充電式便攜低采樣壓降的μA微電流監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及充電式便攜低采樣壓降的μA微電流監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用低采樣壓降、低功耗設(shè)計，運算放大器是低偏置電流，低噪聲精密斬波型放大器，以μA級微電流I/V轉(zhuǎn)換電路為核心，通過多種抗干擾保護電路。采用單節(jié)鋰電池作為電能的存儲和供應(yīng)單元，能夠通過充電開關(guān)選擇USB充電，通過供電選擇開關(guān)選擇系統(tǒng)供電，系統(tǒng)供電來源于USB配合鋰電池，完成μA微電流的監(jiān)測。本發(fā)明可作為便攜式測量儀器使用，可以在室內(nèi)或室外以及其他需要監(jiān)測的地方，在室內(nèi)外均可有鋰電池供電，也可以由USB供電。本發(fā)明監(jiān)測儀尺寸僅為手掌大小，重量輕、方便攜帶、監(jiān)測精度高、價格便宜和測試方便，按要求插上待監(jiān)測微電流可以測試出對應(yīng)的轉(zhuǎn)換電壓值。
【專利說明】
充電式便攜低采樣壓降的μΑ微電流監(jiān)測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及微電流監(jiān)測領(lǐng)域，特別是涉及充電式便攜微電流監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著低功耗的迅猛發(fā)展，微控制器控制系統(tǒng)的器件電壓越來越低，3.3V、2.5V、
1.2V和IV，大多數(shù)低功耗器件待機狀態(tài)下電流都為μΑ級，而一般高檔的4位半或45/6位萬用表在μΑ檔最低也會產(chǎn)生0.lmV/μΑ的壓降，且體積龐大，價格昂貴。例如當(dāng)系統(tǒng)中通信模塊工作消耗16mA電流時，由電流采樣電阻帶來的電壓損失就有1.6V，使通信模塊的供電電壓下降到3.3-1.6 = 1.7V而不能正常工作。若供電電壓更低，影響會更大。常規(guī)的μΑ監(jiān)測儀體積大，電源不可充電，價格昂貴，不便于可移動監(jiān)測，在一些特定位置無法進行測量。因此，測量低壓降的μΑ級微電流的技術(shù)具有重要意義。
[0003]為此，本發(fā)明完成了一種充電式便攜μΑ級微弱直流電流的高精度檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的μΑ級監(jiān)測儀壓降大，體積大，功耗大，布線復(fù)雜度高，價格高且不可充電而造成的使用不便，為此本發(fā)明實現(xiàn)的電流測量工具，其μΑ檔采樣電阻為高精度低阻值，在測量電流時產(chǎn)生的壓降很低，完全能保證器件的正常工作。本發(fā)明監(jiān)測儀尺寸僅為手掌大小，充電式便攜，按要求插上待監(jiān)測微電流可以測試出對應(yīng)的轉(zhuǎn)換電壓值。
[0005]本發(fā)明可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0006]充電式便攜低采樣壓降的μΑ微電流監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于相應(yīng)監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)的，該監(jiān)測設(shè)備包括設(shè)備外殼體和電路板，電路板上包括電源開關(guān)、USB充電接口、鋰電池、I/V轉(zhuǎn)換電路、供電選擇開關(guān)。電路板固定在設(shè)備外殼體內(nèi)。設(shè)備外殼體為一規(guī)則金屬小長方體;設(shè)備外殼體內(nèi)部上方的電路板前板面的中間固定I/V轉(zhuǎn)換電路;外殼體內(nèi)部上方的電路板左側(cè)設(shè)有電源開關(guān)、USB充電接口開關(guān)、供電選擇開關(guān);外殼體內(nèi)部上方的電路板右側(cè)固定微電流監(jiān)測外接線端子;外殼體內(nèi)部下方的電路板設(shè)有鋰電池接口、鋰電池固定裝置。
[0007]充電式便攜低采樣壓降的μΑ微電流監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測終端包括四大部分:1/V轉(zhuǎn)換電路部分、電源管理部分、保護部分和接口電路部分;I/V轉(zhuǎn)換電路部分由I/V轉(zhuǎn)換運算放大器和電壓發(fā)生器電路組成；電源管理部分由充電管理電路、供電管理電路和電池電壓監(jiān)測電路組成;保護部分由大面積地電路和BNC插頭屏蔽線組成。
[0008]電源管理電路與I/V轉(zhuǎn)換電路相連接，電流輸入端與電壓發(fā)生器相連接，電壓發(fā)生器與I/V轉(zhuǎn)換電路相連接，I/V轉(zhuǎn)換電路與接口電路相連接，接口電路與BNC插頭相連接。充電管理電路與電池相連接，電池與供電電路相連接，電池電壓監(jiān)測電路與供電電路相連接。
[0009]本系統(tǒng)采用單節(jié)鋰電池作為電能的存儲和供應(yīng)單元，以I/V轉(zhuǎn)換電路為核心，能夠通過充電開關(guān)選擇充電方式為USB充電，通過供電選擇開關(guān)選擇系統(tǒng)供電，系統(tǒng)供電來源于USB配合鋰電池。本發(fā)明將單節(jié)鋰電池輸出或者外部充電部分的輸出與電源供應(yīng)電路相連，目的是為I/V轉(zhuǎn)換電路、運算放大器以及其他各個電路部分提供可用的高品質(zhì)供電，滿足了供電要求。
[0010]實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的各單元模塊分別為:I/V轉(zhuǎn)換電路單元、充電單元、供電單元、電壓發(fā)生器單元、保護單元和接口單元;其中充電單元與供電單元相連接，供電單元與各個電路部分相連接，電壓發(fā)生器單元與Ι/v轉(zhuǎn)換電路相連接，I/V轉(zhuǎn)換電路的輸出與輸出接口電路相連接，方便調(diào)試。接線端子都采用高性能絕緣線與內(nèi)部電路相連，采用高性能插頭屏蔽線與外部測量電路相連。
[0011 ]下面對各部分模塊單元進行具體說明。
[0012]I/V轉(zhuǎn)換電路單元包括運算放大器、反饋回路單元。反饋回路分別與運算放大器的反相輸入端和輸出端相連接。
[0013]充電單元包括USB充電控制電路、電池和電壓指示電路。USB充電控制電路分別與電池和電壓指示電路相連接。
[0014]供電單元包括穩(wěn)壓電路、+/-2.5V分壓電路和電池電量指示電路。
[0015]電池與穩(wěn)壓電路相連接，電壓電量指示電路與供電電路相連接。+/-2.5V分壓電路與供電電路相連接。
[0016]輸入單元包括μΑ微電流輸入端、運算放大器輸入端、反饋電阻連接的輸入端。μΑ微電流輸入端與電壓發(fā)生器相連接，電壓發(fā)生器與運算放大器的同相輸入端相連接。反饋電阻與運算放大器的反相輸入端相連接。
[0017]保護單元包括大面積地和抗干擾的絕緣線。
[0018]接口單元包括輸入輸出接線端子，抗干擾的外絕緣接線柱、內(nèi)部采用高絕緣性能的絕緣導(dǎo)線引出和高絕緣性能抗干擾的測試線。輸入輸出端與BNC接線端子相連接。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明可以獲得以下有益效果。
[0020]本發(fā)明與目前各類μΑ微電流監(jiān)測系統(tǒng)相比，采樣壓降低，精度高，可設(shè)置USB接口對內(nèi)置鋰電池進行充電。本發(fā)明的電路部分均采用低功耗低偏置電流、高絕緣抗干擾設(shè)計，整個系統(tǒng)在很低的功耗下運行，既節(jié)省電池電量的使用，使得設(shè)備在單純電池供電的情況下可以長時間工作。又可以減小熱噪聲干擾。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)微電流μΑ精確監(jiān)測。本發(fā)明可以作為便攜式設(shè)備，放置在室內(nèi)或者室外以及其他需要監(jiān)測的地方，在室內(nèi)可以連接USB充電配合鋰電池使用，鋰電池供電使用。本發(fā)明可作為微電流μΑ監(jiān)測終端、可配合普通萬用表使用，具有體積小，重量輕，方便攜帶和測量，低功耗的特點。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0022]圖2為本發(fā)明的電路板的電路原理圖；
[0023]圖3.1為本發(fā)明的電路板的USB充電電路原理圖；
[0024]圖3.2為本發(fā)明的電路板的電源電路原理圖；
[0025]圖4為本發(fā)明的電路板結(jié)構(gòu)框圖。
[0026]圖中:1、電壓發(fā)生器，2、I/V轉(zhuǎn)換電路，3、USB充電電路，4、電池電量監(jiān)測電路，5、電源供電穩(wěn)壓電路，6、+/-2.5V分壓電路。
【具體實施方式】
[0027]以下將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0028]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖，本發(fā)明所用I/V轉(zhuǎn)換電路的運算放大器是低偏置電流，低噪聲精密斬波型放大器。本發(fā)明按照放大電路的計算方法，設(shè)計相應(yīng)電路原理圖，繪制印刷電路板。本發(fā)明設(shè)置到μΑ檔，輸入接到電流測量接線端子上，輸出接到萬用表的電壓輸入上，顯示電壓數(shù)值與測量電流數(shù)值的關(guān)系為lyA/mV。本系統(tǒng)包括大面積地電路和抗干擾的絕緣線。大面積地電路保護Ι/v轉(zhuǎn)換電路不受干擾;接線端子和測試線采用高絕緣和抗干擾的絕緣線，改善電路抗干擾能力。
[0029]圖2為本發(fā)明的電路板的電路原理圖。電路板的電路包括電壓發(fā)生電路1、I/V轉(zhuǎn)換電路2。整個結(jié)構(gòu)的框圖如圖4所示。
[0030]電壓發(fā)生器電路I與I/V轉(zhuǎn)換電路2的運算放大器同相輸入端相連，從而為整個電路提供測試信號。μΑ微電流通過高精度低值測試電阻，產(chǎn)生很低的測試電壓降，再通過I/V轉(zhuǎn)換電路進行放大。
[0031]I/V轉(zhuǎn)換電路2通過高精度運算放大器，偏置電流很小和極低的超調(diào)電壓，確保I/V轉(zhuǎn)換的精度。μΑ級微電流經(jīng)過J1、J2接線端子輸入，電壓發(fā)生器將其轉(zhuǎn)換成的低電壓信號進入運放大器的同相端，借助運放的放大作用，使得ΙμΑ對應(yīng)輸出ImV電壓，通過J3、J4接線端子輸出。Jl、J2、J3和J4接線端子采用內(nèi)部高絕緣的導(dǎo)線，以保證高抗干擾性能。與接線端子相連的測試導(dǎo)線也采用高絕緣性能的導(dǎo)線，以防止外在環(huán)境的干擾。
[0032]圖3.1-3.2為本發(fā)明的電源電路原理圖包括USB充電電路3、電池電量監(jiān)測電路4、電源供電穩(wěn)壓電路5、+/_2.5V分壓電路6。其中USB充電電路3—端與USB接口相連，一端和充電選擇開關(guān)相連，選用低功耗芯片，參考芯片數(shù)據(jù)手冊，調(diào)節(jié)可編程端口的電阻，匹配合適的電容，使其能夠為單節(jié)鋰電池充電。電池電量指示電路4的運放同相輸入端與阻值不等的Rl和R2連接點相連接，反相輸入端與等量阻值的R3和R4的連接點相連接，由Ql控制兩個紅綠發(fā)光二極管指示電池電量。電源供電穩(wěn)壓電路5與+/-2.5V分壓電路6相連接。穩(wěn)壓電路選擇了低功耗高精度穩(wěn)壓芯片。+/-2.5V分壓電路6中R3、R4電阻相等，將5V電壓平分，與運放跟隨器相連接確定了接地的位置在R3和R4的連接點，從而為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+/-2.5V電源。供電穩(wěn)壓電路能夠通過開關(guān)選擇兩種供電模式，模式一:USB充電配合鋰電池工作，模式二:鋰電池單獨工作。
[0033]當(dāng)電路處于模式一時，撥動充電選擇開關(guān)SI選擇USB輸入端并且撥動供電選擇開關(guān)S2選擇USB充電與鋰電池端，如果USB充電可以提供正常工作電壓，即供電部分經(jīng)鋰電池連接，由USB充電電路為系統(tǒng)供電，從而減少電池電量的損耗。當(dāng)USB充電電路不能提供正常工作電壓，選用模式二，撥動開關(guān)S2即供電部分與鋰電池連接，由鋰電池為系統(tǒng)供電；
[0034]電池電量LED顯示電路4中采用一個η溝道增強模式場效應(yīng)晶體管，相當(dāng)于一個開關(guān)，當(dāng)電量足夠時，開關(guān)管自動導(dǎo)通，下面的燈LED2亮，當(dāng)電量不足時，開關(guān)管不工作，上面的LEDI燈殼；
[0035]其他接口電路包括USB接口、電源接口和測試接口，方便以后的測試和系統(tǒng)維護。USB接口和電源接口采用電容濾波，確保穩(wěn)定的電壓。測量接口采用BNC插頭屏蔽線，其中輸入、出端Jl、J2、J3和J4接在輸出的BNC插頭上，另一端將屏蔽線外層剝開，中間的芯已留出接頭，可接在測試表的正極，屏蔽層已留出接頭可接在測速表的負極，即接地。測量后的結(jié)
果證明是用屏蔽線的方法是可行的，數(shù)值十分平穩(wěn)精確。
【主權(quán)項】
1.充電式便攜低采樣壓降的μΑ微電流監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于相應(yīng)監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)的，該監(jiān)測設(shè)備包括設(shè)備外殼體和電路板，電路板上包括電源開關(guān)、USB充電接口、鋰電池、I/V轉(zhuǎn)換電路、供電選擇開關(guān)；電路板固定在設(shè)備外殼體內(nèi)；設(shè)備外殼體為一規(guī)則金屬小長方體；設(shè)備外殼體內(nèi)部上方的電路板前板面的中間固定ι/ν轉(zhuǎn)換電路;外殼體內(nèi)部上方的電路板左側(cè)設(shè)有電源開關(guān)、USB充電接口開關(guān)、供電選擇開關(guān);外殼體內(nèi)部上方的電路板右側(cè)固定微電流監(jiān)測外接線端子;外殼體內(nèi)部下方的電路板設(shè)有鋰電池接口、鋰電池固定裝置； 其特征在于:該監(jiān)測終端包括四大部分:ι/ν轉(zhuǎn)換電路部分、電源管理部分、保護部分和接口電路部分；Ι/v轉(zhuǎn)換電路部分由I/V轉(zhuǎn)換運算放大器和電壓發(fā)生器電路組成；電源管理部分由充電管理電路、供電管理電路和電池電壓監(jiān)測電路組成;保護部分由大面積地電路和BNC插頭屏蔽線組成； 電源管理電路與I/V轉(zhuǎn)換電路相連接，電流輸入端與電壓發(fā)生器相連接，電壓發(fā)生器與Ι/v轉(zhuǎn)換電路相連接，I/V轉(zhuǎn)換電路與接口電路相連接，接口電路與BNC插頭相連接;充電管理電路與電池相連接，電池與供電電路相連接，電池電壓監(jiān)測電路與供電電路相連接； 本系統(tǒng)采用單節(jié)鋰電池作為電能的存儲和供應(yīng)單元，以I/V轉(zhuǎn)換電路為核心，能夠通過充電開關(guān)選擇充電方式為USB充電，通過供電選擇開關(guān)選擇系統(tǒng)供電，系統(tǒng)供電來源于USB配合鋰電池;本系統(tǒng)將單節(jié)鋰電池輸出或者外部充電部分的輸出與電源供應(yīng)電路相連，目的是為I/V轉(zhuǎn)換電路、運算放大器以及其他各個電路部分提供可用的高品質(zhì)供電，滿足了供電要求； 實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的各單元模塊分別為:I/V轉(zhuǎn)換電路單元、充電單元、供電單元、電壓發(fā)生器單元、保護單元和接口單元;其中充電單元與供電單元相連接，供電單元與各個電路部分相連接，電壓發(fā)生器單元與Ι/v轉(zhuǎn)換電路相連接，I/V轉(zhuǎn)換電路的輸出與輸出接口電路相連接，方便調(diào)試;接線端子都采用高性能絕緣線與內(nèi)部電路相連，采用高性能插頭屏蔽線與外部測量電路相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電式便攜低采樣壓降的μΑ微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:1/V轉(zhuǎn)換電路單元包括運算放大器、反饋回路單元;反饋回路分別與運算放大器的反相輸入端和輸出端相連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電式便攜低采樣壓降的μΑ微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:充電單元包括USB充電控制電路、電池和電壓指示電路;USB充電控制電路分別與電池和電壓指示電路相連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電式便攜低采樣壓降的μΑ微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:供電單元包括穩(wěn)壓電路、+/-2.5V分壓電路和電池電量指示電路； 電池與穩(wěn)壓電路相連接，電壓電量指示電路與供電電路相連接;+/-2.5V分壓電路與供電電路相連接。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電式便攜低采樣壓降的μΑ微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:輸入單元包括μΑ微電流輸入端、運算放大器輸入端、反饋電阻連接的輸入端;μΑ微電流輸入端與電壓發(fā)生器相連接，電壓發(fā)生器與運算放大器的同相輸入端相連接;反饋電阻與運算放大器的反相輸入端相連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電式便攜低采樣壓降的μΑ微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:保護單元包括大面積地和抗干擾的絕緣線。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電式便攜低采樣壓降的μΑ微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:接口單元包括輸入輸出接線端子，抗干擾的外絕緣接線柱、內(nèi)部采用高絕緣性能的絕緣導(dǎo)線引出和高絕緣性能抗干擾的測試線;輸入輸出端與BNC接線端子相連接。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電式便攜低采樣壓降的μΑ微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:本系統(tǒng)所用I/V轉(zhuǎn)換電路的運算放大器是低偏置電流，低噪聲精密斬波型放大器;本系統(tǒng)按照放大電路的計算方法，設(shè)計相應(yīng)電路原理圖，繪制印刷電路板;本系統(tǒng)設(shè)置到μΑ檔，輸入接到電流測量接線端子上，輸出接到萬用表的電壓輸入上，顯示電壓數(shù)值與測量電流數(shù)值的關(guān)系為ΙμΑ/mV;本系統(tǒng)包括大面積地電路和抗干擾的絕緣線;大面積地電路保護I/V轉(zhuǎn)換電路不受干擾;接線端子和測試線采用高絕緣和抗干擾的絕緣線，改善電路抗干擾能力。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電式便攜低采樣壓降的μΑ微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:電路板的電路包括電壓發(fā)生電路(1)、I/V轉(zhuǎn)換電路(2); 電壓發(fā)生器電路(I)與I/V轉(zhuǎn)換電路(2)的運算放大器同相輸入端相連，從而為整個電路提供測試信號;μΑ微電流通過高精度低值測試電阻，產(chǎn)生很低的測試電壓降，再通過I/V轉(zhuǎn)換電路進行放大； I /V轉(zhuǎn)換電路(2)通過高精度運算放大器，偏置電流很小和極低的超調(diào)電壓，確保I /V轉(zhuǎn)換的精度;μΑ級微電流經(jīng)過J1、J2接線端子輸入，電壓發(fā)生器將其轉(zhuǎn)換成的低電壓信號進入運放大器的同相端，借助運放的放大作用，使得ΙμΑ對應(yīng)輸出ImV電壓，通過J3、J4接線端子輸出;J1、J2、J3和J4接線端子采用內(nèi)部高絕緣的導(dǎo)線，以保證高抗干擾性能;與接線端子相連的測試導(dǎo)線也采用高絕緣性能的導(dǎo)線，以防止外在環(huán)境的干擾； 電源電路包括USB充電電路(3)、電池電量監(jiān)測電路(4)、電源供電穩(wěn)壓電路(5)、+/-.2.5V分壓電路(6);其中USB充電電路(3) —端與USB接口相連，一端和充電選擇開關(guān)相連，選用低功耗芯片，參考芯片數(shù)據(jù)手冊，調(diào)節(jié)可編程端口的電阻，匹配合適的電容，使其能夠為單節(jié)鋰電池充電；電池電量指示電路(4)的運放同相輸入端與阻值不等的Rl和R2連接點相連接，反相輸入端與等量阻值的R3和R4的連接點相連接，由Ql控制兩個紅綠發(fā)光二極管指示電池電量;電源供電穩(wěn)壓電路(5)與+/-2.5V分壓電路(6)相連接;穩(wěn)壓電路選擇了低功耗高精度穩(wěn)壓芯片;+/-2.5V分壓電路(6)中R3、R4電阻相等，將5V電壓平分，與運放跟隨器相連接確定了接地的位置在R3和R4的連接點，從而為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+/-2.5V電源;供電穩(wěn)壓電路能夠通過開關(guān)選擇兩種供電模式，模式一:USB充電配合鋰電池工作，模式二:鋰電池單獨工作； 當(dāng)電路處于模式一時，撥動充電選擇開關(guān)SI選擇USB輸入端并且撥動供電選擇開關(guān)S2選擇USB充電與鋰電池端，如果USB充電可以提供正常工作電壓，即供電部分經(jīng)鋰電池連接，由USB充電電路為系統(tǒng)供電，從而減少電池電量的損耗；當(dāng)USB充電電路不能提供正常工作電壓，選用模式二，撥動開關(guān)S2即供電部分與鋰電池連接，由鋰電池為系統(tǒng)供電； 電池電量LED顯示電路(4)中采用一個η溝道增強模式場效應(yīng)晶體管，相當(dāng)于一個開關(guān)，當(dāng)電量足夠時，開關(guān)管自動導(dǎo)通，下面的燈LED2亮，當(dāng)電量不足時，開關(guān)管不工作，上面的LE!D1燈殼； 其他接口電路包括USB接口、電源接口和測試接口，方便以后的測試和系統(tǒng)維護;USB接口和電源接口采用電容濾波，確保穩(wěn)定的電壓;測量接口采用BNC插頭屏蔽線，其中輸入、出端Jl、J2、J3和J4接在輸出的BNC插頭上，另一端將屏蔽線外層剝開，中間的芯已留出接頭， 能夠接在測試表的正極，屏蔽層已留出接頭可接在測速表的負極，即接地;測量后的結(jié)果證 明是用屏蔽線的方法是可行的，數(shù)值十分平穩(wěn)精確。
【文檔編號】G01R19/00GK105842521SQ201610350235
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】耿淑琴, 劉晨, 何蘊良, 彭曉宏, 侯立剛, 汪金輝, 袁穎, 高祥凱
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)