一种高精度大量程低压差电流测量电路的制作方法

1.本发明属于电流测量技术领域，具体涉及一种高精度大量程低压差的电流检测电路。


背景技术：

2.随着技术的进步，电子设备的功耗越来越低，低功耗时的功耗可能在纳安级，但高功耗工作时，电流又可能在安培级别。要测量这样的电流就需要宽量程的模数转换器，比如需要30位的adc才能实现na～a跨度的电流测量，目前市面上还没有如此高位数的adc，而且随着adc转换结果位数的上升，adc的转换时间越长，这样，采用一个采样电阻要实现大量程电流的高速采样是不可能的。另外，在实现某些传感器物理量检测时，电流变化大，也有需要对大量程电流进行高精度测量的需求。
3.目前已有的电阻切换方案都是处理器通过判断测量结果超量程，通过引脚切换采样电阻来实现，这种方式需要处理器的程序执行配合，切换时间不可能做的很快，若电流变化剧烈，则采集到的数据很多是无效的，不能反应电流的真实变化。另外，多个开关和电阻是并联的，采样电阻级数越多，对应开关级数越多，采样压降也越大，也不能适应对采样压降有严格要求的领域。


技术实现要素：

4.为适应电流测量技术领域的实际需求，本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种高精度大量程低压差的电流检测电路，以实现大量程高精度的电流测量。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高精度大量程低压差电流测量电路，包括：微处理器、模数转换器和多个采样电阻r1～rn，每个采样电阻有对应的输出放大器、自动分流调节模块和分流门；
6.所述采样电阻r1～rn依次串联连接后一端与电流输入端连接，另一端接地，采样电阻r1设置在电流输入端，采样电阻rn设置在接地端；n大于等于2，表示采样电阻的个数；r1＞r2
……
＞rn；
7.各个所述采样电阻对应的输出放大器的正向输入端与采样电阻的近电流输入端连接，输出端与所述模数转换器连接，所述自动分流调节模块包括运算放大器，所述运算放大器的正端连接比较阈值电压vth，负端连接对应的采样电阻的近电流输入端，输出端连接分流门的控制端，分流门的一端与电流输入端连接，另一端与对应的采样电阻的近电流输出端连接；
8.所述模数转换器的输出端与所述微处理器连接，所述微处理器用于根据所述模数转换器的输出电压，判断各个分流门的状态，进而计算出待测电流值。
9.所述采样电阻满足以下条件：
10.rn-1/rn＝y，n＝1
……
n；
11.其中，y表示大于1的比例常数。
12.所述y的取值为10。
13.所述分流门包括一个nmos管或者一个pmos管，其栅极与对应的运算放大器的输出端连接。
14.所述分流门包括多个nmos管或者多个pmos管，其栅极与对应的运算放大器的输出端连接。
15.当所述分流门包括多个nmos管或者pmos管时，各个nmos管或者pmos管的漏极连接在一起，源极连接在一起，栅极连接在一起。
16.当所述分流门为nmos管时，其漏极与电流输入端连接，源极与对应采样电阻的近电流输出端连接；
17.当所述分流门为pmos管时，其源极与电流输入端相连接，漏极与对应电流采样电阻的近电流输出端相连接。
18.所述微处理根据所述模数转换器的输出电压，判断各个分流门的状态，进而计算出电流值的具体步骤为：
19.s1、判断采样电阻r1对应输出放大器的输出电压v1是否小于vth*t*x，若是，则待测电流i＝v1/x/(r1+r2+
……
+rn)，若否，则进入步骤s2；
20.s2、判断采样电阻r2对应的输出放大器的输出电压v2是否小于vth*t*x，若是，则待测电路i＝v2/x/(r2+
……
+rn)，若否，则进入步骤s3；
21.s3、判断采样电阻r3对应输出放大器的输出电压v3是否小于vth*t*x，若是，则待测电流i＝v3/x/(r3+
……
+rn)；若否，则进入步骤s4；
22.……
23.sn、判断采样电阻rn对应输出放大器的输出电压vn是否小于vth*t*x，若是，则待测电流i＝v3/x/(rn)；其中，x表示输出放大器的放大倍数,t表示安全系数。
24.所述输出放大器的正端与对应采样电阻的近电流输入端连接，负端经电阻接地，输出端与负端之间连接有反馈电阻。
25.所述采样电阻的个数n为2～10个。
26.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
27.1、本发明提供了一种高精度大量程低压差的电流检测电路，自动分流调节电路将对应采样电阻上的电压和预设门限电压比较，从而自动控制分流门的开闭程度，实现电流的自动分流，实现不同阻值的电流采样电阻的高速切换。测量大电流时，小的采样电阻的采样电压作为有效输出。这样就可以实现任意大的电流测量范围，理论上量程只受放大器输出的输入噪声和输入端电流限制。
28.2、自动分流调节模块可以对整个电路的采样压降进行设定，保证在整个电流量程范围内，电路的总体电流采样压降不会超过预先设定的阈值。
29.3、本发明采用简单的自动化电路进行采样电阻的高速切换，并且可控制本电路的总体采样压降，可满足高速大量程电流的测量需求，并且采样后端不需要做变化，具有低成本，高可靠性和广泛的实施性，可以实现电流的大量程高精度测量，可以广泛应用于很多领域。
附图说明
30.图1为本发明实施例一提供的一种高精度大量程低压差的电流检测电路的电路原理图；
31.图2为本发明实施例二提供的一种高精度大量程低压差的电流检测电路的电路原理图；
32.图3为本发明实施例三提供的一种高精度大量程低压差的电流检测电路的电路原理图。
33.具体实施例方式
34.为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.实施例一
36.如图1所示，本发明实施例一提供了一种高精度大量程低压差电流测量电路，其包括采样电阻r1、采样电阻r2、运算放大器u2、运算放大器u4、输出放大器u1、输出放大器u3，mos管q1、mos管q2和mos管q3、模数转化器u5和微处理器。其中采样电阻r1与运算放大器u2、mos管q1和输出放大器u1对应，采样电阻r2与运算放大器u4、输出放大器u3和mos管q2和mos管q3对应。
37.其中，采样电阻r1和r2依次串联连接后一端与电流输入端连接，另一端接地，采样电阻r1设置在电流输入端，采样电阻r2设置在接地端。
38.各个所述采样电阻对应的输出放大器的输入端与采样电阻的近电流输入端连接，输出端与所述模数转换器u5连接，所述运算放大器的正端连接比较阈值电压vth，负端连接对应的采样电阻的近电流输入端，输出端连接对应的mos管的控制端，mos管的一端与电流输入端连接，另一端与对应的采样电阻的近电流输出端连接。所述模数转换器的输出端与所述微处理器连接，所述微处理器用于根据所述模数转换器的输出电压，判断各个分流门的状态，进而计算出待测电流值。本实施例中，运算放大器u2和u4作为自动分流调节模块，其通过比较一个固定的电压阈值和对应采样电阻近电流输入端的电压，自动调整分流门的开度，即自动调整电流路径，实现采样采样电阻的自动高速切换；
39.具体地，所述mos管q1、q2和q3可以为nmos管或者pmos管，其栅极与对应的运算放大器的输出端连接。当所述mos管为nmos管时，其漏极与采样电阻r1的近电流输入端连接，源极与对应采样电阻的近电流输出端连接；当所述mos管为pmos管时，其源极与采样电阻r1的近电流输入端相连接，漏极与对应电流采样电阻的近电流输出端相连接。
40.本实施例中，采样电阻r2对应有2个mos管(q2和q3)，这两个mos管的漏极连接在一起，源极连接在一起，栅极连接在一起。
41.具体地，本实施例中，所述采样电阻满足以下条件：
42.r2/r1＝y；
ꢀꢀꢀ
(1)
43.其中，y表示大于1的比例常数。
44.具体地，本实施例中，所述y的取值为10，则采样电阻r1和r2的阻值可以是1k欧姆和100欧姆，或者100欧姆和10欧姆。
45.实施例二
46.如图2所示，本发明实施例二提供了一种高精度大量程低压差电流测量电路，其包括其包括采样电阻r1、采样电阻r2、采样电阻r3、运算放大器u2、运算放大器u4、运算放大器u6、输出放大器u1、输出放大器u3和输出放大器u5，mos管q1、mos管q2、mos管q3、mos管q4、mos管q5、模数转化器u5和微处理器。其中采样电阻r1与运算放大器u2、mos管q1和输出放大器u1对应，采样电阻r2与运算放大器u4、输出放大器u3和mos管q2对应，采样电阻r3与运算放大器u6、输出放大器u5、mos管q5～q5对应。
47.其中，采样电阻r1、r2、r3依次串联连接后一端与电流输入端连接，另一端接地，采样电阻r1设置在电流输入端，采样电阻r3设置在接地端。
48.各个所述采样电阻对应的输出放大器的输入端与对应的采样电阻的近电流输入端连接，输出端与所述模数转换器u5连接，所述运算放大器的正端连接比较阈值电压vth，负端连接对应的采样电阻的近电流输入端，输出端连接对应的mos管的控制端，mos管的一端与电流输入端连接，另一端与对应的采样电阻的近电流输出端连接。所述模数转换器的输出端与所述微处理器连接，所述微处理器用于根据所述模数转换器的输出电压，判断各个分流门的状态，进而计算出待测电流值。
49.具体地，所述mos管q1～q5可以为nmos管或者pmos管，其栅极与对应的运算放大器的输出端连接。当所述mos管为nmos管时，其漏极与电流输入端连接，源极与对应采样电阻的近电流输出端连接；当所述mos管为pmos管时，其源极与电流输入端相连接，漏极与对应电流采样电阻的近电流输出端相连接。
50.本实施例中，采样电阻r3对应有3个mos管(q3～q5)，这两个mos管的漏极连接在一起，源极连接在一起，栅极连接在一起。
51.具体地，本实施例中，所述采样电阻满足以下条件：
52.r3/r2＝r2/r1＝y；
ꢀꢀꢀ
(2)
53.其中，y表示大于1的比例常数。
54.具体地，本实施例中，所述y的取值为10，则采样电阻r1～r3的阻值可以是1k欧姆、100欧姆和10欧姆。
55.如图3所示，本实施例中，运算放大器u2、运算放大器u4、运算放大器u6形成自动分流调节功能，称之为自动分流调节模块，mos管q1～q5实现分流门的功能，输出放大器u1，u3，u5用于实现输出信号放大的功能。模数转换器u5用于实现模数转换，便于微处理器进行数据运算。
56.设定整个电路的最大采样压降为vth，由特定分压电路产生即可。采样电阻的阻值满足条件：r1＞r2＞r3，并且阻值有如下关系r1/r2＝r2/r3＝y,放大器输出u1,u3,u5的放大倍数统一为x，保证vth*x不大于模数转换器adc的最大输入电压。另外，需要设定一个安全系数t，这里设定为0.8。即只要模数转换器adc检测到某一级采样电阻的对应的放大器输出信号小于th*x*0.8，就断定该采样电阻对应的分流门关闭，该采样电阻的采样电压有效，即对应的放大器输出的输出有效。
57.1、本实施例中，自动分流调节功能主要由一个运算放大器实现。具体工作原理如下：运算放大器(u2、u4、u6)的正端连接比较阈值电压vth，运算放大器的负端接对应采样电阻的近电流输入端。当对应采样电阻上的电压v《vth，如v＝vth*0.8,则运算放大器输出为
高，对应mos管完全关闭，此时mos管的源极和漏极之间的电压小于vth，则mos管的漏电流极小，可认为电流全部从对应采样电阻上流过，对应放大器输出有效。当电流逐渐增大，对应运算放大器负端电压升高，运算放大器的输出电压降低，对应的mos管逐渐打开。当mos管逐渐打开时，流过mos管的电流逐渐增大，流过对应电阻的电流基本不变了。可知本实施例中的自动分流调节模块实现了电流自动分流，电流流经路径随电流大小变化，从而实现了大电流流过小电阻，小电流流过大电阻的目的。即测量小电流时，大的采样电阻的采样电压作为有效输出；测量大电流时，小的采样电阻的采样电压作为有效输出。这样就可以实现任意大的电流测量范围，理论上量程只受放大器输出的输入噪声和输入端电流限制。此外，通过自动分流调节比较电压，也控制住了本电路的总体压降，自动分流调节是本发明的核心部件。
58.电流从电流输入端进入本电路，设为i。
59.若i*(r1+r2+r3)《vth*0.8,则运算放大器u2，u4，r6输出高，控制的mos管q1、q2、q3、q4、q5均为关闭状态，此时放大器输出u1的输出为v1＝i*(r1+r2+r3)*x，处理器通过模数转换器adc获取到该电压值v1《vth*0.8*x，则推算出待测电流i＝v1/x/(r1+r2+r3)。
60.若i*(r1+r2+r3)》vth*0.8,处理器通过模数转换器adc获取到u1的输出电压v1＝i*(r1+r2+r3)*x》v1*0.8*x,则不确定u2的输出状态，即不确定q1是否已经开始开启，部分电流可能通过q1流过。则继续获取r2上的电压通过u3放大后的电压值v2＝i*(r2+r3)*x,若i*(r2+r3)《vth*0.8,则断定采样电阻r2对应的分流门没有开启，即所有待测电流均流过了r2和r3，可以推算出电流为v2/x/(r2+r3)。
61.依次类推，微处理器通过模数转换器adc采集所有放大器输出的电压，从近电流输入端的采样电阻开始计算，若放大器输出的输出v《vth*0.8*x，电流值为v/rsum(rsum代表对应采样电阻及以下所有采样电阻电阻之和)；若放大器输出的输出v》vth*0.8*x,则看下一个采样电阻对应放大器输出的输出，因为采样电阻越来越小，总有一个放大器输出的输出小于vth*0.8*x，即能计算出待测电流大小。
62.进一步地，本实施例中，所述输出放大器的正端与对应采样电阻的近电流输入端连接，负端经电阻接地，输出端与负端之间连接有反馈电阻。本实施例中，采样电阻r3对应的分流门示意性的使用了三个pmos管，是因为电流比较大的时候，mos管也是有内阻的，电流流过时产生对应的压降。故并联mos管可在大电流情况下减小本电路的采样压降。
63.进一步地，本实施例中，仅设置了三个采样电阻及其对应的放大器输出、自动分流调节和分流门。实际应用中，可根据待测电流量程需要，设置更多级的采样电阻和对应线路。也就是说，所述采样电阻的个数还可以为四个，或者更多，例如10个。
64.假设采样电阻r1～rn依次串联连接后一端与电流输入端连接，另一端接地，且采样电阻r1设置在电流输入端，采样电阻rn设置在接地端；优选地，各个采样电阻满足以下条件：
65.rn-1/rn＝y，n＝1
……
n；
ꢀꢀꢀ
(3)
66.其中，y表示大于1的比例常数。
67.应做说明的是，本发明中，相邻两个采样电阻的阻值的比值也可以不同，可以根据实际测量需要设定，根据上述说明书的教导，本领域技术人员可以知晓，本发明中，相邻两个采样电阻的阻值比与对应量程之间的倍数关系对应。
68.进一步地，本实施例中，假定采样电阻个数为n,微处理器计算出电流值的具体步骤为：
69.s1、判断采样电阻r1对应输出放大器的输出电压v1是否小于vth*t*x，若是，则待测电流i＝v1/x/(r1+r2+
……
+rn)，若否，则进入步骤s2；
70.s2、判断采样电阻r2对应的输出放大器的输出电压v2是否小于vth*t*x，若是，则待测电路i＝v2/x/(r2+
……
+rn)，若否，则进入步骤s3；
71.s3、判断采样电阻r3对应输出放大器的输出电压v3是否小于vth*t*x，若是，则待测电流i＝v3/x/(r3+
……
+rn)；若否，则进入步骤s4；
72.……
73.sn、判断采样电阻rn对应输出放大器的输出电压vn是否小于vth*t*x，若是，则待测电流i＝v3/x/(rn)；其中，x表示输出放大器的放大倍数，t表示安全系数，可以设定为0.8或者其它常数。
74.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例例技术方案的范围。