电压和电流测量电路

2024-06-30

电压和电流测量电路（精选5篇）

电压和电流测量电路篇1

在上《电路与电工技术》课程,三相交流电路连接及测试的实训过程中经常会遇到电路保险管烧黑或保险管崩裂的状况。有次一个学生将电工电子实训台的三相交流电源的保险管烧坏了,学生将坏了的保险管撤出,看见保险管上面标定的额定电流为2A,自己就去找了个额定电流为2A的保险管安装到电路中,结果一上电保险管又烧坏了。究其原因保险管烧坏主要有以下几种情况 :1)电路或用电设备短路使回路中电流过大造成保险丝熔断 ;2)保险管选的太小了 ;3)电路中增加了用电设备,造成电路超载,使保险管流过的电流超过保险管的安全电流。

1 保险管的作用和分类

保险管,即保险丝,也被称为熔断器。图一各种保险丝。IEC127标准将它定义为熔断体。把它安装在电路中可以保证电路运行安全的电子产品。保险管在电流升高到一定的时候和一定高度会熔断自身从而切断回路,它的作用是保护电路的安全运行。保险管是一种安全元件,它的质量直接关系到人身和财产的安全。

根据不同的使用要求,保险管在结构上可分为无引线式保险丝管和引线焊接式保险丝管两种类型,如图(a)、(b) 所示。无引线式保险丝管通常需与相应的保险丝座配套使用以方便更换 ; 引线焊接式保险丝管则可以直接焊接在印制电路板或别的电路器件上,它可以减小电路的空间位置。

按保险管熔断速度分 :特慢速保T T险丝、慢速T保险丝、中速M保险丝、快速F保险丝、特快速F F保险丝。

2 保险管的熔断机理

保险管的熔断机理是导体存在一定的电阻,当电流流过导体时就会发热。发热量为 :Q=0.24I2RT ;其中0.24是一个常数,Q是发热量,R是导体的电阻, I是流过导体的电流,,T是流过导体的电流时间。熔断丝通电时因电流升高会发热,从而导致保险丝的温度上升,当用电器在额定工作电流或允许的过载工作电流情况下,电流产生的热量和通过熔断丝、外壳和周围环境辐射、传导、对流等方式散发的热量可以一步步达到平衡 ;但如果热量释放速度跟不上热量产生的速度时,这部分热量就会在熔断丝上逐步积蓄,使熔断丝温度一直上升,一旦温度达到和超过熔断丝材料的熔点时就会将它液化或者汽化,从而使熔断丝断裂同时切断电流,这样就可以对电路和人身起到安全保护的作用。

3 保险管的额定电压和额定电流

保险管本身的电阻值非常小,保险管的电压降也比较小。保险管的额定电压比保险管的管压降高很多,保险管正常工作时额定电压并没有什么实际意义。保险管在保险丝的熔断中和熔断后,保险管的额定电压就具有非常重要的意义了。

保险管不安全原因是熔断时过电流所释放的能量,所释放能量的大小在于功率的大小即电流和电压的乘积,保证保险管安全性的最大电压就是额定电压,如果保险丝的额定电压小于电路电压的话,就有可能产生不安全现象,所以保险管的额定电压要大于等于电路最大电压。而且在保险丝熔断后,电路电压直接加在保险管两端,保险管的耐压值就是保险管的额定电压即保险管能够承受的最大电压,保证保险管不被击穿的条件是保险管的额定电压大于或等于电路电压。否则会出现再次导通或持续拉弧。所以学生在选用保险管时首先要保证选用的保险管的额定电压要大于与或等于被保护电路的最大电压。

保险管的额定电流是保险管正常工作的电流。保险管的熔断电流是当保险管达到最大允许电流,保险管会被烧断。熔断电流是额定电流的1.1-1.2倍。学生要选择合适的保险管,总是选择熔断电流大于额定电流的保险管,这样才能保证保险管正常保护电路。如果将保险管的熔断电流等于额定电流那是错误的选择。所以通过保险丝的电流小于其额定电流时,保险丝不会熔断,只有在超过其额定电流并达到熔断电流时,保险丝才会发热熔断。通过保险丝的电流越大,保险丝熔断越快。一般规定,保险丝的电流为额定电流的1.3倍时,应在一小时以上熔断 ;1.6倍时,应在一小时内熔断 ;两倍时,应在30—40秒后熔断 ;8—10倍时,应瞬间熔断。如,家庭普通照明电路保险管的额定电流=1.1* 所有灯泡工作电流和 ;日关灯电路保险管的额定电流 =1.5* 所有日光灯工作电流之和 ;家用电器全部使用保险管额定电流 =1.15* 用电器总电流的和。

学生认为,保险管坏了换一个额定电压和额定电流跟原来电路中的一致就可以了,其实这种做法也是不正确的。从刚才保险管的熔断速度分类看来,在体积比较小的保险管表面只标有“F 10 A /2 5 0v”字样 , 即额定电流为10 A、额定电压为250v的快速熔断保险管。如果电路中的元器件对电流特别敏感,则使用快速或超快速保险管。当然慢速保险管也不是不可以用,如果在需要做过载保护的电路中,我们经常会用到慢速保险管。

所以在选用保险管以前我们首先确定被保护电路的特性是要做短路保护还是过载保护,然后根据保险管的种类选择合适的保险管。另外除考虑流过保险管的额定电流外,还需要考虑电路的工作电压。保险管只有安装在额定电压或者使小于额定电压的电路中才能有效的工作。否则保险管会出现电弧和电击穿问题。两外选用保险管必须采用相同规格或规定的代用品。

4 结束语

保险管的选择是以电路中实际所需的工作电流和工作电压为依据的,而不是以电能表匹配为条件。当用于电灯和电热保护时,保险丝额定电流要大于或等于所有用电器的总额定电流之和。所以在充分地认识了保险丝的特性后我们不会使用相同粗细的金属丝去代替规定的保险管,这样可以让保险管更安全更方便的服务于我们的日常生活。

摘要：文章围绕学生在电路搭建过程中保险管选择不当问题出发,探究选用保险管需要注意的首要原则保险管的额定电压和额定电流的确定。

关键词：保险管,额定电压,额定电流

电压和电流测量电路篇2

关键词：电压；电流；参考方向；重要性

中图分类号：TM133 文献标识码：A

电压、电流的方向是客观存在的，但在分析较为复杂的直流电路时，事先不能准确判断各支路中电流的实际方向；对于交流电流讲，其方向随时间而变，无法用一个明确的方向来表示它的实际方向。电压、电流的参考方向，是《电路分析》课程中一个非常重要的概念。根据电压、电流参考方向可以确定电阻元件的伏安关系；电压、电流参考方向应用于支路电流法中可求解支路电流；电压、电流参考方向能体现电路元件功率的物理意义。所以电压、电流参考方向是研究、分析一切电路问题的开门斧，贯穿于整个电路学习的始终。

一、根据电压、电流参考方向确定电阻元件的伏安关系

在分析与计算电路时，常可以任意选定某一方向作为电流正方向或称为参考方向。所选的电流参考方向并不一定与电流的实际方向一致，当电流的实际方向与其参考方向一致时，电流为正值；反之，当电流的实际方向与其参考方向相反时，电流为负值。

图1 电阻元件端电压与电流之间关系

如图1（a）所示，先规定电阻元件端电压（虚线所示）、电流参考方向。当电压和电流的参考方向一致时，电阻元件端电压与电流之间符合欧姆定律，U > 0时，则 I > 0，说明电路中电流实际方向与参考方向一致。如图1（b）所示，当电压、电流的参考方向选得相反时，则电压、电流之间满足，在这种情况下，若 U > 0，则I < 0（反之U < 0，则I > 0），说明电路中电流的实际方向与参考方向相反。

以上说明，只有在规定了U、I参考方向的前提下，电阻元件端电压、电流之间的关系才能确定，才能正确地反映电路中电压、电流的实际情况。

对于电压的参考方向，也可以任意选定，它与电流参考方向的选定本来是无关的，但是为了方便起见，在外电路中常常使电压和电流两者的参考方向一致，称之为关联参考方向，一般在电路图中只标出电流的参考方向即可将电压、电流的参考方向一并表示。

二、电压、电流参考方向在支路电流法中的应用

在用支路电流法分析电路时，需要经常列写KVL、KCL方程。例如在图2所示电路中，已知Us1=20V，Us2=10V，R1=5Ω，R2=10Ω，R3=20Ω，试求各支路电流。

按照支路电流法求解电路的方法，①首先应明确电路中有三条支路、2个节点、2个网孔。然后标出各支路电流的参考方向和网孔的回路绕行方向（可任意选定）。②用KCL任选1个节点列出节点电流方程。③用KVL列出2个独立的回路电压方程。④将上述方程组成方程组，联立求解出各支路电流。

依照上述方法，对节点1： ...................①

对网孔 I： ..................②

对网孔II： .................③

将已知数据代入方程组解得：I1= A，I2= A，I3= A，I2为负值，表明I2的实际方向与所选参考方向相反。如果I2的参考方向选择为向下，即由节点①指向节点0，那么方程为：

对节点①： ......................①

对网孔 I： .....................②

对网孔II： .................③

将已知数据代入方程组解得：I1= A，I2= A，I3= A，I2为正值，表明实际方向与参考方向相同，电流的大小并未改变，只是方向改变了。

三、电压、电流参考方向体现电路元件功率的物理意义

直流电路中元件功率的物理意义，主要是以消耗（或吸收）功率，或是产生（或释放）功率来解释的。

如在图2电路中，电压源US1和US2的功率分别为：

从上面的计算可以看出，由于电压源US1中电流的实际方向是从电源负极流向电源正极的，其功率Ps1= - W为产生功率，Us1为供能元件。而电压源US2中电流的实际方向是从电源正极流向电源负极的，该元件不再是电源，而是作为负载使用，Ps2= W為消耗功率，Us2为耗能元件。而且在一个电路中，电源产生的功率和负载取用的功率及内阻消耗的功率是平衡的。

元件功率的物理意义，实质上是由元件电压、电流实际方向所决定的。但

电流实际方向很难判断，尤其遇到复杂电路时，就更不容易。如用电压、电流参考方向来说明，结果一目了然。即U、I参考方向一致时，；U、I参考方向相反，。若计算结果P < 0则为产生功率，为供能元件；若P > 0则为消耗功率，为耗能元件。

综合上述内容，集中体现了电压、电流参考方向在分析电路问题时的重要作用。只有充分理解和正确掌握电压、电流参考方向这一内容，才能更好地掌握电路理论，更好地培养分析问题解决问题的能力。

参考文献；

[1]曹才开、郭瑞平.电路分析基础.[M].清华大学出版社，2009.

[2]邱关源.电路第4版[M].高等教育出版社，2002.

[3]秦曾煌.电工学第7版[M].高等教育出版社，2009.

微弱电流测量电路的设计和仿真篇3

关键词：微弱电流,测量,PSPICE,仿真

0 引言

nA级别的微弱电流测量在静电研究、材料测试、电力系统在线监测等众多领域具有重要应用[1]。而传统的电流测量仪器,如数字万用表,通常只能测到1μA。为了实现nA级别的电流测量,需要分析元件非理想特性的影响,例如运放的非理想特性。我们选择运放电流反馈法设计电路,改进电路设计并合理确定电路参数,最终实现了1nA的测量精度。

1 电流测量方法

微弱电流测量主要有两种方法,分别是取样电阻法和运算放大器反馈电流法[1]。取样电阻法的缺点是取样电阻会和信号源内阻串联,减小待测电流的数值。而运放反馈电流法测量精度高,对待测电路几乎没有影响,本电路采用此法。

利用运放虚短和虚断的特性,让待测电流全部流经反馈电阻Rf,从而将电流转换成电压测量。

对于理想运放,输入端不取电流,有

根据虚短特性,同相端和反相端之间没有电压降。因此将测量电路串联到待测电路中时,相当于"理想电流表",对待测电路几乎没有影响。这对电流测量非常可贵。

对实际运放,输入偏置电流IB会对待测电流分流;此外因为存在输入失调电压Vos且增益A为有限值,造成反相输入端和同相输入端之间有一定的电势差。实际输出电压和输入量之间的关系为:[2]

因此为了接近理想运放,应该选择IB尽量小,Vos尽量小,A尽量大的运放。这是实现微小电流精确测量的关键。此外,实际电路还需要考虑Rf的噪声、电源噪声等。以下分别进行讨论。

2 非理想特性,电路具体化

2.1 运放选择

J-FET输入放大器具有高输入阻抗、低偏置电流的优点。而和J-FET输入放大器相比,新型CMOS输入放大器可以提供更小的输入偏置电流。AD8603是采用CMOS技术的微功耗精密输入/输出运放[3],具有极低的输入偏置电流和输入失调电流,以及极低的输入失调电压。这些特性让它很符合本电路的需要。其各主要参数如下:

Vs=5V,T=25度

输入偏置电流IB 0.2pA

输入失调电流Ios 0.1pA

输入失调电压Vos 40μV

开环增益Avo 120dB

共模抑制比CMRR 100dB

2.2 反馈电阻的影响

过小的Rf会造成I-V转换的电压值过小,容易受环境噪声的干扰。过大的Rf会造成较大的热电压噪声,选择和测量也很困难。一般Rf的取值范围为MΩ～GΩ,我们经过实验调试,选取Rf的最大值为20MΩ。

2.3 电压放大和跟随,精密电压基准芯片

对于1nA的输入电流,经过Rf=20MΩ的I-V转换之后的输出电压为20mV。这个电压还需要进一步放大才能满足后续处理如滤波和A/D转换的需要。我们在第一级I-V转换后进行两级电压放大。实验证明放大倍数为10倍时信噪比最高。经过电压放大之后1nA电流转换为2V电压,可以方便地进行后续处理。

在两级电压放大之间增加一级电压跟随。主要作用是隔离前后级的影响,避免后级大信号电路干扰前级的微弱信号转换电路,提高信噪比。跟随运放的输出端增加低通滤波,抑制噪声。

另外,电源噪声会造成信号参考电压不稳定,特别是对信号非常微弱的输入级影响很大。使用精密电压基准芯片:输出电压为5 V的MAX6250和2.5 V的MAX6225[4]为各运放提供精密参考电压。各运放的电源端连接+5V和地,而同相端连接2.5V。运放输入和输出信号的参考电平是同相端,因此相对于输入输出信号,电源电压为±2.5V。此外为了抑制电源噪声,在运放的电源端增加滤波电容。

2.4 电路全貌

经过以上的改进后,电路全貌如图2所示。

第一个运放完成I-V转换;第二、第四个运放进行电压放大;第三个运放作用是电压跟随。

3 PSPICE仿真

3.1 简介

PSPICE是优秀的电路模拟仿真软件。它以图形方式输入,模拟和计算电路,生成图表。主要功能为直流分析、交流分析、噪声分析等。本电路使用PSPICE 9.2版仿真,目的是验证电路的正确性,合理选择电路参数,确定测量范围。

3.2 仿真步骤

3.2.1 输入原理图

进入Capture,新建项目,放置元器件、连线、电源,绘制原理图。其中AD8603的PSPICE模型需要从ADI公司网站下载。绘制的电路图如图3所示。仅仿真输入级,因为这是测量电路的核心部分,而后面跟随和放大级原理简单,此处不参与仿真。

3.2.2 设置元件参数

设置Vcc、Rf等参数的值。Vcc=±2.5V,反馈电阻Rf=20M.R2/R1=20.

3.2.3 运行仿真

进行直流扫描,输入电流Ii为0.1～1.2n A,输出电压曲线如图4所示。

图4 PSPICE仿真输出电压曲线(参见右栏)

3.2.4 仿真结果分析

由图可见,I-V曲线线性度非常好。图中曲线斜率为负,因为电路的输入接在反相端。

根据式(2),Ii=0时,Vo=Vos+IBRf。截取Ii=0A时的Vo数据可知:Vos+IBRf=0.0125m V=-11.66μV。考虑到IB约为0.2 pA,Rf=1 M,代入得IBRf=0.2μV.因此Vos=11.4~11.8μV。进一步考虑到AD8603,放大倍数A=120d B=106,而输入级I-V转换后Vo在10～100m V范围,Vo/A最大值为0.1μV<

待测电流较小时,Ii Rf和Vos相当,因此误差较大。而Ii较大时误差较小。设可接受的最大误差为1%,有Vos/(Ii Rf)=1%,取Rf=20M,得Ii=0.1n A.因此对0.1n A及以上的输入电流,可以获得误差不超过1%的测量精度。

仿真结果表明,10M、100M的电阻同样可以进行I-V转换。但实际情况下大电阻的热噪声、稳定性差、一致性差等因素不可避免被放大。本电路经过实验调试采用20M及以下的反馈电阻。本电路最大取反馈电阻Rf=20M,可以实现最低0.1nA级别的电流测量,此时误差不超过1%。通过更换较小的Rf,可以实现大于0.1nA电流的测量。

4 PCB设计过程

经过确定封装、载入网表、布局布线等步骤,完成PCB版图设计。其中AD8603没有现成的封装库,需要根据datasheet手工绘制封装。

PCB设计过程中需要注意以下几点:按照原理图进行布局,以便对照安放元件;各连接线尽量短,尤其是输入线;电源地和信号地分开;电源线和地线尽量粗;电路中除了最后一级输出Vout以外,另外增加若干圆型的中间级信号测试点和方形的电源电压测试点,方便调试。

版图如图5所示:

图中四个为AD8603在电路上部一字排开。由于空间拥挤只标注了第二和第四个。整个电路尺寸为6.5cm×4.0cm。制作PCB、器件安装完毕后,安装金属壳屏蔽。

5 结论

本文介绍了一种微弱电流测量电路的设计过程。我们选择具有极低输入偏置电流和失调电压的运放,合理选择反馈电阻的数值,增加多级放大与电压跟随级。仿真结果表明本电路测量精度为1nA,达到了设计目标。

参考文献

[1]于海洋,袁瑞铭,王长瑞,等.微电流测量方法评述[J].华北电力技术,2006,(11):51-54.

[2]周红,夏勇,苏建坡,等.电分析仪器中的微弱电流测量[J].分析仪器,2000,(2):20-23.

[3]Analog Device.Precision Micropower,Low Noise CMOS Rail-to-Rail Input/Output Operational Amplifiers AD8603/AD8607/AD8609[DB/OL].2008http://cn.ic-on-line.cn/iol_LOW-NOISE/classified/LOW-NOISE.htm

电压表与电流表内电阻的测量篇4

一、电压表内阻的测量

【例1】电压表V量程为0～3 V, 内阻3 ～3.5 kΩ, 现要求测其内电阻RV, 实验室提供下列器材:

待测电压表V;电流表A1 (量程100 μA, 内阻2 kΩ) ;电流表A2 (量程1 mA, 内阻100 Ω) ;电流表A3, (量程10 mA, 内阻40 Ω) ;滑动变阻器R (最大阻值50 Ω) , 电源E (电动势4 V) , 开关、导线。

(1) 所提供的电流表中, 应该选用______ (填字母代号) ;

(2) 为了尽量减少误差, 要求测量多组数据, 画出符合要求的电路图。

分析:电流表应选A2, 因为它与V表的满偏电流最接近;测量电路如图1, 若电压表、电流表的读数分别为U、I, 则电压表内阻RV=U/I。图1中, A2表也可用一个与待测电压表满偏电流差不多的内阻已知的电压表 (如量程5 V, 内阻5 kΩ) 代替, 不过此时电源的电动势也要相应的调大些, 以保证电表指针的偏角较大。因为指针的偏角越小, 测量的系统误差越大。

例1中, 若电流表只有A1, 同时还有两个定值电阻R1=220 Ω, R2=330 Ω, 如何测RV?

显然A1的量程太小。A1表满偏时, V表指针的偏角约为满偏的1/10, 测量的系统误差较大。可选R1与A1并联, 以“放大”A1的量程, 使A1、V表可几乎同时达到满偏。局部电路如图2所示。若测量时V、A1表读数分别为U、I, A1表内阻为rA, 通过R1的电流为IR, 则: $Ι_{R} = \frac{Ι r_{A}}{R_{1}}, R_{V} = \frac{U}{Ι + Ι_{R}} = \frac{U R_{1}}{Ι (R_{1} + r_{A})}$ 。

例1中, 若电流表只提供了A3, 同时提供上述两个电阻R1=220 Ω, R2=330 Ω, 如何测RV?

此时A3量程太大, 当V表满偏时, A3指针偏角太小;可选R2与V表并联, 让R2分流, 以控制通过V表的电流, 使A3、V表可几乎同时达到满偏, 局部电路如图3所示。若测量时V、A3表的读数分别为U、I, 通过V表的电流为IA, 则有:

$Ι_{V} = Ι - \frac{U}{R_{2}}, R_{V} = \frac{U}{Ι_{V}} = \frac{U R_{2}}{Ι R_{2} - U}$ 。

可见, 在电流表量程不合适时, 测量电路也要作相应的改变, 以保证两表几乎同时达到满偏。

上例中, 如果没有电流表, 但增加一个0～9999 Ω的电阻箱R0, 如何测量电压表的内阻呢?

分析:实验电路如图4所示, 闭合开关S前, 变阻器滑动片P置于A端, 电阻箱阻值调为零。闭合开关S, 调节滑动片P, 使V表满偏;再调R0, 使V表半偏。此时, R0的读数即为RV的测量值。这种测量通过将RV与R0进行比较, 求出RV的大小, 统称为半偏法。本实验中, RV的测量值偏大, 但因RV≫R, 因此实验误差很小。

二、电流表内阻的测量

【例2】电流表量程10 mA, 内阻rA约为40 Ω, 现要求测其内阻, 实验室提供的器材有:

待测电流表A;电阻箱R0 (0～999.9 Ω) ;滑动变阻器R (0～1500 Ω) :电源E (电动势1.5 V, 内阻不计) ;开关、导线若干。要求:

(1) 画出测量电路图;

(2) 试估计本实验的误差;要想减小实验误差, 应采取什么措施?

分析: (1) 测量电路如图5, S1闭合前, R置于最大阻值处。测量方法为半偏法。

(2) 当S1闭合, S2断开时, 调节R, 使A表满偏, 电路中总电流即为A表的满偏电流Ig=10 mA, 电路中总电阻R总=E/Ig=150 Ω, ∴R接入电路部分的阻值为R=R总-rA≈110 Ω。再闭合S2, 调节R0, 使A表半偏, 可认为rA测=R0。此时A表电流为Ig/2, 两端电压UA=IgrA/2≈0.2 V, ∴电路中总电流 $Ι = \frac{E - U_{A}}{R} \approx 11.82$ mA, 通过A表的电流为Ig/2=5 mA, ∴通过电阻箱的电流为IR0=I-Ig/2=6.82 mA, 由IgrA/2=IR0R0得R0=rA测≈0.733rA相对误差达26.7%, 显然测量误差太大。要想减小实验误差, 必须在闭合S2时, 使电路中总电流的变化较小, 因此, R应远大于rA。

本题中, R还有富余量, 直接将它调大可以吗?

显然不行, 因为电源没有改变, 将R调得较大时, 电流表电流减小, 无法达到满偏, 指针偏角太小, 测量误差也大。要想减小误差, 应将电源换成一个电动势较大的, 比如电动势E′=12 V。此时, 当S1闭合, S2断开时, 调节R, 使A表满偏, 此时电路中总电阻约为R总=E′/Ig≈30 rA≫rA, 且未超过R的最大值, 此时测量误差可小于5%。

【例3】实验室有下列器材:待测电流表A1 (量程10 mA, 内阻r1约40 Ω) :电流表A2 (量程500 μA, 内阻r2=750 Ω) ;电压表V (量程10 V, 内阻10 kΩ) ;电阻R1 (阻值约100 Ω, 作保护电阻用) ;滑动变阻器R (总阻值约50 Ω) ;电源E (电动势1.5 V, 内阻很小) ;电鍵、导线若干。要求选择适当的实验器材, 设计一个电路来测量电流表A1的内电阻, 要求方法简捷, 有尽可能高的测量精度, 并能测得多组数据。

分析:如图6、图7都是测量A1表内阻的局部电路;这些电路都是不符合要求的。因为中学电表多是2.5级的, 要求测量精度高, 测量的相对误差要小于5%, 指针偏转角应大于满偏的一半。图6中A1表的满偏电压约0.4 V, 图7中R1的阻值并非是准确的, 即便准确, 在A1满偏时, V表读数也仅1.4 V左右, 均不满足高测量精确度的要求。因此, 符合要求的测量电路应如图8所示, 滑动变阻器接成分压式是为了满足测得多组数据的要求。

图8电路中, A2等效于一个电压表, 其满偏电压为0.375 V, 与A1表满偏电压差不多, 若实验中测得通过A1、A2的电流分别为I1、I2, 则r1=I2r2/I1。

例3中, 假如测量条件改变, A2的满偏电流仅为100 μA, 内阻r2=1 kΩ, 另有一个电阻箱R0 (0～9999 Ω) , 如何测r1 (其余条件不变)

分析:此时, A2的满偏电压仅为0.1 V, 需要“放大”, 可将A2与R0串联, R0的阻值调至3 kΩ即可, 此时, A2与R0组合成一个量程为0.4 V的电压表, 局部电路如图9所示。若实验中通过A1、A2的电流为I1、I2, 则待测电流表A1的内阻r1=I2 (r2+R0) /I1。

例3中, 假如A2的量程为25 mA, 内阻为60 Ω, 另有一个电阻箱R0 (0～9999 Ω) , 如何测A1的内电阻r1 (其余条件不变)

此时A2的满偏电压为1.5 V, 当A1满偏时, A2指针的偏角太小, 一种方法是将A1与R0串联, 以控制通过A1表的电流;将R0调到110 Ω即可, 局部电路如图10所示。此时, 若已知A1、A2的电流I1、I2, 则r1=I2r2/I1-R0。

另一种测量A1内阻的局部电路可如图11所示, 此时, R0调到27 Ω左右, 以保证A1、A2几乎同时达到满偏。此电路中, R0等效于一个电压表。

若A1、A2表读数分别为I1、I2, 通过R0的电流为I0, 则I0=I2-I1, A1表内阻的测量值为: $r_{1} = \frac{Ι_{0} R_{0}}{Ι_{1}} = \frac{Ι_{2} - Ι_{1}}{Ι_{1}} R_{0}$ 。

图10电路适合于A2表内阻已知且较大的情况, 图11电路对A2表内阻的大小没有限制, 特别是即使A2表内阻未知时也适用。

多档位自动切换电流测量电路设计篇5

积分球是一种常用的光学实验设备, 它作为理想漫射光源和匀光器, 被广泛的应用于光辐射测量等领域[1,2]。为了判断光源的辐射通量, 在积分球中使用硅光探测器对光强信号进行测量。硅光探测器根据光强的不同输出变化的电流信号, 在积分球光源无光到强光照射下, 硅光探测器的电流响应信号变化范围很大 (一般从几μA到1A左右) , 一般的电流测量电路不能直接对如此宽范围的电流信号进行直接测量。根据所要测量电流宽变换范围的特点, 本文设计了宽范围电流测量电路, 将电流分为4个档位, 并使用单片机实时检测电流测量值, 根据电流值大小切换测量档位, 以保证电流值在合适的测量范围之内, 提高了测量准确性。

1 电流测量原理

电阻降压法是一种常用的电流测量方法, 使被测电流通过一个已知阻值的标准电阻, 在标准电阻上将会产生一定的压降, 通过测量电阻两端的压降即可反算出电流的大小。对于某一固定阻值的电阻, 若阻值取值太小, 当小电流 (如μA级别的电流) 经过电阻时, 在电阻两端产生的压降很小, 可能会导致后端的模数转换器无法分辨该电压差, 从而无法对小电流电信号进行测量。若阻值取值太大, 当大电流 (如1A级别的电流) 经过电阻时, 一方面由于功耗大会使电阻发热严重, 另一方面由于压降过大会超过后端模数电路的输入范围, 造成元器件的饱和或损坏。因此, 要根据不同的电流大小选择合适的阻值进行电流测量电路的设计。

2 电流测量电路设计

根据要测量电流范围, 将测量范围分为0-2m A, 2 m A-20m A, 20m A-200m A和200m A-2A四个量程。电流测量电路原理图如图1所示。

硅光探测器的输出端与原理图中电流输入端J41相连, 当电流范围在0-2m A时, 三极管Q21控制端为低电平, 三极管Q22和Q23控制端为高电平, 电流通过继电器S4后经过采样电阻R46、R47和R49, 当电流范围在2m A-20m A时, 三极管Q21和Q23控制端为低电平, 三极管Q22控制端为高电平, 此时的采样电阻为R46和R47。当电流范围在20m A-200m A时, 三极管Q21、Q22和Q23控制端为低电平此时的采样电阻为R46。当电流范围在200m A-2A时, 三极管Q21控制端为高电平, 此时的采样电阻为R44。根据电流经过的采样电阻不同, 所产生的电压差分别通过不同的AD623放大器进行放大, 放大之后的信号通过ADC芯片进行转换获得数字信号。3个继电器S4、S5和S6开关状态和量程的关系如表1所示。

采样电阻的大小与量程相关, 阻值越大, 能测量的电阻越小, 分辨率越高, 但是越容易使后端放大器进入饱和状态。反之, 阻值越小, 电流分辨率越低, 但是能测量的电流值越大。

AD623[3,4,5]是集成单电源仪表放大器, 它可以在单电源下提供满电源幅度的信号量输出, 在本设计中采用+5V电源供电。其增益由公式 (1) 确定,

根据设计要求, 两组放大器 (U5和U6) 的增益分别设置为2和25, 因此可以计算两组放大器的增益电阻分别为R42=100kΩ, R45=4.2kΩ。

放大器放大后的信号进入ADC芯片AD7705进行模数转换, AD7705是16位分辨率的A/D转换器, 使用+5V单电源供电, 具有3线数字接口, 可以通过该接口进行芯片功能配置, 该芯片还具有自校准和系统校准功能[6,7]。AD7705的应用电路如图2所示。

3 程序设计

使用STC12C5A60S2单片机与AD7705芯片的控制IO相连, 定时采集模数转换值, 根据采集数据结果判断当前电流范围, 以此确定合适的量程。量程切换过程是本软件编写的主要部分, 量程切换部分程序流程图如图3所示。

4 结论

本文采用量程分段的方式, 设计了一种宽量程自动切换电流测量电路, 可以对硅光探测器输出的范围在几十μA到2A的电流进行测量。使用该测量电路可以满足积分球对电流测量的需要, 具有较好的实时性, 实际电路经软件标定以后可以提高测量精度, 该设计方法具有使用价值, 可以为宽范围电流测量提供参考。

参考文献

[1]赫英威, 李平, 吴厚平等.积分球辐射光源照度均匀性研究[J].应用光学, 2012, 33 (3) :548-553.

[2]王淑荣, 邢进, 李福田.利用积分球光源定标空间紫外遥感光谱辐射计[J].光学精密工程, 2006, 14 (2) :185-191.

[3]王建新, 任勇峰, 焦新泉.仪表放大器AD623在数采系统中的应用[J].传感器与仪器仪表, 2007, 23 (3) :169-171.