CN103558445B - 电流检测电路以及测量装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电流检测电路和测量装置。电流检测电路包括：第一输入端子及第二输入端子，其用于引入在电流路径中流动的受测电流；分流电阻，其耦接在所述电流路径中，用于将所述受测电流转换为所述分流电阻两端的输出电压差；放大器，其具有第一输入节点、第二输入节点、输出节点以及包括过流保护器件的反馈路径，所述第一输入节点耦接到所述第一输入端子，所述第二输入节点耦接到所述第二输入端子，其中所述反馈路径耦接在所述输出节点与所述第一输入端子之间；以及输出端子，其耦接到所述第二输入端子，并且耦接到所述分流电阻以输出所述输出电压差。该电流检测电路具有较大的电流检测范围，并且具有较小的负担电压。

Description

电流检测电路以及测量装置
技术领域
本申请涉及电子测量技术领域，更具体地，涉及一种电流检测电路以及采用电流检测电路的测量装置。
背景技术
各种用于测量电参数(例如电压、电流及阻抗)的测量装置被广泛应用于工业生产和日常生活中。万用表即是一种典型的电参数测量装置，其主要可以测量交流或直流电压、电流及阻抗。典型的万用表通常包括一对测试表笔，每一表笔的一端被连接到受测设备或器件，而另一端则被***万用表面板的相应插孔，从而将该受测设备与万用表内部的测量电路电连接。
一般而言，电流检测电路两个输入端之间的电压差(即负担电压，burdenvoltage)需要保持在一定范围内，以避免其问的电压差反过来影响受测器件。然而，在现有的电流检测电路中，例如图1所示的电流检测电路中，分流电阻11被耦接在两个输入端子之间，因而其难以采用较大的分流电阻来获得更好的信噪比。
如图1所示，该电流检测电路10包括分流电阻11、放大器12以及保险丝13。其中，分流电阻11被设置为与受测器件(图中未示出)串联连接，从而将受测电流IS转换为其上的电压降。同时，放大器12被设置成电压跟随器的形式，其同相输入端耦接分流电阻11以采集其上的电压降，而其反相输入端则耦接到输出端，从而将该电压降转移到放大器12的输出端。在该电流检测电路10中，保险丝13被设置为与受测器件以及分流电阻11串联连接，从而在受测电流IS超过预定电流值时作用，进而避免电流检测电路10因过流而发生故障。
然而，对于图1所示的电流检测电路10，其负担电压(与受测器件耦接的两个输入端子之间的电压)等于受测电流因电流检测电路10输入阻抗(包括分流电阻11、保险丝13以及导线分布电阻RW)产生的电压以及放大器12的输入失调电压之和。显然地，受测电流越大，电流检测电路10的负担电压越大。因此，该电流检测电路10必须采用足够小阻抗的保险丝13和分流电阻11。但是，对于这种电流检测电路而言，采用小阻抗的分流电阻11又难以获得高信噪比。
图2示出了另一种典型的电流检测电路20。如图2所示，该电流检测电路20包括分流电阻21、放大器22以及保险丝23。其中，分流电阻21被设置在放大器22的反馈回路中，即反相输入端与输出端之间。因此，分流电阻21并不影响电流检测电路20两个输入端子之间的负担电压。负担电压主要由受测电流在保险丝23及导线分布电阻产生的电压降决定。然而，保险丝23通常仍具有一定的电阻值，当受测电流较大时，保险丝23上的电压降仍会显著影响负担电压。因此，该电流检测电路20仍需要使用小阻抗的保险丝，且不适合测量较大的电流。
发明内容
因此，本申请的一个目的在于提供一种能够具有较大电流测量范围的电流检测电路，该电流检测电路需要具有较小的负担电压。
在本申请的一个方面，公开了一种电流检测电路。该电流检测电路包括：第一输入端子及第二输入端子，其用于引入在电流路径中流动的受测电流；分流电阻，其耦接在所述电流路径中，用于将所述受测电流转换为所述分流电阻两端的输出电压差；放大器，其具有第一输入节点、第二输入节点、输出节点以及包括过流保护器件的反馈路径，所述第一输入节点耦接到所述第一输入端子，所述第二输入节点耦接到所述第二输入端子，其中所述反馈路径耦接在所述输出节点与所述第一输入端子之间；以及输出端子，其耦接到所述第二输入端子，并且耦接到所述分流电阻以输出所述输出电压差。
对于上述电流检测电路，其两个输入端子之间的负担电压仅与放大器的输入失调电压相关，而与受测电流在分流电阻和过流保护器件上产生的电压降无关。因此，该电流检测电路可以在检测较大的受测电流的同时，保持极低的负担电压。在某些实施例中，该负担电压基本上接近于零。
在一个实施例中，该电流检测电路还包括：保护电阻，其耦接在所述第一输入端子与所述第一输入节点之间；以及电容，其耦接在所述第一输入节点与所述输出节点之间。该保护电阻通常具有较大的电阻值以及较大的额定功率，可以保护放大器的输入节点。
在一个实施例中，所述过流保护器件是保险丝。
在一个实施例中，所述保险丝是可恢复保险丝。可恢复保险丝在故障排除后可以自行恢复正常的导通状态，因而无需使用者更换，这可以提高检测效率。
在一个实施例中，所述保险丝是正温度系数热敏电阻。
在一个实施例中，所述分流电阻被耦接在所述输出端子与参考电压线之间。
在本申请的另一方面，还公开了一种测量装置，包括：第一测试表笔及第二测试表笔，其用于引入在电流路径中流动的受测电流；分流电阻，其耦接在所述电流路径中，用于将所述受测电流转换为所述分流电阻两端的输出电压差；放大器，其具有第一输入节点、第二输入节点、输出节点以及包括过流保护器件的反馈路径，所述第一输入节点耦接到所述第一测试表笔，所述第二输入节点耦接到所述第二测试表笔，其中所述反馈路径耦接在所述输出节点与所述第一输入表笔之间；以及输出端子，其耦接到所述第二测试表笔，并且耦接到所述分流电阻以输出所述输出电压差。
在一个实施例中，所述测量装置是万用表。
以上为本申请的概述，可能有简化、概括和省略细节的情况，因此本领域的技术人员应该认识到，该部分仅是示例说明性的，而不旨在以任何方式限定本申请范围。本概述部分既非旨在确定所要求保护主题的关键特征或必要特征，也非旨在用作为确定所要求保护主题的范围的辅助手段。
附图说明
通过下面说明书和所附的权利要求书并与附图结合，将会更加充分地清楚理解本申请内容的上述和其他特征。可以理解，这些附图仅描绘了本申请内容的若干实施方式，因此不应认为是对本申请内容范围的限定。通过采用附图，本申请内容将会得到更加明确和详细地说明。
图1示出了一种现有技术公开的电流检测电路；
图2示出了另一种现有技术公开的电流检测电路；
图3示出了根据本申请一个实施例的电流检测电路；
图4示出了根据本申请一个实施例的测量装置。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考了构成其一部分的附图。在附图中，类似的符号通常表示类似的组成部分，除非上下文另有说明。详细描述、附图和权利要求书中描述的说明性实施方式并非旨在限定。在不偏离本申请的主题的精神或范围的情况下，可以采用其他实施方式，并且可以做出其他变化。可以理解，可以对本文中一般性描述的、在附图中图解说明的本申请内容的各个方面进行多种不同构成的配置、替换、组合，设计，而所有这些都明确地构成本申请内容的一部分。
图3示出了根据本申请一个实施例的电流检测电路50。该电流检测电路50可以作为电流测量装置(例如，万用表)的信号采集电路，以将双端输入的受测电流信号转换成单端输出的电压信号，并且该电压信号可以进一步地通过后级电路(例如模拟数字转换电路)转换成例如反映受测电流幅度的数字信号。
如图3所示，该电流检测电路50包括：
第一输入端子51及第二输入端子53，其用于引入在电流路径中流动的受测电流IS；
分流电阻55，其耦接在该电流路径中，用于将受测电流IS转换为分流电阻55两端的输出电压差；
放大器57，其具有第一输入节点59、第二输入节点61、输出节点63以及包括过流保护器件65的反馈路径67，其中，第一输入节点59耦接到第一输入端子51，第二输入节点61耦接到第二输入端子53，而反馈路径67耦接在输出节点63与第一输入端子51之间；以及
输出端子69，其耦接到第二输入端子53，并且耦接到分流电阻55以输出该输出电压差VD。
在图3所示的电流检测电路50中，放大器57是运算放大器，第一输入节点59是运算放大器的反相输入端，而第二输入节点61是运算放大器的同相输入端。由于第一输入节点59与第一输入端子51相互耦接，因此，反馈路径67耦接在放大器57的输出节点63与第一输入节点59之间，从而使得放大器57被配置为负反馈工作模式下。由于运算放大器的输入端输入阻抗较大，因此基本不会有电流流入或流出第一输入节点59与第二输入节点61。因此，在受测器件(图中未示出)连接到电流检测电路50并形成流过受测器件的受测电流IS后，受测电流IS进一步地流经分流电阻55与过流保护器件65，也即将分流电阻55、过流保护器件65分别串入受测电流IS的电流路径。假设受测电流IS以图3所示的电流方向从左向右流动，则受测电流IS从参考电位线(例如从地线)经由分流电阻55、受测器件(先后流过第二输入端子53以及第一输入端子51)、过流保护器件65，直至流过放大器57的输出节点63，并继而通过该输出节点63及电源流回参考电位线。
可以看出，受测电流IS流过分流电阻55并在其上产生输出电压差，该输出电压差的幅值正比于受测电流IS的大小。在一些实施例中，分流电阻55耦接在输出端子69与参考电位线之间。这样，输出电压差即被转换为单端输出的电压信号。在一些实施例中，电流检测电路50的输出端子69可以与后级电路，例如模数转换器相耦接。该后级电路可以将输出电压差进一步转换为反映受测电流IS大小的数字信号，并通过例如显示电路将该数字信号显示给使用者，或者以其他形式提示给使用者。
由于过流保护器件65同样串接在受测电流IS的电流路径中，因此，过流保护器件65能够响应于流过其的受测电流IS断开或保持导通。具体地，当受测电流IS较小时，过流保护器件65等效为一个小电阻，其基本上不会影响受测电流IS的检测；而当受测电流IS超过过流保护器件65的额定最大电流后，过流保护器件65启动，从而断开整个电流路径，使得电流检测电路50不再进行电流检测。
在一些实施例中，电流检测电路50还包括保护电阻71与电容73。其中，保护电阻71耦接在第一输入端子51与第一输入节点59之间，而电容73则耦接在放大器57的第一输入节点59与输出节点63之间。保护电阻71能够保护第一放大器57。具体地，当过流保护器件65启动并断开电流路径后，保护电阻71增加了运算放大器的输入阻抗，以防止输入端子51和53之间的高压直接加载在运算放大器的输入节点59与61上，从而保护运算放大器不会因输入电压过高而损坏。另一方面，当过流保护器件65保持导通时，受测电流IS不会经由保护电阻71流入第一输入节点59，因而保护电阻71上没有电压降，第一输入端子51与第一输入节点53处的电压保持相等。因此，保护电阻71不会影响电流检测电路50的正常工作。电容73则用于电路50的频率补偿。
根据运算放大器的“虚短”特性，处于负反馈工作下的理想运算放大器(输入失调电压为零)的两个输入端电压相等。因此，第一输入节点59与第二输入节点61的电压差接近于零，其差值仅等于运算放大器的输入失调电压VOS。对于大多数运算放大器而言，输入失调电压VOS是一个很小的值，其一般仅为几十至上百微伏(与运算放大器本身的结构和特性相关)。进一步地，由于第一输入端子51与第二输入端子53各自与放大器57的输入节点59和61直接相连，因此，第一输入端子51与第二输入端子53之间的电压差，也即电流检测电路50的负担电压VB，等于运算放大器的输入失效电压VOS。同时，“虚短”的第一输入节点59和第二输入节点61极大地降低了整个电流检测电路50的输入阻抗。
在图3所示的电路50中还示出了导线寄生电阻RW，其示意地表示了电路50中连接各个节点的导线本身的电阻，其与各节点间导线的长度、截面积以及电阻率等相关。可以理解，该导线寄生电阻RW是分布式电阻，其基本沿导线均匀分布。在本实施例中，放大器57的第一输入节点59与第二输入节点61分别耦接到第一输入端子51与第二输入端子53。由于放大器57的输入节点不会有电流流入或流出，因而耦接第一输入节点59与第一输入端子51的导线、以及耦接第二输入节点61与第二输入端子53的导线不会流过电流。因此，这两个导线上的寄生电阻不会影响产生电压降，也即不会影响负担电压VB。
可以看出，由于电流检测电路50的负担电压VB与受测电流IS在分流电阻55、过流保护器件65以及导线寄生电阻RW产生的电压降均无关，因此，该电流检测电路50可以选用较大电阻值的分流电阻来提高电流检测电路50的电路增益(对应于分流电阻55的电阻值)，这进而有助于提高电流检测电路50在整个电流测量范围内的信噪比。
在一些实施例中，过流保护器件65可以是保险丝，例如铅锑合金制成的保险丝。在一些实施例中，过流保护器件65可以是可恢复保险丝，例如正温度系数(PTC)热敏电阻。虽然可恢复保险丝的阻抗通常略大于铅锑合金制成的保险丝，但是由于过流保护器件65上的电压降不会影响负担电压VB，因此使用可恢复保险丝的电流检测电路50仍具有相当小的负担电压VB。同时，对于可恢复保险丝，例如PTC热敏电阻，其在电路出现故障时(例如受测电流过大时)会呈现高阻态以使得电流检测电路50处于相对“断开”状态，从而保护电路不受破坏。当故障排除后，PTC热敏电阻能够自动回复至低阻态，从而使得电路导通并正常工作。这样，电流检测电路50在进行测试时，基本上无需因为过流故障而更换过流保护器件，从而有效提高了测试效率。
图3所示的电流检测电路50是有源电流检测电路，受测电流流过分流电阻55和过流保护器件65所产生的功耗由电源检测电路50的电源供给。因此，这种电流检测电路50特别适用于工业生产、试验等具有稳定电源供给的应用环境下的电流测量。
图4示出了使用了电流检测电路50的万用表100。可以理解，本申请的电流检测电路也可以应用在其他测量装置中。
如图4所示，该万用表100包括数字显示器104、手动可操作按钮106以及可旋转的模式选择开关108。该模式选择开关108被置于测量电流的位置。尽管万用表100使用了数字式显示器104，但是可以理解，也可以使用其他类型的显示器，例如模拟仪表。同样地，也可以使用除按钮106以及选择开关108之外的其他选择器。一对测试线110、112分别具有插头116和118。这两个插头116和118被***万用表100的插孔120、122中，并分别连接电流检测电路140的两个输入端子。插孔124和126还可以用于***插头116或118中的一个，以配合模式选择开关108的选择来进行电阻、电压测量或其他电参数测量。测试线110和112还分别具有第一测试表笔130和第二测试表笔132，其分别连接待测器件上的测试点136和138，以使得待测器件通过测试线110和112连接到电流检测电路140。这两个测试表笔用于引入在电流路径中流动的受测电流。电流检测电路140的输出端子连接到万用表100的后级处理电路，该处理电路将电流检测电路140输出的输出电压差处理后，提供给显示器104并显示为其上的数字读数。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了电路的若干模块或子模块，但是这种划分仅仅是示例性的而非强制性的。实际上，根据本申请的实施例，上文描述的两个或更多模块的特征和功能可以在一个模块中具体化。反之，上文描述的一个模块的特征和功能可以进一步划分为由两个或两个以上的模块来具体化。
那些本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一”、“一个”不排除复数。在发明的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。

Claims (13)

1.一种电流检测电路，其特征在于，包括：
第一输入端子及第二输入端子，其用于建立使受测电流在其中流动的电流路径；
分流电阻，其耦接在所述电流路径中，用于将所述受测电流转换为所述分流电阻两端的输出电压差，其中分流电阻耦接在参考电压线和所述第二输入端子之间；
放大器，其具有第一输入节点、第二输入节点、输出节点以及包括过流保护器件的反馈路径，所述第一输入节点耦接到所述第一输入端子，所述第二输入节点耦接到所述第二输入端子，其中所述反馈路径耦接在所述输出节点与所述第一输入端子之间；以及
输出端子，其耦接到所述第二输入端子，并且耦接到所述分流电阻以输出所述输出电压差。
2.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述电流检测电路还包括：
保护电阻，其耦接在所述第一输入端子与所述第一输入节点之间；以及
电容，其耦接在所述第一输入节点与所述输出节点之间。
3.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述过流保护器件是保险丝。
4.根据权利要求3所述的电流检测电路，其特征在于，所述保险丝是可恢复保险丝。
5.根据权利要求4所述的电流检测电路，其特征在于，所述保险丝是正温度系数热敏电阻。
6.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述分流电阻被耦接在所述输出端子与所述参考电压线之间。
7.一种测量装置，包括：
第一测试表笔及第二测试表笔，其用于建立使受测电流在其中流动的电流路径；
分流电阻，其耦接在所述电流路径中，用于将所述受测电流转换为所述分流电阻两端的输出电压差，其中分流电阻耦接到参考电压线和第二测试表笔之间；
放大器，其具有第一输入节点、第二输入节点、输出节点以及包括过流保护器件的反馈路径，所述第一输入节点耦接到所述第一测试表笔，所述第二输入节点耦接到所述第二测试表笔，其中所述反馈路径耦接在所述输出节点与所述第一测试表笔之间；以及
输出端子，其耦接到所述第二测试表笔，并且耦接到所述分流电阻以输出所述输出电压差。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：
保护电阻，其耦接在所述第一测试表笔与所述第一输入节点之间；以及
电容，其耦接在所述第一输入节点与所述输出节点之间。
9.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述过流保护器件是保险丝。
10.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，所述保险丝是可恢复保险丝。
11.根据权利要求10所述的测量装置，其特征在于，所述保险丝是正温度系数热敏电阻。
12.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述分流电阻被耦接在所述输出端子与参考电压线之间。
13.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置是万用表。
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