CN103713181B - 微小电流信号检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微小电流信号检测装置，包括电流频率转换电路和核心运算电路，电流频率转换电路包括电流积分电路、门限控制及电容充电保护电路、程序控制电路和恒流源电路；电流积分电路包括电阻R、运算放大器Ⅰ和电容C；门限控制及电容充电保护电路包括二极管、电阻和三极管；程序控制电路的控制芯片采用的是Xilinx的CPLD；恒流源电路包括运算放大器Ⅱ、三极管和电阻。该装置摆脱了对采样电阻的依赖，降低了对电阻的要求，降低了装置成本，同时提高了装置的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流信号检测装置，尤其涉及一种微小电流信号检测装置，该装置适用于各种微小电流的检测，可以在医疗、导航、测量等领域广泛适用，提高设备的检测能力。
背景技术
在很多领域都会出现微小电流信号的检测，以往的检测方法多为通过采样电阻将电流信号转换为电压信号，通过AD芯片将电压信号进行转换成对应的数字信号，然后显示或者发送出去；还有采用V_F转换芯片，将采样电阻转换后的电压信号转换成频率信号，然后通过运算芯片将频率信号转换成电流值，显示或者发送出去。
现有电流信号的检测产品优缺点：
1、传统的将电流信号通过采样电阻和AD芯片转换成电流值的装置，其优点为：电路简单，容易实现。其缺点为：采样电阻的依赖程度高，要求采样电阻具有高精度、良好的温度特性；AD芯片的要求高，AD芯片的好坏直接决定了设备的精度；器件成本高，要检测微小电流信号，对采样电阻和AD芯片都有较高的要求，这样高端的电阻和AD芯片导致整个设备的成本变高。
2、将电流信号通过采样电阻转换成电压信号，通过V_F转换芯片，将信号转换成相应的频率信号，通过芯片进行频率计数，最后转换成对应的数字信号。这种方法虽然降低了对芯片的要求，但是依然没有摆脱对采样电阻的依赖。导致整个设备的稳定性得不到提升。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供了一种的微小电流信号检测装置。该微小电流信号检测装置使微小电流的检测摆脱对采样电阻和芯片的依赖，提高设备的检测精度和稳定度，降低此类产品的成本。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
微小电流信号检测装置，包括电流频率转换电路和核心运算电路，电流信号输入电流频率转换电路，电流频率转换电路转换为频率信号输入核心运算电路，再由核心运算电路将电流值输出，所述电流频率转换电路包括电流积分电路、门限控制及电容充电保护电路、程序控制电路和恒流源电路；
所述电流积分电路包括电阻R、运算放大器Ⅰ和电容C；电流信号与电阻R的一端连接，所述电阻R的另一端和电容C的一端均与运算放大器Ⅰ的阴极连接，所述运算放大器Ⅰ的阳极接地；
所述门限控制及电容充电保护电路包括二极管VZ、二极管VF、电阻RZ1、电阻RZ2，电阻RM1、电阻RM2、电阻RF1、电阻RF2、电阻RM3、电阻RM4、三极管VZT和三极管VFT；所述运算放大器Ⅰ的输出端分别与二极管VZ的正极和二极管VF的负极连接，所述二极管VZ的负极连接三极管VZT的基极，所述三极管VZT的集电极与+5V电源连接，所述三极管VZT的发射极与电阻RZ2的一端连接，所述电阻RZ1的一端与三极管VZT的基极连接，所述电阻RZ1的另一端与三极管VZT的集电极连接；所述二极管VF的正极与三极管VFT的基极连接，所述三极管VFT的集电极与-5V电源连接，所述三极管VFT的发射极与电阻RF2的一端连接，所述电阻RF1的一端与三极管VFT的基极连接，所述电阻RF1的另一端与三极管VFT的集电极连接；所述电阻RM1的一端与三极管VZT的集电极连接，所述电阻RM1的另一端与电阻RM2的一端连接，所述电阻RM4的一端与三极管VFT的集电极连接，电阻RM4的另一端与电阻RM3的一端连接；所述电阻RZ2的另一端与电阻RF2的另一端连接，所述电阻RM2的另一端与电阻RM3的另一端连接，所述电阻RZ2与电阻RF2的另一端以及电阻RM2与电阻RM3的另一端分别与电容C的另一端连接；
所述程序控制电路的控制芯片采用的是Xilinx的CPLD，所述电阻RM1的另一端和电阻RM2的一端接入该芯片的I/O接口；所述电阻RM4的另一端和电阻RM3的一端接入该芯片的I/O接口；
所述恒流源电路包括运算放大器Ⅱ、三极管M1、三极管M2、三极管M3和电阻R1；所述运算放大器Ⅱ的阳极与10V电源连接，所述运算放大器Ⅱ的输出端与三极管M3的基极连接，所述三极管M3的集电极与三极管M1的基极和集电极连接，所述运算放大器Ⅱ的阴极与三极管M3的发射极连接，所述三极管M3的发射极通过电阻R1接地；所述三极管M1的基极和三极管M2的基极连接，所述三极管M1的发射极和三极管M2的发射极均与15V电源连接，所述三极管M2的集电极与电流积分电路中电阻R的一端连接。
作为本发明的一种优选方案，在门限控制电路对电容电压进行检测达到Umax后，由程序控制电路开启与输入电流信号对应的反向电流电路，同时关闭输入电流，进入电流积分电路，使电容进行反向充电；反向充电使电容两端电压低于Umin后，由程序控制电路控制电流积分电路的输入，关闭反向放电电流，打开输入电流，再次对电容进行充电；程序控制电路中的控制信号经过处理输出与输入电流对应的频率信号。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、摆脱了对采样电阻的依赖，降低了对电阻的要求，降低了装置成本，同时提高了装置的稳定性。
2、直接对电流信号进行处理，降低了对被检电路的功耗影响，提高了设备的适应范围。
3、采用了积分电路对电流信号处理，避免使用传统检测装置中的AD转换芯片或者V_F转换芯片，摆脱了精度受芯片限制的影响，降低了装置成本，并提高了信号检测的实时性和精确性。
4、采用了电容保护电路，使得装置的可靠性得到提升。
5、选用了带隙基准偏置电流源作为内部的恒流源，使得装置的温度特性和稳定性得到提升。
附图说明
图1为微小电流信号检测装置的结构框图；
图2为电流频率转换电路的结构框图；
图3为电流积分电路图；
图4为门限控制及电容充电保护电路图；
图5为恒流源电路图；
图6为电流频率转换电路的信号模拟图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，微小电流信号检测装置，包括电流频率转换电路和核心运算电路，电流信号输入电流频率转换电路，电流频率转换电路转换为频率信号输入核心运算电路，再由核心运算电路将电流值输出。
电流频率转换电路包括电流积分电路、门限控制及电容充电保护电路、程序控制电路和恒流源电路，如图2所示。
电流积分电路如图3所示，电流积分电路包括电阻R、运算放大器Ⅰ和电容C。电流信号与电阻R的一端连接，电阻R的另一端和电容C的一端均与运算放大器Ⅰ的阴极连接，运算放大器Ⅰ的阳极接地。采用BiMOS运算放大器7F3140作为积分电路的运放部分，7F3140具有极高输入阻抗、非常低的输入电流、较低的额定输入失调电压。积分电路的计算公式为：out_V=1/C*∫in_I*dt。
门限控制及电容充电保护电路如图4所示，门限控制及电容充电保护电路包括二极管VZ、二极管VF、电阻RZ1、电阻RZ2，电阻RM1、电阻RM2、电阻RF1、电阻RF2、电阻RM3、电阻RM4、三极管VZT和三极管VFT。运算放大器Ⅰ的输出端分别与二极管VZ的正极和二极管VF的负极连接，二极管VZ的负极连接三极管VZT的基极，三极管VZT的集电极与+5V电源连接，所述三极管VZT的发射极与电阻RZ2的一端连接，电阻RZ1的一端与三极管VZT的基极连接，电阻RZ1的另一端与三极管VZT的集电极连接。二极管VF的正极与三极管VFT的基极连接，三极管VFT的集电极与-5V电源连接，三极管VFT的发射极与电阻RF2的一端连接，电阻RF1的一端与三极管VFT的基极连接，电阻RF1的另一端与三极管VFT的集电极连接。电阻RM1的一端与三极管VZT的集电极连接，电阻RM1的另一端与电阻RM2的一端连接，电阻RM4的一端与三极管VFT的集电极连接，电阻RM4的另一端与电阻RM3的一端连接。电阻RZ2的另一端与电阻RF2的另一端连接，电阻RM2的另一端与电阻RM3的另一端连接，电阻RZ2的另一端与电阻RF2的另一端以及电阻RM2的另一端与电阻RM3的另一端分别与电容C的另一端连接。门限控制及电容充电保护电路的主要作用是防止积分电路充放电过度、同时对外输出门限信号。门限控制电路主要工作原理：当输入信号进入电路，通过两个二极管（VZ、VF）对信号进行正反向分流；正信号进入三极管VZT的基极，负信号进入三极管VFT的基极；当正向（反向）信号充电达到一定程度，三极管VZT（VFT）截止，使电路停止对电容C充电；防止电容C充电过度，导致电容损坏。
程序控制电路的控制芯片采用的是Xilinx的CPLD（XC9536），电阻RM1的另一端和电阻RM2的一端接入该芯片的I/O接口。电阻RM4的另一端和电阻RM3的一端接入该芯片的I/O接口。
恒流源电路如图5所示，恒流源电路包括运算放大器Ⅱ、三极管M1、三极管M2、三极管M3和电阻R1。运算放大器Ⅱ的阳极与10V电源连接，运算放大器Ⅱ的输出端与三极管M3的基极连接，三极管M3的集电极与三极管M1的基极和集电极连接，运算放大器Ⅱ的阴极与三极管M3的发射极连接，三极管M3的发射极通过电阻R1接地。三极管M1的基极和三极管M2的基极连接，三极管M1的发射极和三极管M2的发射极与15V电源连接，三极管M2的集电极通过模拟开关与电流积分电路中电阻R的一端连接。
电流频率转换电路的工作原理如下：
1、电流信号首先进入电流积分电路，通过电流积分电路在电容两端充电产生电压。
2、通过门限控制电路对电容电压进行检测，达到Umax（通过电路设计门限值）后由程序控制电路开启与输入电流信号对应的反向电流电路，同时关闭输入电流，进入电流积分电路，使电容进行反向充电。
3、当反向充电使电容两端电压低于Umin（通过电路设计门限值）后，由程序控制电路控制积分电路的输入，关闭反向放电电流，打开输入电流，再次对电容进行充电。
4、重复1-3的步骤，将程序控制电路中的控制信号经过处理输出，则成为与输入电流对应的频率信号。
5、在充放电过程中，如果出现程序控制电路没有及时响应，则电容很可能出现过度充电，导致电容两端的电压过高，进而损坏电路。所以在电流积分电路中加入了电容充电保护电路，防止电容过度充电，具体的保护电路见图4。
电流频率转换电路的信号模拟如图6，由图6中可以看出，控制脉冲的周期受输入电流信号I_in大小的影响。
程序控制电路的控制芯片支持并行处理，可以同时对多路信号进行检测、控制，且相互之间无延时影响，能够很好的满足***的实时性要求；同时该芯片的管脚延时很短，能够进行快速反应，使***有较好的实时性和准确性。程序设计中的门限检测采用沿触发模式，为了去除噪声的影响，在程序中加入了软件滤波，提高了检测精确度；为了去除输入信号对反向充电的影响，在程序中对输入信号的开启和关闭做了相应的控制，使***在充电和放电期间只受单一信号的影响，不受信号之间的干扰使测量的结果出现较大偏差。
恒流源电路主要难点在于需要将该电流源设计成不受电阻和温度影响的稳定的恒流源。该电路采用的是带隙基准偏置电流源作为恒流源的主要电源芯片，这样设计出的恒流源具有较好的温度特性和稳定性，使***整体的温度特性和稳定性有较大的提升。恒流源的精度由基准源输出电压的精度决定，而且其温度系数很小，满足***低温漂的要求，同时只要有高精度的基准源，就能够提高较高精度的恒定电流，是***能够获得较高的测量精度。
核心运算电路采用单片机或者DSP对频率信号进行采集，然后利用相关参数和算法进行运算，将频率信号换算成对应的电流值，对外输出显示。这里要求单片机或者DSP的采集频率要高于频率信号的频率。这样换算出的电流值才更加准确。
该装置利用了电容充放电的特性，将微小信号经过电流积分电路，经过门限控制电路检测电容充放电是否达到设定的门限值，通过程序控制电路控制电流信号和反向的放电电流的输入，使电容在充电和放电之间转换，形成与电流大小相对应的频率信号；通过核心运算电路将频率信号转换成对应的电流值输出。该装置能够实时的检测出微小电流的电流值，较现有的电流检测电路有较高的稳定性、实时性，而且成本相对较低、适应范围广。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.微小电流信号检测装置，包括电流频率转换电路和核心运算电路，电流信号输入电流频率转换电路，电流频率转换电路转换为频率信号输入核心运算电路，再由核心运算电路将电流值输出，其特征在于：所述电流频率转换电路包括电流积分电路、门限控制及电容充电保护电路、程序控制电路和恒流源电路；
所述电流积分电路包括电阻R、运算放大器Ⅰ和电容C；电流信号输入电阻R的一端，所述电阻R的另一端和电容C的一端均与运算放大器Ⅰ的阴极连接，所述运算放大器Ⅰ的阳极接地；
所述门限控制及电容充电保护电路包括二极管VZ、二极管VF、电阻RZ1、电阻RZ2，电阻RM1、电阻RM2、电阻RF1、电阻RF2、电阻RM3、电阻RM4、三极管VZT和三极管VFT；所述运算放大器Ⅰ的输出端分别与二极管VZ的正极和二极管VF的负极连接，所述二极管VZ的负极连接三极管VZT的基极，所述三极管VZT的集电极与+5V电源连接，所述三极管VZT的发射极与电阻RZ2的一端连接，所述电阻RZ1的一端与三极管VZT的基极连接，所述电阻RZ1的另一端与三极管VZT的集电极连接；所述二极管VF的正极与三极管VFT的基极连接，所述三极管VFT的集电极与-5V电源连接，所述三极管VFT的发射极与电阻RF2的一端连接，所述电阻RF1的一端与三极管VFT的基极连接，所述电阻RF1的另一端与三极管VFT的集电极连接；所述电阻RM1的一端与三极管VZT的集电极连接，所述电阻RM1的另一端与电阻RM2的一端连接，所述电阻RM4的一端与三极管VFT的集电极连接，电阻RM4的另一端与电阻RM3的一端连接；所述电阻RZ2的另一端与电阻RF2的另一端连接，所述电阻RM2的另一端与电阻RM3的另一端连接，所述电阻RZ2与电阻RF2的另一端以及电阻RM2与电阻RM3的另一端分别与电容C的另一端连接；
所述程序控制电路的控制芯片采用的是Xilinx的CPLD，所述电阻RM1的另一端和电阻RM2的一端接入该芯片的I/O接口；所述电阻RM4的另一端和电阻RM3的一端接入该芯片的I/O接口；
所述恒流源电路包括运算放大器Ⅱ、三极管M1、三极管M2、三极管M3和电阻R1；所述运算放大器Ⅱ的阳极与10V电源连接，所述运算放大器Ⅱ的输出端与三极管M3的基极连接，所述三极管M3的集电极与三极管M1的基极和集电极连接，所述运算放大器Ⅱ的阴极与三极管M3的发射极连接，所述三极管M3的发射极通过电阻R1接地；所述三极管M1的基极和三极管M2的基极连接，所述三极管M1的发射极和三极管M2的发射极均与15V电源连接，所述三极管M2的集电极与电流积分电路中电阻R的一端连接。
2.根据权利要求1所述的微小电流信号检测装置，其特征在于：在门限控制电路对电容电压进行检测达到Umax后，由程序控制电路开启与输入电流信号对应的反向电流电路，同时关闭输入电流，进入电流积分电路，使电容进行反向充电；反向充电使电容两端电压低于Umin后，由程序控制电路控制电流积分电路的输入，关闭反向放电电流，打开输入电流，再次对电容进行充电；程序控制电路中的控制信号经过处理输出与输入电流对应的频率信号。
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Granted publication date: 20160309 Termination date: 20211230 |
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