TW201350869A - 電流量測系統 - Google Patents

Abstract

一種電流量測系統係供精確地量測一待測電路所產生的電流，該電流量測系統係藉由取樣單元與該待測電路串聯地連接，並自該取樣單元取得第一電壓，又該第一電壓係透過一放大單元放大為第二電壓，且該第二電壓經該雜訊抑制單元濾除在該第二電壓中的類比電壓雜訊並形成第三電壓，而該第三電壓透過一轉換單元轉換為數位型態的電壓訊號，又透過一處理單元藉由已儲存的校正直線方程式，將該電壓訊號校正成為測量訊號，而該測量訊號係供表示精確的該電流。其中，該記憶單元係儲存該校正直線方程式所需的斜率與偏壓值。

Description

電流量測系統

本發明係一種電流量測系統，特別是可較精確地量測待測電路所產生的電流。

習知技術，對電路進行電流量測的方法係可透過例如數位萬用電表或電流量測電錶等量測儀錶進行量測，但該等儀表因為並無任何供與電腦連接而可提供自動化量測的控制介面，使得該等儀表無法實際在具有大量電子產品的生產線，對每一該等電子產品進行電流量測。

有鑑於此，一併參考第1圖，習知技術係藉由電流量測系統進行該生產線每一該等電子產品的電流量測。於第1圖中，該電流量測系統2係接收每一該等電子產品所產生的電流I1，並透過線性運算電路4將該電流I1轉換成電壓V，並且為了能夠提供後續的處理單元8進行數位的處理，該電壓V係又透過類比/數位轉換單元6轉換成數位型態的電壓V’，最終該處理單元8係再根據該線性運算電路4的電阻值，進一步地演算該電壓V’而再轉換成電流數值IV，並透過電腦終端10顯示該電流數值IV。於此，藉由反覆地操作，係可使得完成該生產線上大量該等電子產品的電流測試。

然而，傳統的該電流量測系統2在接收該電流I1的過程中，係有可能除接收該電流I1外，更一併接收伴隨該電 流I1的雜訊訊號，故不管該電流量測系統2如何進行校正，該電流量測系統2仍然無法測量到實際的該電流I1。

故本發明係提供一種電流量測系統，用以解決習知技術的缺失。

本發明之一目的係提供一種電流量測系統，藉由提升量測的精確度，以達到精確地量測待測電路所產生的電流。

本發明之另一目的係提供上述的電流量測系統，藉由補償量測系統中所造成的線路損失，來提升量測電流的精確度。

本發明之又一目的係提供上述的電流量測系統，根據取樣電流的安培等級(例如毫安培級或微安培級的電流)，用以決定該電流量測系統的解析度。

本發明之再一目的係提供上述的電流量測系統，透過類比及/或數位雜訊的抑制，用以提高量測的準確度。

為達到上述目的及其它目的，本發明提供一種電流量測系統係供精確地量測一待測電路所產生的電流，該電流量測系統包含取樣單元、放大單元、雜訊抑制單元、轉換單元、處理單元與記憶單元。其中，該取樣單元係用於串聯地與該待測電路連接，該取樣單元係取樣該電流並轉換為第一電壓；該放大單元係與該取樣單元連接，該放大單元係將該第一電壓放大為第二電壓；該雜訊抑制單元係與該放大單元連接，該雜訊抑制單元係濾除在該第二電壓中 的類比電壓雜訊，用以形成第三電壓；該轉換單元係與該雜訊抑制單元連接，該轉換單元係將該第三電壓轉換為數位型態的電壓訊號；該處理單元係與該轉換單元連接，該處理單元係預先地儲存校正直線方程式，該處理單元係藉由該校正直線方程式校正該電壓訊號，並將該電壓訊號輸出而形成測量訊號，而該測量訊號係供表示精確的該電流；以及，該記憶單元係與該處理單元連接，該記憶單元係預先地儲存該校正直線方程式所需的斜率與偏壓值。

與習知技術相較，本發明之電流量測系統係藉由硬體與軟體對量測系統中線路的損失進行補償，並且透過降低雜訊干擾等缺失，用以精確地量測待測電路所產生的電流。此外，本發明的電流量測系統亦可藉由取樣電路(例如該取樣電路係由複數電阻群所組成)所取得取樣電流的精準度(例如毫安培或微安培等級)，而決定整體該電流量測系統的最高解析度。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：參考第2圖，係本發明第一實施例之電流量測系統的方塊示意圖。於第2圖中，該電流量測系統20係供精確地量測待測電路22所產生的電流I2，例如該待測電路22係可具有電阻、電容、電感或積體電路等所組成的電路。

其中，該電流量測系統20包含取樣單元24、放大單元26、雜訊抑制單元28、轉換單元30、處理單元32與記憶單元34。

該取樣單元24係串聯地與該待測電路22連接。其中，該取樣單元24係自該待測電路22取得該電流I2並轉換為第一電壓V1，例如該第一電壓V1的範圍係介於1毫伏特與50毫伏特之間，以及該電路的總電阻值範圍係介於1歐姆與1毫歐姆之間。一併參考第3圖，例如該取樣單元24係以電阻群24’為例說明。於此，該電阻群24’係可為複數分流電阻242、244、246，且該等分流電阻係以並聯型態所組成，使得該等分流電阻242、244、246係形成一等效電阻RS，使得該第一電壓V1係等於該電流I2與等效電阻RS的乘積。

回到第2圖，該放大單元26係與該取樣單元24連接，該放大單元26係將該第一電壓V1放大為第二電壓V2，例如該放大單元26可為如第4圖所示的電壓運算放大器26’。其中，該電壓運算放大器26’具有第一正電壓輸入端262、第一負電壓輸入端264與第一輸出端266。該第一正電壓輸入端262係連接至該等效電阻RS的一端以及該第一負電壓輸入端264係連接至該等效電阻RS的另一端，又該電壓運算放大器26’係提供放大倍率A，使得該第一電壓V1經由該電壓運算放大器26’以該放大倍率A放大成為該第二電壓V2，亦即該第二電壓V2與該第一電壓V1之間的比值係為該放大倍率A。

回到第2圖，該雜訊抑制單元28係與該放大單元26連接，該雜訊抑制單元28係濾除在該第二電壓V2中的類比電壓雜訊N(noise)，用以形成第三電壓V3。一併參考第5圖，該雜訊抑制單元28係可為具有軌對軌輸出(rail to rail)的運算放大器28’。其中，該軌對軌輸出的定義係該運算放大器28’的輸出電壓等於供應該運算放大器所使用的供應電壓VS(voltage supply)，具有低失真、低雜訊、較高的頻寬增益與省電的功效。又，該運算放大器28’具有第二正電壓輸入端282、第二負電壓輸入端284與第二輸出端286。該第二正電壓輸入端282係與該第一輸出端266連接，用以接收該第二電壓V2，而該第二負電壓輸入端284係連接至該第二輸出端286，用以形成負回授的電路。此外，由於該第二電壓V2與該類比電壓雜訊N經由該運算放大器28’的放大，且一般該類比電壓訊號N的電壓準位係高於該第二電壓V2的電壓準位，故該類比電壓訊號N經過放大之後，該類比電壓訊號N的電壓係會超過該供應電壓VS，而使得在該第二輸出端286輸出接近僅可獲得該第二電壓V2，亦即間接地抑制了該類比電壓訊號N。

回到第2圖，該轉換單元30係與該雜訊抑制單元28連接，該轉換單元30係將該第三電壓轉V3換為數位型態的電壓訊號VS(voltage signal)，例如該轉換單元30係為類比對數位轉換器。

該處理單元32係與該轉換單元30連接，且該處理單元係預先地儲存校正直線方程式。該處理單元32係藉由該 校正直線方程式校正該電壓訊號VS，並將該電壓訊號VS輸出而形成測量訊號MS(measure signal)，而該測量訊號MS係供表示精確的該電流I2。

又，該校正直線方程式係如下所示：y=mx+l

其中，「m」係為斜率、「l」係為該偏壓值、「x」係為該電壓訊號VS以及「y」係為該測量訊號MS。

又，該記憶單元34係與該處理單元32連接，該記憶單元34係預先地儲存該校正直線方程式所需的斜率與偏壓值。於此該斜率係以m表示以及該偏壓值係以l表示。

於另一實施例中，雖該電壓訊號VS係為已經由該雜訊抑制單元28進行該類比電壓雜訊N的抑制，但仍然還有可能有極少部分的雜訊未能完全地濾除，故該處理單元32更包含數位濾波演算法(例如該數位濾波演算法係可為中值濾波法(median filtering))，該數位濾波演算法係濾除在該電壓訊號VS及/或該測量訊號MS之任其一者所產生的數位雜訊。其中，該數位雜訊係定義為該類比電壓雜訊N經轉換單元30轉換之後而未能濾除的訊號。再者，該數位雜訊係存在於該電壓訊號VS或該測量訊號MS中。

參考第6圖，係本發明第二實施例之電流量測系統的方塊示意圖。於第6圖中，該電流量測系統20’係除第一實施例所述的該取樣單元24、該放大單元26、該雜訊抑制單元28、該轉換單元30、該處理單元32與該記憶單元34之外，該電流量測系統20’更包含標準電流產生單元36與電 腦終端單元38。

其中，該標準電流產生單元36係產生一個標準電流SI，而透過與該取樣單元24的連接，由該取樣單元24將該標準電流SI轉換為標準電壓SV(standard voltage)，該標準電壓SV經由該放大單元26、該雜訊抑制單元28、該轉換單元30與該處理單元32，並自該處理單元32輸出該測量訊號MS。

該電腦終端單元38係連接該處理單元30與該記憶單元34。其中，該電腦終端單元38係內建最小平方演算法(藉由接收複數標準電流SI而能求出該等標準電流SI的平均值)，用以演算該測量訊號MS並解析出例如該斜率m與該偏壓值l，又該電腦終端單元38係將該斜率m與該偏壓值l儲存在該記憶單元34。

再者，利用該最小平方演算法計算該斜率m與該偏壓值l的數學式如下所示： 其中，「m」係為斜率、「l」係為該偏壓值、「x」係為該電壓訊號、「y」係為該測量訊號、「x」係為「x」的平均數以及「y」係為「y」的平均數。

再者，該電腦終端單元38亦可內建相關係數演算法或直線回歸演算法，用於判定該量測訊號MS與該電壓訊號VS之間的線性強度。又，該線性強度的結果經過正規化(使得範圍介於-1至1之間)之後，使得該電流量測系統20’可 藉由正規化的結果進行判斷。

例如，當該線性強度係鄰近於「1」(亦稱為正相關)或「-1」(亦稱為負相關)時(例如：-1<正規化後之線性強度≦-0.99或是0.99≦正規化後之線性強度<1)，則表示該線性量測系統之輸入與輸出間具有良好的線性關係度，可藉由後述之直線回歸法校正該線性量測系統之輸出(即，該線性系統所量測到的數值)，以最佳化該線性量測系統的線性關係度，使得該線性量測系統可提供準確的線性量測；反之，當該線性強度係遠離「1」或「-1」時，(例如：-0.99<正規化後之線性強度<0.99)則表示該電流量測系統20’係提供較差的線性關係度，其無法藉由校正而達到準確的線性量測。其中，當該線性強度係為「1」或「-1」時則表示該電流量測系統20’係已精確，無須被校正，亦即，於該線性強度經正規化後等於「1」、等於「-1」時、或小於「0.99」且大於「-0.99」時，不需產生後續之直線方程式來作為校正方程式。

再者，利用該相關係數演算法計算該線性強度的數學式如下所示：

其中「x」係為該電壓訊號VS的數值、「y」係為該量測訊號MS、「x」係為「x」的平均數、「y」係為「y」的平均數以及「n」係為自然數。

故本發明之電流量測系統係藉由硬體與軟體對量測系 統中線路的損失進行補償，並且透過降低雜訊干擾等缺失，用以精確地量測待測電路所產生的電流。此外，本發明的電流量測系統係亦可藉由取樣電路所取樣電流的精準度，而決定整體該電流量測系統的最高解析度。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

2‧‧‧電流量測系統

4‧‧‧線性運算電路

6‧‧‧類比/數位轉換單元

8‧‧‧處理單元

10‧‧‧電腦終端

I1、I2‧‧‧電流

IV‧‧‧電流數值

V、V’‧‧‧電壓

20、20’‧‧‧電流量測系統

22‧‧‧待測電路

24‧‧‧取樣單元

24’‧‧‧電阻群

242、244、246‧‧‧分流電阻

26‧‧‧放大單元

26’‧‧‧電壓運算放大器

262‧‧‧第一正電壓輸入端

264‧‧‧第一負電壓輸入端

266‧‧‧第一輸出端

28‧‧‧雜訊抑制單元

28’‧‧‧運算放大器

282‧‧‧第二正電壓輸入端

284‧‧‧第二負電壓輸入端

286‧‧‧第二輸出端

30‧‧‧轉換單元

32‧‧‧處理單元

34‧‧‧記憶單元

36‧‧‧標準電流產生單元

38‧‧‧電腦終端單元

RS‧‧‧等效電阻

V1‧‧‧第一電壓

V2‧‧‧第二電壓

V3‧‧‧第三電壓

A‧‧‧放大倍率

N‧‧‧類比電壓訊號

VS‧‧‧電壓訊號

MS‧‧‧測量訊號

m‧‧‧斜率

l‧‧‧偏壓值

第1圖習知技術之電流量測系統的方塊示意圖；第2圖係本發明第一實施例之電流量測系統的方塊示意圖；第3圖係說明第2圖中取樣單元的詳細示意圖；第4圖係說明第2圖中放大單元的詳細示意圖；第5圖係說明第2圖中雜訊抑制單元的詳細示意圖；以及第6圖係本發明第二實施例之電流量測系統的方塊示意圖。

20‧‧‧電流量測系統

22‧‧‧待測電路

24‧‧‧取樣單元

26‧‧‧放大單元

28‧‧‧雜訊抑制單元

30‧‧‧轉換單元

32‧‧‧處理單元

34‧‧‧記憶單元

V1‧‧‧第一電壓

V2‧‧‧第二電壓

V3‧‧‧第三電壓

VS‧‧‧電壓訊號

MS‧‧‧測量訊號

m‧‧‧斜率

1‧‧‧偏壓值

I2‧‧‧電流

Claims (10)

1. 一種電流量測系統，係供量測一待測電路所產生的電流，該電流量測系統包含：取樣單元，係用於串聯地與該待測電路連接，該取樣單元係取樣該電流並轉換為第一電壓；放大單元，係與該取樣單元連接，該放大單元係將該第一電壓放大為第二電壓；雜訊抑制單元，係與該放大單元連接，該雜訊抑制單元係濾除在該第二電壓中的類比電壓雜訊，用以形成第三電壓；轉換單元，係與該雜訊抑制單元連接，該轉換單元係將該第三電壓轉換為數位型態的電壓訊號；處理單元，係與該轉換單元連接，該處理單元係預先地儲存校正直線方程式，該處理單元係藉由該校正直線方程式校正該電壓訊號，並將該電壓訊號輸出而形成測量訊號，而該測量訊號係供表示精確的該電流；以及記憶單元，係與該處理單元連接，該記憶單元係預先地儲存該校正直線方程式所需的斜率與偏壓值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電流量測系統，其中該取樣單元係為電阻群，該電阻群係具有複數分流電阻，且該等分流電阻彼此係以串聯與並聯之至少其一者連接，其中該電阻群係藉由該電流產生該第一電壓而供該放大單元將該第一電壓放大為該第二電壓。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電流量測系統，其中該第一 電壓的範圍係介於1毫伏特與50毫伏特之間，以及該電阻群的等效電阻值的範圍係介於1歐姆與1毫歐姆之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電流量測系統，其中該放大單元係為電壓運算放大器，以及該雜訊抑制單元係為具有軌對軌輸出(rail to rail)的運算放大器。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電流量測系統，其中該校正直線方程式係為：y=mx+l其中「m」係為斜率、「l」係為該偏壓值、「x」係為該電壓訊號以及「y」係為該測量訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電流量測系統，更包含標準電流產生單元，與該取樣單元連接並轉換為標準電壓，該標準電壓經由該放大單元、該雜訊抑制單元、該轉換單元與該處理單元，並自該處理單元輸出該測量訊號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電流量測系統，更包含電腦終端單元，係連接該處理單元與該記憶單元，該電腦終端單元係內建最小平方演算法，用以演算該測量訊號並解析出該斜率與該偏壓值，又該電腦終端單元係將該斜率與該偏壓值儲存在該記憶單元。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電流量測系統，其中該斜率與該偏壓值係分別為： 其中「m」係為斜率、「l」係為該偏壓值、「x」係為 該電壓訊號、「y」係為該測量訊號、「x」係為「x」的平均數以及「y」係為「y」的平均數。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電流量測系統，其中該處理單元係更包含數位濾波演算法，該數位濾波演算法係濾除在該電壓訊號與該測量訊號之至少其一者中產生的數位雜訊。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電流量測系統，其中該數位濾波演算法係為中值濾波法(median filtering)。