选择市场上能够提供4. 096伏电压的精密电压参考源。在确定了参考电流I"f之后可知对 数放大器11输出的最大电压=0.5 l〇g (3毫安/0.5微安）=1.8891伏，最小电压=0.5 l〇g (60皮安/0.5微安）=-1.9604伏。为了方便计算和方便选取市场上的精密电阻，在此 选取& = R2，且R3 = 3R4，从而使得对数放大器11输出的-1.9604伏~1.8891伏的电压经 过电平变换电路14后输出的电压范围为[0.1589,4.0084] e [0,4.096)。
[0038] 为了验证电流探测器10的探测精确度，以下将分别对待测电流为100皮安和1毫 安的直流电进行探测。
[0039] 当待测电流是100皮安时，经过对数放大器11放大的电压为0. 5 log (100皮安 /0.5微安）=-1.8495伏，经电平变换电路14后输出的电压为2. 048-(-1.849) = 3. 897 伏。经过模数转换器13后的输出数字码为3. 897X32768/4. 096 = 31176。模数转换器13 的总线接口基于现有的传输协议将输出数字码31176进行传输。控制端处理器（图中未 示出）接收该数字码31176后经过反变换计算即可得知待测电流的大小，反变换计算式为
通过控制端处理器的反变换计算后获得的 电流值的误差仅为〇. 2皮安，因此本发明的电流探测器10实现了对微弱电流的精确探测。
[0040] 当待测电流是1毫安时，经过对数放大器放大的电压为0. 5 log (1毫安/0. 5微 安）=1.6505伏，经电平变换电路14后输出的电压为2. 048-1.6505 = 0.3975伏。经 过模数转换器13后的输出数字码为0. 3975X32768/4. 096 = 3180。模数转换器13的 总线接口基于现有的传输协议将输出数字码3180进行传输。控制端处理器接收该数 字码3180后经过反变换计算即可得知待测电流的大小，反变换计算式为0 5彳鼓安
通过控制端处理器的反变换计算后获得的电流值的误 差仅为0. 0001毫安，因此本发明的电流探测器实现了对微弱电流的精确探测。
[0041] 根据上面的两个测试结果可知，即使微弱电流的动态范围较大（例如从100皮安 至|J 1毫安），电平变换电路14输出的电压的范围却很小（从0. 3975伏到3. 897伏），因此 无需使用量程转换开关，减小了电流探测器10的体积、操作的复杂度和误差。另外电流探 测器10中的对数放大器11的一个输入端子可以直接与输出待测电流的设备连接，减小了 前端电缆带来的误差和噪音。
[0042] 图2是本发明第二个实施例的电流探测器的电路图。其与图1基本相同，区别在 于电流探测器20还包括电压参考源153,电压参考源153的输出端通过电阻R5连接至对数 放大器11的一个输入端子。在某些动态电流范围内，通过增加一个电压参考源153,可以方 便从市场上选择所希望的电阻R5,从而给对数放大器11提供所需要的参考电流。
[0043] 图3是本发明第三个实施例的电流探测器的电路图。其与图2基本相同，区别在 于电流探测器30还包括另一个电压参考源152,且电平变换电路14不包括电阻R3和电阻 R4。电压参考源152的输出端直接电连接至运算放大器141的同相输入端。当电压参考源 152的输出电压等于运算放大器141的同相输入端所需的电压时，可以提高测量的精确度。
[0044] 图4是本发明第四个实施例的电流探测器的电路图。其与图1基本相同，区别在 于电流探测器40不包括低通滤波器12,电平变换电路14的输出端和模式转换器13的一个 输入端直接连接。该电流探测器40适用于测量较少或不存在高频噪声或干扰信号的待测 电流。
[0045] 图5是本发明第五个实施例的电流探测器的电路图。其与图4基本相同，区别在 于电流探测器50中采用恒流源16代替了图4所示的电流探测器40中的电阻R5,且电流探 测器50不包括电平变换电路14,对数放大器11的输出端直接电连接至模数转换器13的一 个输入端。对于电流探测器50,参考电流可选不大于待测电流的最小值。
[0046] 在本发明的其他实施例中，还可以采用其他型号的对数放大器替换上述实施例中 的4127对数放大器。
[0047] 在本发明的其他实施例中，还可以采用其他的低通滤波器，例如LC滤波器替换上 述实施例中的RC滤波器。
[0048] 在本发明的其他实施例中，还可以采用能够提供所需参考电流的电流供应装置或 电压-电流转换装置替换上述实施例中的电阻R5或恒流源。
[0049] 虽然图1至图4中所示的电阻R1~R6都是采用一个电阻器的符号来绘制，但本 发明并非限于这些电阻器为单个的电阻器形式。本领域的技术人员可以根据市场上可选的 多个精密电阻的串联和/或并联形式形成上述实施例中的电阻R1~R6中的一个或多个。 [0050] 虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述 的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
【主权项】
1. 一种电流探测器，其特征在于，包括： 第一电压参考源，用于输出第一参考电压； 电流供应装置，用于输出参考电流； 电流放大装置，包括接收待测电流的第一输入端和接收所述参考电流的第二输入端， 用于根据所述参考电流将所述待测电流转换为相应的电压信号；以及 模数转换器，包括用于接收所述电压信号的第三输入端和用于接收所述第一参考电压 的第四输入端，所述模数转换器用于根据所述第一参考电压将所述第三输入端接收的电压 信号转换为相应的数字信号。2. 根据权利要求1所述的电流探测器，其特征在于，所述电流放大装置为对数放大器。3. 根据权利要求1所述的电流探测器，其特征在于，所述电流放大装置包括： 对数放大器，包括所述第一输入端和所述第二输入端，用于根据所述参考电流将所述 待测电流对数放大为相应的第一电压信号；以及 电平变换电路，所述电平变换电路的输出端连接至所述模数转换器的第三输入端，用 于将所述第一电压信号变换为所述相应的电压信号。4. 根据权利要求1所述的电流探测器，其特征在于，所述电流放大装置包括： 对数放大器，包括所述第一输入端和所述第二输入端，用于根据所述参考电流将所述 待测电流对数放大为相应的第一电压信号； 电平变换电路，用于将所述第一电压信号变换为相应的第二电压信号；以及 低通滤波器，所述低通滤波器的输入端连接至所述电平变换电路的输出端且其输出端 连接至所述模数转换器的第三输入端，用于将所述第二电压信号转换为所述相应的电压信 号。5. 根据权利要求3或4所述的电流探测器，其特征在于，所述电平变换电路包括运算放 大器、第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻的一端连接至所述运算放大器的反 相输入端，所述第一电阻的另一端连接至所述对数放大器的输出端，所述第二电阻的另一 端与所述运算放大器的输出端连接并作为所述电平变换电路的输出端。6. 根据权利要求5所述的电流探测器，其特征在于，所述电平变换电路还包括第三电 阻和第四电阻，所述运算放大器的同相输入端通过所述第三电阻连接至所述第一电压参考 源的输出端，且所述运算放大器的同相输入端通过所述第四电阻接地。7. 根据权利要求5所述的电流探测器，其特征在于，所述电流探测器还包括第二电压 参考源，所述运算放大器的同相输入端直接电连接至所述第二电压参考源的输出端。8. 根据权利要求5所述的电流探测器，其特征在于，所述电流探测器还包括第三电压 参考源，所述电流供应装置为电阻，所述电阻连接在所述第三电压参考源的输出端和所述 第二输入端之间。9. 根据权利要求1至4中任一项所述的电流探测器，其特征在于，所述电流供应装置为 电阻，其连接在所述第一电压参考源的输出端和所述第二输入端之间。10. 根据权利要求1至4中任一项所述的电流探测器，其特征在于，所述电流供应装置 为恒流源，所述恒流源的输出端连接至所述第二输入端。
【专利摘要】本发明提供了一种电流探测器，包括第一电压参考源，用于输出第一参考电压；电流供应装置，用于输出参考电流；电流放大装置，包括接收待测电流的第一输入端和接收所述参考电流的第二输入端，用于根据所述参考电流将所述待测电流转换为相应的电压信号；以及模数转换器，包括用于接收所述电压信号的第三输入端和用于接收所述第一参考电压的第四输入端，所述模数转换器用于根据所述第一参考电压将所述第三输入端接收的电压信号转换为相应的数字信号。本发明的电流探测器避免了放大器的前端电缆和后端信号传输带来的误差和噪音，降低了电缆的质量和长度要求。另外无需量程转换开关，减小了电流探测器的体积、操作的复杂度和误差。
【IPC分类】G01R19/25
【公开号】CN105572462
【申请号】CN201410527768
【发明人】刘利, 郇庆
【申请人】中国科学院物理研究所
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2014年10月9日