一种低电流测量电路

1.本实用新型涉及一种低电流测量电路，属于电力电子技术领域。


背景技术：

2.随着芯片制造工艺以及材料技术的发展，其内部电路和元件所产生的电流微乎其微，要测量十分困难，这对于前期测试和后期维修来说都有所不利，对测量设备的要求也十分严苛。
3.测量小电流有两种基本技术：分流法和反馈安培计法。本实用新型在传统分流法的基础上进行改进，在实际条件下，学生实验用的万用表无法测量微小电流加之传统测量方案对于低电流模块的输出电流大小的测量存在困难；同时，现有实验室中用于检测低电流的仪器大多比较精贵，无法满足大规模实验教学的需求。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种低电流测量电路，以解决现有技术在低电流测量困难的问题。
5.为解决上述问题，本实用新型提供一种低电流测量电路，包括三极管电流检测电路1、减法器电路2、窗口比较器电路3。当所述三极管电流检测电路1正常运行时，发光二极管led1点亮；所述减法器电路2中的运算放大器a1的同相输入端通过电阻r4接于三极管电流检测电路1的可变电阻rtrans的端口1，反相输入端通过电阻r5接于可变电阻rtrans的端口2，从而得到可变电阻rtrans 两端放大后的压降；减法器电路2的输出端接入窗口比较器电路3的输入端，窗口比较器电路3的输出端通过发光二极管led2接地；所述窗口比较器电路3将减法器所得到的可变电阻rtrans两端放大后的压降与预设的压降范围进行比较，当可变电阻rtrans两端放大后的压降在预设的压降范围内时点亮发光二极管 led2。
6.所述三极管电流检测电路1包括电阻r1、r2、r3、发光二极管led1、npn 三极管q1、可变电阻rtrans；电阻r1的一端接电压源vcc1，另一端接发光二极管led1的正极；发光二极管led1负极接npn三极管q1的集电极；三极管 q1的基级接可变电阻rtrans的端口1，射极接电阻r3的一端与地；电阻r3的另一端接可变电阻rtrans的端口2；电阻r2的一端接电压源vcc1，另一端接可变电阻rtrans的端口1。
7.所述减法器电路2包括运算放大器a1、电阻r4、r5、r6；电阻r4的一端接可变电阻rtrans的端口1，另一端接运算放大器a1的同相端；电阻r5的一端接可变电阻rtrans的端口2，另一端接运算放大器a1的反相端；运算放大器a1 的输出端接窗口比较器电路3的输入端；电阻r6的一端接运算放大器a1的反相端，另一端接运算放大器a1的输出端；其中电阻r4阻值等于电阻r5，电阻r6 决定减法器电路(2)输出的放大倍数。
8.所述窗口比较器电路3包括运算放大器a2、a3、电阻r7、r8、r9、r10、发光二极管led2、电压源vcc2；电阻r7的一端接vcc2，另一端与电阻r8的一端相连，电阻r7与电阻r8中间为参考电压uth，参考电压uth接入运算放大器a2 同相端，电阻r8的另一端与电阻r9的一
端相连，电阻r9的另一端接地，电阻 r8与电阻r9中间为参考电压ulh，参考电压ulh接入运算放大器a3反相端；运算放大器a2的反相端和运算放大器a3的同相端相连后接入与减法器电路2的输出端；运算放大器a2的输出端与运算放大器a3的输出端相连构成窗口比较器电路3的输出端后通过电阻r10接vcc1；发光二极管led2的正极接窗口比较器电路3的输出端，负极接地。
9.利用基尔霍夫电流定律将待测电流i1转化为两个较大电流的差值即流经电阻r3的总电流i3和流经可变电阻rtrans的电流i2，同时利用三极管基级和发射级之间的稳压特性，只需求得电阻r3或可变电阻rtrans两者任意一者两端的压降即可计算得到待测电路u的输出电流。
10.具体的，首先利用基尔霍夫电流定律将待测电路u输出的低电流转化为相对较大的两个电流的差，而后利用三极管基级和发射级之间存在稳压的特性；再利用基尔霍夫电压定律得到三极管基级、发射级之间的压差、电阻r3两端的压差、可变电阻rtrans两端的压差之和为零，这使得只需要读取上述任意一路压降即可得到三极管基级与发射级、电阻r3、可变电阻rtrans所构成的闭合回路中的各点的电压关系。利用窗口比较器电路3提供一个电压预设值，通过不断调节可变电阻rtrans的大小来调节可变电阻rtrans两端的压差，当可变电阻rtrans 两端的压差恰好调节至预设压降范围时，窗口比较器电路3输出一电信号点亮具有指示作用灯的发光二极管led2。
11.本实用新型的一种基于上述低电流测量电路的测量过程包括：
12.1、电路供电，所述窗口比较器电路3预设一个初始的小电压窗口，即uth、 ulh；
13.2、接入待测电路u；
14.3、调节可变电阻rtrans的电阻大小，直至三级管电流检测电路1的发光二极管led1和窗口比较器电路3的发光二极管led2正好点亮，此时所述减法器放大电路2输出端的电压处于所述窗口比较器预设电压窗口内；
15.4、根据可变电阻rtrans的总阻值及可变电阻rtrans的两端电压计算出i2，其中可变电阻rtrans的两端电压可由减法器电路2输出端电压除以放大倍数得到。由npn三极管q1基级与发射极之间具有稳压的特性，根据三极管基级与发射极之间的压差和可变电阻rtrans的两端电压，计算出电阻r3两端的电压，计算出i3。再根据基尔霍夫电流定律，待测电路u输出电流i1即为流经电阻r3 的电流i3减去流经可变电阻rtrans的电流i2。
16.本实用新型的有益效果是：该低电流测量电路分散了电流的测量点，使待测电路u中的低电流测量成为可能，且测量方法简单，显著降低了低电流测量电路的操作难度。
附图说明
17.下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
18.图1为本实用新型实施一提供的低电流测量电路的结构示意图；
19.在图1中，待测电路u；电阻r1；电阻r2；电阻r3；电阻r4；电阻r5；电阻r6；电阻r7；电阻r8；电阻r9；电阻r10；可变电阻rtrans；发光二极管 led1；发光二极管led2；电压源vcc1；电压源vcc2；待测电流i1；流经可变电阻rtrans的电流i2；总电流i3。具体实施方式
20.以下结合附图和具体实例对本实用新型提出一种低电流测量电路作进一步详细
说明。根据下面的说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是附图均采用非常简化的形式且均使用非精确的比例仅用以方便、清晰地辅助说明本实用新型实施例的目的
实施例一
21.请参考图1。图1为本实用新型实施例提供的低电流测量电路的结构示意图。
22.如图1所示，本实用新型实施例一提供一种低电流测量电路，其包括电压源 vcc1、电压源vcc2、三极管电流检测电路1、减法器电路2、窗口比较器电路3；所述三极管电流检测电路1包括电阻r1、r2、r3、发光二极管led1、npn三极管q1、可变电阻rtrans；所述减法器电路2包括运算放大器a1、电阻r4、r5、 r6；所述窗口比较器电路3包括运算放大器a2、a3、电阻r7、r8、r9、r10、发光二极管led2、电压源vcc2；其中所述三极管电流检测电路1中的电阻r1的一端接电压源vcc1，另一端接发光二极管led1的正极；发光二极管led1负极接 npn三极管q1的集电极；三极管q1的基级接可变电阻rtrans的端口1，发射极接电阻r3的一端与地；电阻r3的另一端接可变电阻rtrans的端口2；电阻 r2的一端接电压源vcc1，另一端接可变电阻rtrans的端口1；所述减法器电路 2中的电阻r4的一端接可变电阻rtrans的端口1，另一端接运算放大器a1的同相端；电阻r5的一端接可变电阻rtrans的端口2，另一端接运算放大器a1的反相端；运算放大器a1的输出端接窗口比较器电路3的输入端；电阻r6的一端接运算放大器a1的反相端，另一端接运算放大器a1的输出端。运算放大器a1 的输出端作为减法器电路2的输出接入窗口比较器电路3；所述窗口比较器电路 3中的电阻r7的一端接vcc2，另一端与电阻r8的一端相连，电阻r7与电阻r8 中间为参考电压uth，参考电压uth接入运算放大器a2同相端。电阻r8另一端与电阻r9的一端相连，电阻r9的另一端接地，电阻r8与电阻r9中间为参考电压ulh；参考电压ulh接入运算放大器a3反相端；运算放大器a2的反相端和运算放大器a3的同相端相连后接入与减法器电路2的输出端；运算放大器a2的输出端与运算放大器a3的输出端相连构成窗口比较器电路3的输出端后通过电阻 r10接vcc1；发光二极管led2的正极接窗口比较器电路3的输出端，负极接地。
23.本实用新型提供的一种基于上述低电流测量电路的测量过程包括：
24.1、电路供电，所述窗口比较器电路3预设一个初始的小电压窗口，即uth、 ulh；
25.2、接入待测电路u；
26.3、调节可变电阻rtrans的电阻大小，直至三级管电流检测电路1的发光二极管led1和窗口比较器电路3的发光二极管led2正好点亮，此时所述减法器电路2输出端的电压处于所述窗口比较器预设电压窗口内；
27.4、根据可变电阻rtrans的总阻值及可变电阻rtrans的两端电压计算出i2，其中可变电阻rtrans的两端电压可由减法器电路2输出端电压除以放大倍数得到。由npn三极管q1基级与发射极之间具有稳压的特性，根据三极管基级与发射极之间的压差和可变电阻rtrans的两端电压，计算出电阻r3两端的电压，计算出i3。再根据基尔霍夫电流定律，待测电路u输出电流i1即为流经电阻r3 的电流i3减去流经可变电阻rtrans的电流i2。
28.本实例提供的低电流测量电路通过将待测电路u的输出端接入可变电阻 rtrans和电阻r3之间，将待测电路u的输出电流转化为流经可变电阻rtrans 和电阻r3两者电流的差值，其中流经可变电阻rtrans的电流可以由可变电阻 rtrans两端电压除以阻值得知，其
中可变电阻rtrans阻值容易得知，其两端电压由减法器电路2和窗口比较器电路3得知，具体方法为将减法器电路2输入端接于可变电阻rtrans两端，减法器电路2输出端与窗口比较器电路3输入端相连接，不断调节可变电阻rtrans的阻值大小，当窗口比较器电路3输出比较信号时即发光二极管led2点亮时，表明可变电阻rtrans两端电压在预设压降范围内。又由三极管基级与发射级之间存在稳压特性，由三极管稳压压降减去可变电阻rtrans两端电压即可得到电阻r3两端电压。该低电流测量电路分散了电流的测量点，使待测电路u中的低电流测量成为可能(例如小于10na的低电流)，且测量方法简单，显著降低了低电流测量电路的操作难度。
29.可以想到的是，由于待测电路u输出电流较小，其引起的电压变化也十分细微，因此需要将细微的变化进行放大以便后续比较等操作。
30.可以想到的是，为保证所得电流的精确性，窗口比较器所开电压窗口应该取得十分小，其窗口大小应该在0.01v左右。
31.在本实施例中，减法器电路2输出端接入窗口比较器电路3输入端，当可变电阻rtrans阻值慢慢调大时，减法器电路2输出电压会逐渐向上抬升，而窗口比较器电路3比较电压的下限保持在一个较高的电压点上，一开始窗口比较器电路3只会输出低电平，当减法器电路2输出电压等于窗口比较器电路3的下限电压时，窗口比较器电路3的输出跳到高电平，即所述比较信号，此时发光二极管 led2点亮。
32.可以想到的是，当可变电阻rtrans阻值慢慢调小时，减法器电路2输出电压会逐渐向下降低，而窗口比较器电路3比较电压的上限保持在一个较低的电压点上，一开始窗口比较器电路3只会输出低电平，当减法器电路2输出电压等于窗口比较器电路3的上限电压时，窗口比较器电路3的输出跳到高电平，即所述比较信号，此时发光二极管led2点亮。故本实用新型并不限定所述比较信号为高电平或低电平，即若所述窗口比较器电路3在两个电压值相等时跳变为低电平，其亦可作为一个比较信号来实现该测量方法，本实用新型也意图包含该技术方案在内。
33.可以想到的是，本实用新型还可以将电阻r8的一端接入运算放大器a3的反相端，电阻r8的另一端接入运算放大器a2的同相端，其比较信号也会相应地变为高电平或低电平，也亦能起到其作用，故本实用新型也意图包含这些技术方案在内。
34.可以想到的是，所述窗口比较器电路3可为任何现有的能够实现两个输入值比较功能的比较电路，如单比较器电路或比较器电路与其它电路元件组合而构成的其它现有比较电路，本实用新型并不限定其具体结构，只着眼于其能够实现的功能，故本实用新型也意图包含这些技术方案在内。
35.可选的，所述窗口比较电路3还包括电阻r10，电阻r10的两端分别接在电压源vcc1和发光二极管led2的一端。电阻r10的设计在窗口比较器电路3中起到上拉电阻的作用，有利于在调节可变电阻rtrans时减法器电路2的输出端电压变化的灵敏度，使该低电流测量电路及其测量方法的测量工作更为高效。
36.在本实施例中，考虑到待测电路u的输出端电压变化的灵敏度，电阻r2的阻值选择较为适中，为5kohms～100kohms，例如10kohms。
37.可以想到的是，本实用新型并不限定电阻r10的阻值，只要电阻r10的阻值不会影响低电流的测量，则本实用新型也会将这些阻值选择包含在内。
38.下面结合图1，提供一个具体的实施例阐述该低电流测量电路的具体原理：
39.假设待测电路u的被测电流为10na，电阻r1阻值大小为1kohms,电阻r2 阻值大小为47kohms，电阻r3的阻值大小为1kohms，电压源vcc1大小为12v，电压源vcc2大小为12v，npn三极管q1型号为mps3904，减法器电路2中电阻 r4阻值大小为10kohms，电阻r5阻值大小为10kohms，电阻r6阻值大小为100 kohms，窗口比较器电路3中电阻r10阻值大小为10kohms。
40.首先预设窗口比较器电路3的窗口大小，由于所采用的三极管基级和发射级稳压值在0.7v左右，为保证电路稳定，固定取窗口比较器电路3的窗口在0.7v 的1/2处，由上述条件可知减法器电路2将电压放大了十倍，因此设定其下限电压为3.50v，上限电压为3.51v。从减小误差的角度考虑，取发光二极管led2 点亮时可变电阻rtrans两端电压为3.505v。由于电压源vcc2大小为12v，因此计算得电阻r7大小为35.0kohms，电阻r8大小为0.1kohms，电阻r9大小为 84.9kohms。
41.不断调节可变电阻rtrans大小使窗口比较器电路3输出比较信号，即发光二极管led2点亮时，得到可变电阻rtrans阻值r
trans
为14.07kohms,可变电阻 rtrans两端电压u
trans
为0.3505v，因此流经可变电阻rtrans的电流：由此计算得流经电阻r3的电流：由此待测电路u电流值大小为i1＝i3-i2＝10.05na
42.将被测电流的理想值与实际值相比较，则该低电流测量电路的精度误差为：即其精度为99.5％，可见其精度之高。
43.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些改动和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。