一种小电流检测电路的制作方法

1.本发明涉模拟电路设计领域，为一种电流检测电路，可用于工业控制、小信号测量等领域。


背景技术：

2.电流检测电路广泛应用于工业控制领域，目前电流检测方法众多，常见的有霍尔传感器、罗氏线圈、电流互感器、光纤电流传感器、磁通门、分流电阻等等。对不同电流检测方法而言，其检测原理不同，应用场景也不相同。在使用相关仪器进行测量电流时，通常会在待测电流支路中引入误差电阻，对被测量支路带来少量影响；在小信号测量领域，多数情况下会在待测支路中串联一个毫欧级采样电阻，通过差分放大器获得采样电阻两端电势差进而得到电流值，此方法使用广泛，但仍有少量的电阻被引入原电路。
3.在小电流(μa)测量领域。小电流流过毫欧级采样电阻时，采样电阻两端电势极为相近，电势差信号不易体现出小电流的具体数值。
4.如图1所示，模拟电子技术介绍了互阻放大电路的理想模型，此模型可在电流检测电路中使用，可将流过的电流信号转为电压信号，但与之对应的实际电路较少。在理想互阻放大电路模型中，电流流过的支路电阻为零，即电流检测支路对原电路不产生影响，且待测电流支路为双端口，可接于任意支路，电流可流入流出，不会对待测电流支路产生影响。
5.由于待测电流支路存在电流检测仪器自身的电阻，测量时间稍长时，会有少量发热的情况产生引起温度的变化，采样电阻的温漂会对原电路的电流大小产生影响。
6.针对以上电流检测电路存在的一些缺点和理想互阻放大电路的基本特性，需要设计一种体积小、电流检测支路无阻抗和线性度好的小电流检测电路。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种小电流检测电路，以解决目前小电流检测电路中对采样电阻电势差过小的问题。
8.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案，包括：负电阻串联电路、采样电阻、电压跟随器、差分放大电路。
9.常见的基于运算放大器构建的负电阻为单端元件，负电阻串联则可视为双端元件；本发明使串联负电阻的总阻值与高精度采样电阻阻值相等，等效地产生电阻抵消的效果。高精度采样电阻串联进入待测电流支路中，本发明使用差分放大电路对采样电阻电压进行差分放大。
10.进一步地，根据待测电流支路电压电流特点，合理选择负电阻使用的普通电阻阻值，使负电阻使用的运算放大器工作在线性工作区，使运算放大器输出电流小于最大输出电流，保证负电阻正常工作。
11.进一步地，由于负电阻的介入，采样电阻避免了以往只能选用毫欧级电阻，可选用大电阻并且对原电路几乎无影响。
12.进一步地，电路中使用的运算放大器较多，为提高电流检测精度，应全部使用低噪声高精度的运算放大器，尽可能避免运算放大器的失调电压、失调电流对测量产生影响；为保证整体电路使用的运算放大器工作在线性区，采样电阻两端的电势不宜过高，否则过高的共模电压会使运算放大器处于非线性工作区，使电路工作异常。
13.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1.理想状态下，电流检测支路内阻为零，对原电路不产生影响；2.电流检测支路为双端口，电流可流入流出，与单端口形式有所区别，大大拓展了适用范围；3.需要根据待检测支路特点，合理选用负电阻电路的电阻值与运算放大器型号，确保运算放大器负电阻正常工作；4.由于电流检测支路等效的内阻为零，理想情况下对原电路无影响；实际电路中由于负电阻的存在会极大地削弱采样电阻对原电路的影响；5.在小电流检测中，可选用大阻值采样电阻且电流检测电路对原电路无影响。
附图说明
14.图1为理想的互阻放大电路示意图
15.图2为一种基于负电阻串联的电流检测电路结构示意图
16.图3为本发明实施例所用的一种基于负电阻串联的电流检测电路结构示意图
17.图4为本发明实施例所用的一种电流检测电路仿真原理图
18.图5为本发明实施例所用的一种电流检测电路仿真结果图
19.图6为本发明实施例的一种改进型电流检测电路图
具体实施方式
20.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定发明的范围。
21.以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
22.图2为一种电流检测电路结构示意图。该电路包括包括：负电阻串联电路、采样电阻、差分放大电路。本实施例所用运算放大器型号为ad8571arm，电阻类型均为膜电阻。
23.具体地，负电阻串联电路将普通的负电阻电路由单端口元件转变为双端口元件，采样电阻值与负电阻串联电路的负电阻阻值之和为零，达到电流检测支路电阻为零的效果，差分放大电路采集放大采样电阻的电压值得到待测电流值。
24.图3为本发明实施例所用的一种电流检测电路结构示意图,u为输出的电压，i为待测的电流。图 4为本发明实施例所用的一种电流检测电路仿真原理图。在图4仿真原理图中，添加直流电流源i1。负电阻串联部分电阻r7为采样电阻，对式中相关电阻进行配置，令r1＝r6＝500ω， r2＝r3＝r4＝r5＝r8＝r9＝r
10
＝r
11
＝1kω，则负电阻串联总阻值r
负
＝-1kω，r7＝1kω。本实施例通过对相关电阻的选值，在电流信号在转变成电压
信号时等效地将电压信号放大一千倍，便于测量。v
cc
接 12v，v
dd
接
ꢀ‑
12v。
25.电压跟随器采集采样电阻两端的电势，差分放大电路对采样电阻r7的电压差进行放大输出，设采集采样电阻r7的电压为u
r7
，则差分放大电路输出电压v0＝u
r7
，v0在数值上等于电流i放大一千倍的大小。
26.如图4为本发明实施例所用的一种电流检测电路仿真原理图，令外接直流电流源i1为50μa-500μa, 测得差分放大器输出电压v0；如图5为本发明实施例所用的一种电流检测电路仿真结果图，由图可知本发明所述电流检测电路具有较高的线性度。
27.如图6为本发明实施例所用的一种改进型电流检测电路图。为避免实际使用时，由于器件的误差大、所选用器件不完全一致导致电流检测支路内阻不为零的情况，图六施加了调零电路(图中虚线框选即为调零电路)。在两个负电阻串联的基础上继续串联两个负电阻作为调零电路，调节滑动变阻器r
18
、r
13
使待测电流支路内阻为零即可。e1和r
12
为待测电路等效的内阻和电压源。


技术特征：
1.一种电流检测电路，其特征在于：所述电流检测电路包括两个负电阻串联电路、采样电阻、电压跟随器、差分放大电路。2.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于：所述电流检测电路中两个负电阻串联的阻值和采样电阻的电阻值相抵消，采样电阻可为大电阻，且电流检测电路几乎不会对原电路产生影响。3.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于：差分放大电路对采样电阻的电压进行放大，得到所测的电流值。4.根据权利要求1所述，其电路特征在于：由于引入了负电阻，合理选用负电阻使用的电阻值，以使负电阻在线性工作区。温度变化不会使本电流检测电路对原电路产生影响。5.根据权利要求1所述，其电路特征在于：对于由器件不匹配导致的待测电流支路内阻不为零的情况，可继续串联负电阻，后续串联的负电阻作为调零电路使电流检测电路内阻呈现为零的理想状态。

技术总结
为解决小电流检测电路使用采样电阻影响原电路的问题，本发明提出了一种电流检测电路。该电路包含负电阻串联电路、采样电阻、电压跟随器和差分放大电路，可实现小电流检测功能。该电路具有电流检测支路无内阻、电流检测精度高、线性度好和易于集成等优势，具有较高的实用价值。本发明可在测量μA级电流时，使用千欧级采样电阻且不影响原电路运行，使采样电阻不在限制于毫欧级。阻不在限制于毫欧级。


技术研发人员：李颖弢 霍显杰 田力学 张祎 崔滕虎 王方聪
受保护的技术使用者：兰州大学
技术研发日：2021.06.02
技术公布日：2022/1/13