一种电流电压转换电路的制作方法

1.本发明属于电子技术及计量测量领域，具体涉及一种电流电压转换电路。


背景技术：

2.由于各种原因，需要测量电路中电流，但电流难于直接进行ad转换或用电压表、示波器等仪器测量，通常需要先转换成电压信号，再进行ad转换或用电压表、示波器等仪器测量，进行电流电压转换的电路或器件也称为电流传感器。传感器的引入不应对原有电器回路产生明显影响，理想情况是不产生任何影响。
3.目前实现电流转换成电压信号的方法主要有取样电阻器、电流互感器、霍尔传感器等技术途径。
4.1)分流器，将一只无感电阻器(称为取样电阻)rs串入待测量电流的回路中，电阻器两端的电位差(取样电压)vs就反映了被测回路电流i的大小，i＝vs/rs。为了获得足够大的取样电压，取样电阻取值不能太小，这样取样电阻的接入对被测回路状态不可避免的产生一定影响，尤其当被测回路阻抗较低时，这不可避免地引入了测量误差。用采样电阻器进行电流电压转换还有一个问题，就是需要将原电路先断开再接入采样电阻器，这在有些场合是不太方便的。
5.2)电流互感器，电流互感器由饶有线圈n的高导磁率闭合磁芯构成，测量电流回路电流时，将回路导线从磁芯窗口穿过形成互感器的原边，原有线圈作为副边并接上一只负载电阻器rs。当互感器副边自身阻抗远大于其负载rs阻值时，利用rs的两端电压vs计算被测回路电流：i＝n
×
vs/rs。与直接将采样电阻器接入测量回路相比，电阻rs折合到被测回路的阻值为直接接入rs时的1/n2，减少了测量装置接入对被测回路的影响。由于电流互感器线圈及负载电阻器等关联电路总是有分布电容的存在，宽通常不会超过1mz。
6.3)霍尔电流传感器，有开环和闭环之分。开环霍尔电流传感器，将置于原边导体附近的霍尔片正比于原边电流i大小的输出电压经放大器放大后输出，实现电流电压的转换v＝ki，k为比例系数；闭环霍尔电流传感器，与电流互感器类似，将线圈n绕在高导磁率制成的环形磁心上作为副边，所不同的是霍尔电流传感器磁心上开有一个气隙，将一只霍尔片h装在气隙中，霍尔片输出经放大电路a放达后反馈给线圈。测量电流时将被测回路穿过磁心窗口作为原边，放大电路a产生电流流过副边线圈抵消原边的磁化作用。当霍尔片h及放大电路a足够灵敏时，由副边线圈电流is，计算被测回路电流，i＝n
×
is。用尔电流传感器与电流互感器一样，对被测电路状态的影响也比较小。霍尔电流传感器带宽通常不超过1mz。
7.4)其它类型电流传感器
8.出上述电流传感器类型外，目前流行的还有磁调制器、磁通门、磁通量闸门、巨磁效应、磁阻效应等类型电流传感器。磁调制器电流传感器只能用于测量直流电流，磁通门电流传感器带宽不过几khz；磁通量闸门、巨磁效应电流传感器带宽通常不超过1mz；磁阻效应电流传感器带宽可达10mz，但一般灵敏度较低，不适于测量小电流。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种电流电压转换电路，用于提高了电流有效测量频率范围，减少了测试偏差。
10.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
11.一种电流电压转换电路，包括
12.所述电流电压转换电路包括电流互感器和第一运算放大器，所述第一运算放大器接有负反馈电阻，与所述电流互感器副边连接，所述第一运算放大器和所述负反馈电阻将所述电流电压转换电路的电流互感器副边电流转换成电压信号输出。
13.所述电流电压转换电路还包括用来抑制第一运算放大器的失调电压影响的自稳零电容，所述自稳零电容连接于所述第一运算放大器的反相输入端和所述电流互感器副边之间。
14.所述自稳零电容为隔离直流电容器c1。
15.所述电流电压转换电路还包括用来抑制第一运算放大器的失调电压影响的第一运算放大器自稳零电路。
16.所述运算放大器自稳零电路包括第二运算放大器、第一电阻r1，第二电阻r2和第三电容c3，第二运算放大器反向输入端与第一电阻r1一端相连，第一电阻r1另一端连接至第一运算放大器输出端，算放大器同相第二运算放大器输出端分别连接第三电容c3一端和第一运算放大器同相输入端，第三电容c3另一端连接至第二运算放大器反向输入端，第二电阻r2一端与第二运算放大器同相输入端相连，另一端接地。
17.所述电流电压转换电路还包括用于消除串接电容谐振的阻尼电阻，所述阻尼电阻连接于所述电流互感器副边和所述隔离直流电容器c1之间。
18.所述负反馈电阻一端连接第一运算放大器反相输入端，另一端连接第一运算放大器输出端，第一运算放大器反相输入端还与电流互感器副边相连，第一运算放大器同相输入端接地。
19.所述负反馈电阻还并联有第二电容c2。
20.与现有技术相比，本发明提供的电流电压转换电路中，通过第一运算放大器反向接法使用，将互感器输出电压抑制到接近零附近，减少了互感器电感量和分布电容的不利影响，相比电流互感器加电阻器方法可比较经济的提高了电流有效测量频率范围，减少了测试偏差。
附图说明
21.图1是一般电流互感器加电阻器的电流电压转换器电原理图。
22.图2是本发明第一实施例的电原理图。
23.图3是本发明第二实施例的电原理图。
24.图4是给定元件参数下的电流互感器加电阻器幅度频率响应特性仿真结果示意图。
25.图5是给定元件参数下的本发明电流电压转换器的第一实施例的幅度频率响应特性仿真结果示意图。
26.图6是给定元件参数下的本发明电流电压转换器的第二实施例的幅度频率响应特
性仿真结果。
具体实施方式
27.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
29.实施例1
30.请参考图2，其示出了本发明第一实施例的电原理图，该电流电压转换电路，所述电流电压转换电路包括电流互感器和第一运算放大器，所述第一运算放大器接有负反馈电阻，与所述电流互感器副边连接，所述第一运算放大器和所述负反馈电阻将所述电流电压转换电路的电流互感器副边电流转换成电压信号输出。
31.所述自稳零电容为隔离直流电容器c1。
32.所述电流电压转换电路还包括用来抑制第一运算放大器的失调电压影响的自稳零电容，所述自稳零电容连接于所述第一运算放大器的反相输入端和所述电流互感器副边之间。
33.所述电流电压转换电路还包括用于消除串接电容谐振的阻尼电阻，所述阻尼电阻连接于所述电流互感器副边和所述隔离直流电容器c1之间。
34.如图2所示，所述负反馈电阻rs一端连接第一运算放大器反相输入端，另一端连接第一运算放大器输出端，第一运算放大器反相输入端还与电流互感器副边相连，第一运算放大器同相输入端接地。电流互感器副边依次连接阻尼电阻rz和隔离直流电容器c1，隔离直流电容器c1另一端与第一运算放大器反相输入端相连。
35.上述实施例中，如图1所示，为一般电流互感器加电阻器的电流电压转换器。
36.1)仿真试验时，被测电路为用一幅值1v、频率1khz的交流电源为1只r0＝10ω的电阻器供电，产生待测电流。
37.2)电流互感器m原边1匝、电感量10μh，副边线圈100匝、电感量lm＝100mh，rm为电流互感器副边绕线电阻值，图中cm为电流互感器副边等效分布电容；
38.3)第一运算放大器a(实施例用ad8007，但不限于ad8007)和反馈电阻rs构成了本发明的核心部分，它将电流互感器的副边电流转换成反相的电压信号经a的6脚输出。
39.4)隔离直流电容器c1用来抑制第一运算放大器的失调电压的影响。
40.5)rz为阻尼电阻，消除互感器的感性与分布电容和电容器c1形成的峰化现象，避免其对转换器有效频率范围的不利影响。
41.互感器副边电感lm与分布电容cm并联，其导纳为：
[0042][0043]
互感器副边线圈电阻与其连接的后续电路阻抗总和为：
[0044][0045]
被测电流真值与转换器输出之比为：
[0046][0047]
转换器输出电压为：
[0048][0049]
略去高次相：
[0050][0051]
为转换器主要误差来源，当在一定的频率范围内满足1/gm＞＞z、z/n2＜＜r0、rs/a＜＜rai、a＞＞1时，略去误差项，上式进一步简化为：
[0052][0053]
与电流互感器方法传递函数类似，只是多了一个负号，这是由于第一运算放大器的反相接法所致。
[0054]
综上所述，本发明提供的电流电压转换电路中，通过将第一运算放大器反向接法使用，将互感器输出电压抑制到接近零附近，减少了互感器电感量和分布电容的不利影响，相比电流互感器加电阻器方法可比较经济的提高了电流有效测量频率范围，减少了测试偏差。
[0055]
实施例2
[0056]
进一步的，如图3所示，本发明电流电压转换电路的另一实施例，所述电流电压转换电路还包括用来抑制第一运算放大器的失调电压影响的第一运算放大器自稳零电路。
[0057]
所述运算放大器自稳零电路包括第二运算放大器、第一电阻r1，第二电阻r2和第三电容c3，第二运算放大器反向输入端与第一电阻r1一端相连，第一电阻r1另一端连接至第一运算放大器输出端，算放大器同相第二运算放大器输出端分别连接第三电容c3一端和第一运算放大器同相输入端，第三电容c3另一端连接至第二运算放大器反向输入端，第二电阻r2一端与第二运算放大器同相输入端相连，另一端接地。
[0058]
所述负反馈电阻还并联有第二电容c2。
[0059]
上述实施例中，图3所示电路去除了实施例1中隔离直流电容器c1，增加主要由第二运算放大器b构成的自稳零电路，使电压电流转换器具有更好的低频特性。该例互感器参数同例1，其余原件参数如图3所示。当将自稳零电路输出近似为交流地时，该电路具有与实施例1类似的传递函数，只是在z中没有了阻尼电阻rz和隔离直流电容器c1的影响，在此不再赘述。
[0060]
仿真结果
[0061]
在图4、图5分别给出了上述参数例情况下电流互感器方法和本发明转换电路例1的幅度频率响应曲线multisim仿真结果。根据仿真结果：
[0062]
1)电流互感器例-3db带宽1.572mhz，本发明电路例-3db带宽达到46.057mhz，带宽增加明显，后者约为前者的29倍。
[0063]
2)在允许偏差为2％的情况下，电流互感器例有效频率范围为10.489khz～241.731khz，本发明电路例的有效频率范围为107.188hz～27.970mhz，在低频和高频两个方向都明显拓宽了频率范围，后者有效频率范围约为前者的121倍。
[0064]
3)电流互感器例在50.35khz附近最准确的实现电流电压转换，转换结果与被测回路不引入测量装置前的电流真值之比为0.9901，转换偏差为-0.99％；使用本发明例该值为0.9984，转换偏差为-0.16％，约为前者的1/6，显著地提高了电流电压转换准确性。
[0065]
图6给出了例2电路幅度频率响应曲线multisim仿真结果，-3db低频端扩展到1.337hz，转换偏差为-0.14％。采取了自稳零措施的电流电压转换器具有更好的低频特性。
[0066]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
[0067]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0068]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0069]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。