基于运算放大器的毫安级电流检测电路、检测卡和装置的制作方法

1.本公开涉及电流检测技术领域，尤其涉及一种基于运算放大器的毫安级电流检测电路、检测卡和装置。


背景技术：

2.近年来，随着智能汽车的发展，为满足车载影音娱乐设备的低功耗需求，其需要实现休眠待机功能；对应的，车机系统的硬件中需要实现休眠电流控制。其中，休眠电流是指车机系统中的系统级芯片(system
‑
on
‑
a
‑
chip，soc)和微控制单元(microcontrollerunit，mcu)都处于休眠状态下的电流，此时整个车机系统所消耗的电流最小。
3.通常，休眠电流不超过10ma。由于休眠电流为毫安级，电流较小，不容易准确测量。通常，可实现准确测量休眠电流的电流检测设备比较昂贵，如此导致该休眠电流的检测成本比较高。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种基于运算放大器的毫安级电流检测电路、检测卡和装置。
5.本公开提供了一种基于运算放大器的毫安级电流检测电路，串联于待检测电路中实现电流检测，所述检测电路包括：运算放大器、采样模块以及放大倍数调节模块；
6.所述运算放大器包括第一输入端、第二输入端、第一调节端、第二调节端以及输出端，所述采样模块串联于所述待检测电路中，且连接于所述第一输入端和所述第二输入端之间；所述放大倍数调节模块连接于所述第一调节端和所述第二调节端之间，用于调节所述运算放大器的放大倍数；所述输出端用于向后输出检测信号。
7.在一些实施例中，所述运算放大器采用ad8429、ad8428或ad8421。
8.在一些实施例中，所述采样模块包括并联的两个采样电阻。
9.在一些实施例中，所述采样电阻采用100mω/1％的高精度采样电阻。
10.在一些实施例中，所述放大倍数调节模块包括阻值可变的调节电阻，所述调节电阻串联于所述第一调节端和所述第二调节端之间；或者
11.所述放大倍数调节模块包括可单路选通的至少两路并联支路，各所述支路采用阻值各不相同的固定阻值电阻。
12.在一些实施例中，所述可单路选通的至少两路并联支路包括跳线插针、跳线帽、第一电阻以及第二电阻；
13.所述跳线插针包括第一引脚、第二引脚、第三引脚和第四引脚，所述第二引脚和所述第四引脚均与所述第二调节端连接，所述第一电阻连接于所述第一引脚与所述第一调节端之间，所述第二电阻连接于所述第三引脚与所述第一调节端之间；
14.所述跳线帽用于短接所述第一引脚和所述第二引脚，和/或短接所述第三引脚和所述第四引脚。
15.在一些实施例中，所述运算放大器还包括第一电源端、第二电源端和参考端；
16.所述第一电源端接入一高电平电位，且通过一电容接地；所述第二电源端接入一低电平电位，且通过另一电容接地；所述参考端接地。
17.在一些实施例中，该检测电路还包括滤波电路、限流电阻和防静电二极管；
18.一所述滤波电路连接于所述第一输入端与采样模块的一端之间，另一所述滤波电路连接于所述第二输入端与采样模块的另一端之间；所述限流电阻串联于所述输出端与输出接口之间，并通过所述防静电二极管接地。
19.本公开还提供了一种基于运算放大器的毫安级电流检测卡，所述检测卡包括印刷电路板以及设置于所述印刷电路板上的检测电路；
20.所述检测电路采用上述任一种检测电路。
21.本公开还提供了一种基于运算放大器的毫安级电流检测装置，所述检测装置包括上述任一种检测电路，还包括模数转换设备和数据处理设备；
22.所述模数转换设备串联在所述检测电路与所述数据处理设备之间；所述模数转换设备用于将放大后的模拟电压信号转换为数字电压信号，所述数据处理设备用于基于所述数字电压信号确定流经所述待检测电路的电流。
23.本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
24.本公开实施例提供的基于运算放大器的毫安级电流检测电路可串联于待检测电路中，以实现微小电流的检测；该检测电路包括运算放大器、采样模块以及放大倍数调节模块；运算放大器包括第一输入端、第二输入端、第一调节端、第二调节端以及输出端，采样模块串联于待检测电路中，且连接于第一输入端和第二输入端之间；放大倍数调节模块连接于第一调节端和第二调节端之间，用于调节运算放大器的放大倍数；输出端用于向后输出检测信号；其中，可利用采样模块对流经待检测电路的电流进行采样，并通过放大倍数调节模块调节运算放大器的放大倍数，可将毫安级的微小电流信号对应的微小电压信号按照需要的倍数进行放大，并进行后续检测，可实现毫安级电流的检测，且无需采用昂贵的设备，有利于降低检测成本。
附图说明
25.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
26.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本公开实施例的一种检测电路的结构示意图；
28.图2为本公开实施例的另一种检测电路的结构示意图；
29.图3为本公开实施例的又一种检测电路的结构示意图；
30.图4为本公开实施例的又一种检测电路的结构示意图；
31.图5为本公开实施例的一种检测卡的结构示意图；
32.图6为本公开实施例的一种检测装置的结构示意图。
具体实施方式
33.为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
35.本公开实施例提供了一种基于高精度、低噪声的运算放大器实现的毫安级电流检测电路，其中，运算放大器可采用ad8429、ad8428或ad8421；基于此，该电流检测电路可实现对毫安级的微小电流的准确测量；同时，该检测电路无需采用昂贵的电流检测设备，可降低检测成本。
36.在其他实施方式中，该电流检测方案还可应用于其他场景下的毫安级的微小电流的测量，在此不限定。
37.下面结合图1
‑
图6，对本公开实施例提供的基于运算放大器的毫安级电流检测电路、检测卡以及监测装置进行示例性说明。
38.在一些实施例中，图1示出了本公开实施例提供的一种基于运算放大器的毫安级电流检测电路。参照图1，该电流检测电路串联于待检测电路100中，以实现对流经待检测电路100的电流进行检测。该检测电路包括：运算放大器110、采样模块120以及放大倍数调节模块130；运算放大器110包括第一输入端in
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、第二输入端in 、第一调节端rg1、第二调节端rg2以及输出端vout，采样模块120串联于待检测电路100中，且连接于第一输入端in
‑
和第二输入端in 之间；放大倍数调节模块130连接于第一调节端rg1和第二调节端rg2之间，用于调节运算放大器110的放大倍数；输出端vout用于向后输出检测信号。
39.其中，采样模块120可将待检测电路100的休眠电流信号转换为电压差分信号，后连接到运算放大器110，进行信号放大。运算放大器110的放大倍数基于放大倍数调节模块130实现调节，以满足其输出端vout向后输出的检测信号满足检测需求。
40.其中，放大倍数时模拟的，即可实现连续变化。当放大倍数过小时，可能信噪比较小，测量不准确；当放大倍数过大时，噪声也同样被放大，信噪比也可能反而变小，导致测量准确性下降，针对此，需要合理设置放大倍数。
41.示例性地，本实施例中，放大倍数可为31
‑
91的任意数值，例如31、50、75或91，可基于待检测电路中流过的电流需求设置，在此不限定。
42.在其他实施方式中，当测量更小的电流信号时，还可设置放大倍数为更大的数值，同时增加增大信噪比的电路结构，以实现在其他场景下对微小电流的测量。
43.其中，向后输出的检测信号可传输至模数转换设备，即该输出的检测信号为模数转换设备的输入信号，下文中详述。
44.本公开实施例提供的检测电路中，可利用采样模块120对流经待检测电路100的电流进行采样，并通过放大倍数调节模块130调节运算放大器110的放大倍数，可将毫安级的微小电流信号对应的微小电压信号按照需要的倍数进行放大，并进行后续检测，可实现毫安级电流的检测，且无需采用昂贵的设备，有利于降低检测成本。
45.上述实施方式中，运算放大器110，也称为仪表放大器，能够放大两个输入电压信
号(即第一输入端in
‑
和第二输入端in 输入的电压信号)之间的差值，同时抑制该两个输入端(即第一输入端in
‑
和第二输入端in )共有的任何信号。仪表放大器可广泛用于许多工业、测量、数据采集和医疗领域的相关检测场景中，可实现在高噪声且存在大共模信号的环境下，保持直流精度和增益精度。
46.其中，ad8429系列芯片，例如ad8429arz芯片是满足上述高精度、低噪声需求的，且性价比较高的一款芯片，在其他实施方式中，运算放大器还可采用ad8428系列或ad8421系列芯片，均可实现毫安级电流检测方案。
47.示例性地，基于运算放大器ad8429实现的毫安级电流检测电路，结合模数转换设备可以实现毫安级电流检测和记录功能，其最大误差为1.473％，总成本较低，相对于现有检测方案(例如采用德国ipetronik公司生产的m
‑
sens 8模拟测量模块实现的电流检测方案)，将检测成本降低了99％。
48.上述实施方式中，采样模块120可实现将电流信号转换为差分电压信号，作为一种实现方式，采样模块120可基于采样电阻实现。
49.在一些实施例中，采样模块120包括并联的两个采样电阻。
50.如此设置，可使采样模块120的实现形式较简单。
51.示例性地，图2、图3和图4分别示出了本公开实施例提供的一种基于运算放大器的毫安级电流检测电路，其区别之处在于放大倍数调节模块采用了不同的实现形式，后文中详述。参照图2
‑
图4任一图，采样模块120可包括第三电阻r1和第四电阻r2，第三电阻r1和第四电阻r2并联后，串联在待检测电路中，同时连接在运算放大器110的第一输入端in
‑
和第二输入端in 之间。
52.在一些实施例中，采样电阻采用100mω/1％的高精度采样电阻。即采样阻值为100mω，精度为1％的采样电阻。
53.如此设置，可实现对待检测电路的电流的高精度采样，从而实现对微小电流的准确测量。
54.其中，基于采样模块120由两个100mω/1％的高精度采样电阻并联形成，该采样模块120的等效电阻为50mω。
55.基于此，若要检测大小为1ma的电流，则采样电压为0.05mv，放大倍数设为91，则放大后的电压为0.05
×
91＝4.55mv。此电流检测电路最大还需要测量到大小为1a的电流，此时对应的采样电压为0.05v，放大倍数设为91，则放大后的电压为0.05
×
91＝4.55v。后级选择的模数转换设备的量程可为0
‑
5v，则选择放大倍数为91可以覆盖1ma
‑
1a的电流检测范围。
56.在一些实施例中，继续参照图2，放大倍数调节模块130包括阻值可变的调节电阻rp，调节电阻rp串联于第一调节端rg1和第二调节端rg2之间。
57.其中，调节电阻rp的阻值决定了运算放大器110的放大倍数，从而决定了该电流检测电路输出的检测信号(即电压)的精度。
58.示例性地，结合上文，当运算放大器110的放大倍数在31到91之间可变时，调节电阻rp的阻值在200/3ω至200ω之间可变；并且运算放大器110的放大倍数与调节电阻rp的阻值呈反比，即调节电阻rp的阻值较小时，运算放大器110的放大倍数较大；调节电阻rp的阻值较大时，运算放大器110的放大倍数较小。例如，当调节电阻rp的阻值为200ω时，运算
放大器110的放大倍数为91倍；当调节电阻rp的阻值为200/3ω时，运算放大器110的放大倍数为31倍。
59.在其他实施方式中，调节电阻rp的阻值范围还可为其他范围，可基于电流检测需求设置，在此不限定。
60.在一些实施例中，继续参照图3，放大倍数调节模块130包括可单路选通的至少两路并联支路(示例性地，图3中示出了两路并联支路)，各支路采用阻值各不相同的固定阻值电阻。
61.其中，各支路中电阻的阻值各不相同，由于不同的阻值可对应运算放大器110实现不同的放大倍数，由此当选通某一支路时，运算放大器110的第一调节端rg1和第二调节端rg2之间连接对应的固定阻值的电阻，可实现对应的放大倍数。
62.示例性地，图3示出的电路结构中，第二调节端r2可连接开关的一端，第一调节端rg1可连接并联的两电阻的一端，其另一端悬置，当开关连接悬置的一端时，则将该支路中的电阻连接在第一调节端rg1和第二调节端rg2之间。
63.示例性地，结合上文，当运算放大器110的放大倍数在31到91之间可变时，各支路中电阻的阻值可包括200ω、200/3ω、100ω以及对应于其他放大倍数的电阻值。
64.在其他实施方式中，还可设置放大倍数调节模块130包括串联或并联设置的多个电阻，通过调节电阻之间的串联和并联关系，可改变接入第一调节端rg1和第二调节端rg2之间的阻值的大小。
65.在一些实施例中，继续参照图4，可单路选通的至少两路并联支路包括跳线插针jp1、跳线帽(图中未示出)、第一电阻r3以及第二电阻r4；跳线插针jp1包括第一引脚1(即管脚1)、第二引脚2(即管脚2)、第三引脚3(即管脚3)和第四引脚4(即管脚4)，第二引脚2和第四引脚4均与第二调节端rg2连接，第一电阻r3连接于第一引脚1与第一调节端rg1之间，第二电阻r4连接于第三引脚3与第一调节端rg1之间；跳线帽用于短接第一引脚1和第二引脚2，和/或短接第三引脚3和第四引脚4。
66.其中，运算放大器110，例如ad8429的放大倍数可以通过跳电阻的方式设定。其中第一电阻r3和第二电阻r4用来设定运算放大器110的放大倍数，跳线插针jp1通过跳线帽实现对应引脚之间的短接，从而将对应的第一电阻r3和/或第二电阻r4接入第一调节端rg1和第二调节端rg2之间。
67.示例性地，若跳线帽仅将跳线插针jp1的管脚1和管脚2短接，则第一电阻r3作为计算运算放大器110的放大倍数的电阻。当第一电阻r3的阻值为200ω时，运算放大器110的放大倍数为31倍。若跳线帽仅将跳线插针jp1的管脚3和管脚4短接，则第二电阻r4作为计算运算放大器110的放大倍数的电阻。当第二电阻r4的阻值为100ω时，运算放大器110的放大倍数为61倍。若跳线帽同时将跳线插针jp1的管脚1和管脚2短接，且管脚3和管脚4短接，则第一电阻r3和第二电阻r4并联后作为计算运算放大器110的放大倍数的电阻。当第一电阻r3的阻值为200ω，第二电阻r4的阻值为100ω时，放大倍数为91倍。
68.基于此，当测量毫安级电流时，可将放大倍数设定为91倍，如此可将数值较小的毫安级电流放大足够倍数，即可将对应的电压信号放大到足够大，满足进入后级模数转换设备的量程的需求，以实现对毫安级电流的准确测量。
69.在一些实施例中，继续参照图2
‑
图4任一图，运算放大器110还包括第一电源端vs
、第二电源端vs
‑
和参考端ref；第一电源端vs 接入一高电平电位v1，且通过一电容(例如第一电容c1)接地；第二电源端vs
‑
接入一低电平电位v2，且通过另一电容(例如第二电容c2)接地；参考端ref接地。
70.其中，第一电源端vs 和第二电源端vs
‑
可接入运算放大器110的工作电压，参考端ref可接入参考电压。
71.示例性地，以运算放大器为ad8429为例，高电平电位v1(也表示为vcc_v )可为ad8429提供 18v工作电压，低电平电位v2(也表示为vee_v
‑
)可为ad8429提供
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3v工作电压。
72.其中，第一电容c1和第二电容c2为滤波电容，可用于滤除采样电压上的高频噪声，提高信噪比，从而确保较高的检测精度。
73.示例性地，第一电容c1和第二电容c2的容值可为0.1μf。
74.在一些实施例中，继续参照图2
‑
图4任一图，该检测电路还包括滤波电路(图中示例性地以rc滤波电路为例示出)、限流电阻r5和防静电二极管tds；一滤波电路(包括第三电容c3和第六电阻r6的rc滤波电路)连接于第一输入端in
‑
与采样模块120的一端之间，另一滤波电路(包括第四电容c4和第七电阻r7的rc滤波电路)连接于第二输入端in 与采样模块120的另一端之间；限流电阻r5串联于输出端vout与输出接口j5(即第五连接器j5)之间，并通过防静电二极管tds接地。
75.其中，滤波电路为低通滤波电路，用于滤除采样电压上的高频噪声，提高信噪比，从而确保较高的检测精度。
76.示例性地，第三电容c3和第四电容c4的容值可为0.1μf，第六电阻r6和第七电阻r7的阻值可为100ω。
77.其中，限流电阻r5串联于电路中，用于限制输出电流的大小，以防电流过大烧坏所串联的电路元件。
78.示例性地，限流电阻r5的阻值可为10ω。
79.其中，防静电二极管tds用于实现输出接口j5处的防静电功能，以确保检测电路安全。
80.在一些实施例中，继续参照图2
‑
图4任一图，第三连接器j3和第四联节气j4接地线，相对于电源线连接的第一连接器j1和第二连接器j2设置。结合图1，蓄电池供电kl30由第一连接器j1接入检测电路，电流流经第三电阻r1和第四电阻r2并联形成的采样模块120，将休眠电流信号转换成电压差分信号后连接到运算放大器110的输入端进行放大，运算放大器110的放大倍数基于放大倍数调节模块130确定。放大后的采样电压经限流电阻r5后，由输出接口j5输出，该输出的电压信号为后级模数转换设备的输入信号。
81.在上述实施方式的基础上，对电流检测电路进行检测验证，证明该电流检测电路可实现毫安级电流的精确测量。
82.示例性地，采用图4示出的电流检测电路，基于可调压电压源和1000ω的电阻负载，输出电流1ma至15ma，来检测电流检测电路的测量精度，检测数据如表1所示。
83.表1电流检测电路的测量精度验证表格
[0084][0085]
其中，运放即运算放大器，adc即模数转换设备。由表1中的检测数据可知，电流检测电路在1ma至15ma范围内测量误差最大为1.473％，完全可以满足车机系统的休眠电流检测需求。
[0086]
由此，对应休眠电流的检测均可采用本公开实施例提供的电流检测电路来实现，即实现毫安级的休眠电流的检测；同时应用高精度，低噪声运算放大器实现毫安级电流检测，还可将检测成本降低99％，即以现有休眠电流检测方案的1％成本，即可实现完成车机系统的休眠电流检测。
[0087]
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种基于运算放大器的毫安级电流检测卡，包括上述任一种电流检测电路，可实现对应的有益效果。
[0088]
在一些实施例中，图5示出了本公开实施例提供的一种基于运算放大器的毫安级电流检测卡的结构。参照图5，该检测卡200包括印刷电路板210以及设置于印刷电路板210上的检测电路；检测电路采用上述任一种检测电路。
[0089]
其中，印刷电路板210用作承载检测电路的基板。在其他实施方式中，还可采用其他类型的基板承载检测电路，在此不限定。
[0090]
本公开实施例提供的电流检测卡，可基于运算放大器实现对毫安级的微小电流的精准检测，结合通常的模数转换设备，可以实现毫安级电流检测和记录功能，检测最大误差为1.473％，总成本约800元人民币，相对于采用专用设备的相关方案，可将检测成本降低99％，即以现有休眠电流检测方案的1％成本，即可实现对车机系统的休眠电流检测。
[0091]
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种基于运算放大器的毫安级电流检测装置，包括上述任一种电流检测电路，可实现对应的有益效果。
[0092]
在一些实施例中，图6示出了本公开实施例提供的一种基于运算放大器的毫安级电流检测装置的结构。参照图6，该检测装置包括上述任一种检测电路，还包括模数转换设备310和数据处理设备320；模数转换设备310串联在检测电路与数据处理设备320之间；模数转换设备310用于将放大后的模拟电压信号转换为数字电压信号，数据处理设备320用于基于数字电压信号确定流经待检测电路的电流。
[0093]
其中，模数转换设备320可对模拟电压信号进行采样，将模拟电压信号转换为数值电压信号，并传输至数据处理设备320；数据处理设备基于数字电压信号、采样电阻以及放大倍数，可计算得到待检测电路的电流，即实现待检测电流的确定。
[0094]
本公开实施例提供的电流检测装置，可基于运算放大器实现对毫安级的微小电流的精准检测，基于模数转换设备310和数据处理设备320，可以实现毫安级电流检测和记录功能，检测最大误差为1.473％，总成本约800元人民币，相对于采用专用设备的相关方案，可将检测成本降低99％，即以现有休眠电流检测方案的1％成本，即可实现对车机系统的休眠电流检测。
[0095]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0096]
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。