一种换向消除偏置电压误差的小电流测量模块的制作方法

1.本实用新型应用于电流检测的技术领域,特别涉及一种换向消除偏置电压误差的小电流测量模块。


背景技术：

2.在测量不快速变换化的直流小信号时，测量系统中对测量电流采样的电阻进行信号采集的运算放大器的精度非常关键。其中运算放大器的偏置电压及其温度漂移对小信号测量的结果会产生较大的影响，容易导致测量数据出现偏差，无法获得需要的准确数据，导致其余模组作出错误响应。偏置电压带来的误差会随着放大倍数放大并叠加到输出电压。在测量过程中，偏置电压的引起的误差直接决定着输出电压的精度，所以如果能消除偏置电压带来的误差，将会提高输出电压的精度，尤其在小电流信号的测量过程中，这种误差带来的影响对进入adc的信号精度更为明显。
3.如申请号为zl2022204349276的中国专利，其公开了一种小电流的信号采集模块，其通过两组模拟开关进行通路的切换，实现每次测量时先断开采样电阻，进行该时刻的偏置电压的测量，并再次队采样电阻连接测量实际电流值，通过测量切换前后两次测量的值做减法后可以有效消除偏置电压带来的误差。然而，在该方案中无法判断测量电流的方向，同时其只能降低偏置电压带来的影响无法降低线路噪声对测量的电流信号的影响。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种能够判断电流方向且能减小线路噪声对电流信号影响的换向消除偏置电压误差的小电流测量模块。
5.本实用新型所采用的技术方案是：本实用新型包括采样电阻、运算放大器、第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关以及第四模拟开关，所述采样电阻的输入端和输出端连接在被测回路中，所述第一模拟开关和所述第三模拟开关的一端均与所述采样电阻的第一采样端连接，所述第一模拟开关和所述第三模拟开关的另一端分别连接至所述运算放大器的正输入端和负输入端，所述第二模拟开关和所述第四模拟开关的一端均与所述采样电阻的第二采样端连接，所述第二模拟开关和所述第四模拟开关的另一端分别连接至所述运算放大器的正输入端和负输入端，所述运算放大器的输出端与模数转换器的输入端连接。
6.由上述方案可见，通过四组模拟开关进行换向切换测量，所述运算放大器的输入端对应连接在采样电阻两端，通过所述第二模拟开关和所述第三模拟开关将所述运算放大器的正负输入端与所述采样电阻的采样端对应连接，通过所述第一模拟开关和所述第四模拟开关将将所述运算放大器的正负输入端与所述采样电阻的采样端反向连接。实现在每次测量时将所述运算放大器的输入端分两次进行换向测量，用两次测量的值做减法除以二，即可得到实际流过所述采样电阻的电流所产生的压降。同时，可以根据相减以后的采样电阻的电压的符号来判断当前电流的方向。该结构能够大大减小了偏置电压带来的测量系小信号时叠加到输入端的偏置电压引起的误差，提高了测量信号的精度，同时相对于现有技
术能够同步检测电流的方向，且无需事先检测电流的方向去调整所述采样电阻的连接状态，达到无论所述采样电阻那边接地均能够进行测量。本申请的信号采集速度取决于电子模拟开关的速度和运算放大器的带宽。
7.一个优选方案是，所述运算放大器的提供的共模电压为所述模数转换器的参考电压的一半。
8.由上述方案可见，通过上述设置使测量装置的量程调整为最大值，提高测量范围和准确度。
9.一个优选方案是，所述第一模拟开关、所述第二模拟开关、所述第三模拟开关以及所述第四模拟开关均为高速低阻值模拟开关，所述第一模拟开关、所述第二模拟开关、所述第三模拟开关以及所述第四模拟开关的控制端均与外部的控制器连接。
10.由上述方案可见，通过控制器进行模拟开关的通断控制，进而将所述采样电阻的检测端对应连接至所述运算放大器，进行正接和反接的切换。
附图说明
11.图1是本实用新型的连接示意图。
具体实施方式
12.如图1所示，在本实施例中，本实用新型包括采样电阻rs和运算放大器u1，其特征在于：所述换向消除偏置电压误差的小电流测量模块还包括第一模拟开关k1、第二模拟开关k2、第三模拟开关k3以及第四模拟开关k4，所述采样电阻rs的输入端和输出端连接在被测回路中，所述第一模拟开关k1和所述第三模拟开关k3的一端均与所述采样电阻rs的第一采样端连接，所述第一模拟开关k1和所述第三模拟开关k3的另一端分别连接至所述运算放大器u1的正输入端和负输入端，所述第二模拟开关k2和所述第四模拟开关k4的一端均与所述采样电阻rs的第二采样端连接，所述第二模拟开关k2和所述第四模拟开关k4的另一端分别连接至所述运算放大器u1的正输入端和负输入端，所述运算放大器u1的输出端与模数转换器的输入端连接。
13.在本实施例中，所述运算放大器u1的提供的共模电压为所述模数转换器的参考电压的一半。
14.在本实施例中，所述第一模拟开关k1、所述第二模拟开关k2、所述第三模拟开关k3以及所述第四模拟开关k4均为高速低阻值模拟开关，所述第一模拟开关k1、所述第二模拟开关k2、所述第三模拟开关k3以及所述第四模拟开关k4的控制端均与外部的控制器连接。所述运算放大器u1为型号是in191a2的运放芯片，所述第一模拟开关k1、所述第二模拟开关k2、所述第三模拟开关k3以及所述第四模拟开关k4均为型号是ts5a22364-q1的模拟开关。
15.本实用新型的工作原理：
16.如图1所示，ii为待测电流，经过所述采样电阻rs差分采样后输入所述运算放大器u1，所述运算放大器u1需要具有参考电压输入提供共模电压。其中，供电为5v，参考电压为2.5v，所述运算放大器u1采样后输出电流为io。
17.当所述第二模拟开关k2和所述第三模拟开关k3闭合，且所述第一模拟开关k1和所述第四模拟开关k4断开时，正常测得采样电阻上流过的电流，经过所述运算放大器u1放大
后测得输出电流为io1，但是输出电流经过固定增益放大后会将运放的偏置电压引起的误差一起放大。
18.通过外部控制器将第一模拟开关k1和所述第四模拟开关k4闭合，所述第二模拟开关k2和所述第三模拟开关k3断开，再次测得经过所述运算放大器u1放大后测得输出电流为io2。然后将两次测得的电流值作差后除以二就可以得到准确的测量电流值，同时根据相减以后的所述采样电阻rs的电压符号来判断当前电流的方向。且测试前无需事先进行电流方向的检测，只需完成连接即可进行测试，能够在测试的同时获取电流方向。


技术特征：
1.一种换向消除偏置电压误差的小电流测量模块，它包括采样电阻（rs）和运算放大器（u1），其特征在于：所述小电流测量模块还包括第一模拟开关（k1）、第二模拟开关（k2）、第三模拟开关（k3）以及第四模拟开关（k4），所述采样电阻（rs）的输入端和输出端连接在被测回路中，所述第一模拟开关（k1）和所述第三模拟开关（k3）的一端均与所述采样电阻（rs）的第一采样端连接，所述第一模拟开关（k1）和所述第三模拟开关（k3）的另一端分别连接至所述运算放大器（u1）的正输入端和负输入端，所述第二模拟开关（k2）和所述第四模拟开关（k4）的一端均与所述采样电阻（rs）的第二采样端连接，所述第二模拟开关（k2）和所述第四模拟开关（k4）的另一端分别连接至所述运算放大器（u1）的正输入端和负输入端，所述运算放大器（u1）的输出端与模数转换器的输入端连接。2.根据权利要求1所述的一种换向消除偏置电压误差的小电流测量模块，其特征在于：所述运算放大器（u1）的提供的共模电压为所述模数转换器的参考电压的一半。3.根据权利要求1所述的一种换向消除偏置电压误差的小电流测量模块，其特征在于：所述第一模拟开关（k1）、所述第二模拟开关（k2）、所述第三模拟开关（k3）以及所述第四模拟开关（k4）均为高速低阻值模拟开关，所述第一模拟开关（k1）、所述第二模拟开关（k2）、所述第三模拟开关（k3）以及所述第四模拟开关（k4）的控制端均与外部的控制器连接。

技术总结
本实用新型旨在提供一种能够判断电流方向且能减小线路噪声对电流信号影响的换向消除偏置电压误差的小电流测量模块。本实用新型包括采样电阻、运算放大器、第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关以及第四模拟开关，采样电阻的输入端和输出端连接在被测回路中，第一模拟开关和第三模拟开关的一端均与采样电阻的第一采样端连接，第一模拟开关和第三模拟开关的另一端分别连接至运算放大器的正输入端和负输入端，第二模拟开关和第四模拟开关的一端均与采样电阻的第二采样端连接，第二模拟开关和第四模拟开关的另一端分别连接至运算放大器的正输入端和负输入端，运算放大器的输出端与模数转换器的输入端连接。本实用新型应用于电流检测的技术领域。用于电流检测的技术领域。用于电流检测的技术领域。


技术研发人员：许胜善 曾帅 李盛平
受保护的技术使用者：珠海市运泰利自动化设备有限公司
技术研发日：2022.06.15
技术公布日：2022/12/2