中的，只要求得上式中的斜率K及截距B即可绘制出全量程内实际电流It与检流放大器U1的实际输出Vout的函数曲线。这里的Vout表示的是采集的实测值，而B则是检流放大器的失调电压Vos(固定值)。

为此，本申请使用包含至少两条不同阻值的检测支路来作为检测电路，并通过六位半万用表检测电流数据，将采集的电流数据通过以太网Ethernet传送到MCU。

该检测支路分为第一检测支路和第二检测支路，两支路通过选择开关SW1控制接通支路，也就是说同一时刻仅有一条支路接通。

两条检测支路分别接入不同点分压电阻，选择开关SW1连接采样电阻，两支路接入的分别是第一分压电阻R1和第二分压电阻R2。

六位半万用表的正极探头与接入检测电路中分压电阻的输出端连接，正极探头接地。本申请实施例中六位半万用表为安捷伦34410A，测量的是电路实际电流It，且检测精度满足高精度电路要求。

为了达到精准测试的目的，设置第一分压电阻R1＝Vsource/0.2*Imax，第二分压电阻R2＝Vsource/0.8*Imax。其中的Vsource为输入电压源，Imax为检流放大器的最大量程。

当SW1选择开关连接R1时，六位半万用表测得第一电流值I1，MCU芯片通过模数转换器测得第一检测输出电压V1；

当SW1选择开关连接R2时，六位半万用表测得第二电流值I2，MCU芯片通过模数转换器测得第二检测输出电压V2；

V1和V2是检流放大器U2叠加失调电压Vos后的测量值(即Vout输出)。

MCU芯片分别接收两条检测支路对应的输出电压和检测电流，根据检流放大器输入输出值可以计算出K和B，也就是根据其线性关系得到校正电流值It和实际输出电压Vout的函数关系。

对于第一检测支路，I1＝K*V1+B；

对于第二检测支路，I2＝K*V2+B；

计算可得K＝(I1-I2)/(V1-V2)，B＝I1-(I1-I2)/(V1-V2)*V1；

根据前述It＝K*Vout+B可得

It＝(I1-I2)/(V1-V2)*Vout+I1-(I1-I2)/(V1-V2)*V1；

只要得到B的值(Vos)后就可以绘制函数曲线，根据函数曲线得到每个检测电压对应的实际理论值数据。此处进行说明，因为实际的检流放大器测试电压和电流遵循严格正比例函数关系，而截距B的值就是在Vout为0时的失调电压。

因为检流放大器是遵守线性关系的，因此只要采集两组不同阻值的数据即可确定It和Vout的关系。所以还可以MCU上连接上位机，通过计算的K和B值建立函数图形曲线，直观获得全量程下任意数据的真实理论值。

本方案中利用MCU的硬件电路计算模块来计算K和B值。在一些实施例中，若MCU芯片功能单一且不存在硬件逻辑电路，则还可以将MCU芯片外接硬件运算电路U4，该硬件计算电路为两个减法器、一个加法器和一个乘法器组成的简单计算模块，如图3所示，MCU芯片在此处仅负责存储数据，进而将数据送入到运算电路的各个硬件模块。该硬件模块包括三个减法器、一个乘法器和一个除法器，第一减法器输入两组采样电流It，第二减法器输入两组采样电压V1和V2，第一和第二减法器分别计算I1-I2，以及V1-V2的值，其输出分别输入到除法器的两个输入端，除法器计算(I1-I2)/(V1-V2)的值。此外，除法器的输出端以及第二减法器的V1值还输入到乘法器中进行乘法运算，乘法器的输出端以及第一减法器的I1值进一步连接第三乘法器的两个输出端，计算I1-(I1-I2)/(V1-V2)*V1的差值，最终输出Vos。

的值综上所述，本申请摈弃传统调零电路和查表法校准，根据检流放大器的线性函数关系，仅需校准两个点就可以得到全量程范围内待测电流与检流放大器输出电压关系函数，耗时短，精度高。校准时仅需高精度万用表、带有选择开关的两组分压电阻器，以及带有简单逻辑计算的MCU或运算电路，整体操作简单。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种针对检流放大器的电流校准电路，其特征在于，包括检流放大器、模数转换器、MCU芯片、六位半万用表和检测电路；

所述检流放大器的正负输入端连接所述检测电路中的采样电阻，测量并输出所述采样电阻的压降；所述检流放大器的输出端连接所述模数转换器，所述模数转换器的输出端连接所述MCU芯片；

所述检测电路包含至少两条不同阻值的检测支路，且通过所述六位半万用表检测电流数据，并通过以太网输入至所述MCU芯片；

所述MCU芯片通过I2C/SPI总线读取所述模数转换器测量的输出电压，并根据所述六位半万用表检测电流数据传送的电流数据确定失调电压。

2.根据权利要求1所述的针对检流放大器的电流校准电路，其特征在于，所述检测电路包括输入电压源、所述采样电阻、第一检测支路和第二检测支路；

所述第一检测支路和所述第二检测支路通过选择开关连接所述采样电阻，且两个检测支路分别接入阻值不同的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2；

所述六位半万用表的正极探头与接入检测电路中分压电阻的输出端连接，正极探头接地。

3.根据权利要求2所述的针对检流放大器的电流校准电路，其特征在于，所述第一分压电阻R1＝Vsource/0.2*Imax，所述第二分压电阻R2＝Vsource/0.8*Imax；其中，Vsource为输入电压源，Imax为检流放大器的最大量程；

选择开关连接R1时，所述六位半万用表测得第一电流值I1，所述MCU芯片通过所述模数转换器测得第一检测输出电压V1；

选择开关连接R2时，所述六位半万用表测得第二电流值I2，所述MCU芯片通过所述模数转换器测得第二检测输出电压V2；

其中，测量的V1和V2是叠加所述检流放大器的失调电压Vos后的测量值。

4.根据权利要求3所述的针对检流放大器的电流校准电路，其特征在于，所述MCU芯片分别接收两条检测支路对应的输出电压和检测电流，根据所述检流放大器输入输出的线性关系得到所述失调电压Vos，表示如下：

Vos＝I1-(I1-I2)/(V1-V2)*V1。