УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА Российский патент 1995 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения электрических параметров источников тока, интегральных микросхем и в других устройствах подобного назначения.

Известно устройство для контроля параметров интегральных схем (авт.св. СССР N 417748, кл. G 01 R 31/26, 1974), которое содержит программное устройство, соединенное через схему управления с задатчиком исходных режимов и программируемым источником испытательного напряжения, цепь обратной связи последнего подсоединена к проверяемой цепи схемы через повторитель напряжения. Программируемый источник тока также подключен к проверяемой цепи, а между точкой этого подключения и выходом источника испытательного напряжения включен нуль-индикатор тока, выход которого соединен со схемой управления.

Недостатками данного устройства являются сложность алгоритма измерения тока, заключающаяся в компенсации измеряемого тока известным током, задаваемым программно, низкая точность измерения, а также сложность реализации устройства.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения тока (патент Франции N 2353065, кл. G 01 R 19/00, 1976), содержащее основной усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, а инвертирующий вход соединен с нагрузочным элементом и с первым выводом резистивного датчика тока генератора тока, в котором второй конец резистивного датчика тока соединен с выходом дополнительного усилителя и с одним концом первого резистивного делителя, другой конец которого соединен с общей точкой, а средняя точка соединена с инвертирующим входом дополнительного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой резистивного делителя.

Недостатками этого устройства являются низкая точность измерения тока и отсутствие возможности измерения малых изменений больших токов.

Это обусловлено следующим.

В известном устройстве выходное напряжение будет равно
U_выхK IR ± α₂IR ± U_см2 ± α₁(IR ± α₂IR ± U_см2) ± U_cм1 К, где U_вых выходное напряжение устройства;
К коэффициент усиления усилителя (в известном устройстве равняется единице);
I ток, протекающий через нагрузочный элемент;
α₁ ошибка передачи напряжения от выхода повторителя на выход устройства (ошибка усилителя),
α₂ ошибка передачи напряжения с входа повторителя на выход;
U_см1 напряжение смещения усилителя;
U_см2 напряжение смещения повторителя;
R сопротивление резистивного датчика тока.

Преобразуя это выражение, получим
I ± α₁I ± I(α₂± α₁α₂)± ± (1 ± α₁).

Наибольшая ошибка измеряемого тока
δ₁= α₁I+I(α₂+α₁α₂)+ + (1+α₁) где α₁ I основная погрешность измерения:
I(α₂+α₁α₂)+ + (1+α₁)) дополнительная погрешность.

Из этого выражения видно, что уменьшение погрешности измерения можно осуществить в основном за счет дополнительных составляющих.

При попытке измерения малых изменений больших токов получим
U_вых1К I₁R ± α₂I₁R ± α₁(I₁R ± α₂ I₁R ± U_см2) ± U_cм2 ± U_см1К где U_вых.1
выходное напряжение известного устройства при первом измерении;
I₁ ток, протекающий через нагрузочный элемент в момент первого измерения.

После изменения тока через нагрузочный элемент выходное напряжение устройства будет равно
U_вых.2^. К I₂R ± α₂ I₂R ± α₁ (I₂R ± α₂I₂R ± U_см2) ± U_cм2 ± U_см1К где U_вых.2 выходное напряжение устройства после изменения тока;
I₂ ток, протекающий через нагрузочный элемент после изменения.

Изменение тока будет равно
Δ I I₂ I₁ где Δ I изменение тока, которое необходимо измерить.

Чтобы получить выражение для изменения тока, необходимо вычесть из второго выражения первое, тогда получим
U_вых.2 К U_вых.1К I₂R ± α₂I₂R ± α₁ (I₂R ± α₂ I₂R ± U_см2) ± U_cм2 ±
± U_см1К-[I₁R ± α₂I₁R ± α₁ (I₁R ± α₂I₁R ± U_см2) ± U_см2 ± U_см1К]
Ввиду того, что при обоих измерениях напряжения смещения имеют одинаковые значения и полярность, в приведенном выражении напряжение смещения можно сократить. Обозначив ΔU_вых U_вых.2 U_вых.1, выражение примет вид
ΔI+ΔIα₁+ΔI(α₂-α₁α₂)+2I₁(α₁++α₁α₂)+2α₁.

Наибольшая ошибка измеряемого изменения тока будет
δr α₁ΔI+ΔI(α₂+α₁α₂)+2I₁(α₁+α₂+α₁α₂)+2α₁.

Из последнего выражения видно, что даже при незначительных погрешностях усилителя 1 и повторителя 2 (приблизительно 1% α₁ 0,01, α₂ 0,01) и условиях, когда изменение тока меньше начального (I₁) в 25 раз, дополнительная погрешность измерения изменения тока, обусловленная первоначальным током [2I₁ (α₁+α₂+α₁α₂)] равна измеряемому изменению тока, даже если не учитывать остальные погрешности, т.е. ошибка измерения равна порядка 100%
Следовательно, известным устройством невозможно осуществить измерение малых изменений больших токов.

Цель изобретения повышение точности измерения тока и возможность измерения малых изменений больших токов.

Цель достигается тем, что в устройство для измерения тока, содержащее основной усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, а инвертирующий вход соединен с нагрузочным элементом и с первым выводом резистивного датчика генератора тока, в котором второй конец резистивного датчика тока соединен с выходом дополнительного усилителя и с одним концом первого резистивного делителя, другой конец которого соединен с общей точкой, а средняя точка соединена с инвертирующим входом дополнительного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен со средней точкой резистивного делителя, дополнительно введены два блока выборки и хранения, компенсирующий усилитель и идентичный первому второй генератор тока, причем в генераторах один вывод второго резистивного делителя соединен с первым концом резистивного датчика тока и является выходом генератора тока, а другой конец второго резистивного делителя является входом генератора тока, выход основного усилителя соединен с входом первого блока выборки и хранения, выход которого соединен с входом первого генератора тока, с неинвертирующим входом компенсирующего усилителя и с выходной клеммой устройства, инвертирующий вход компенсирующего усилителя соединен с общей точкой, а выход с входом второго блока выборки и хранения, выход которого соединен с входом второго генератора тока, выходом соединенного с инвертирующим входом основного усилителя.

В предлагаемом устройстве все усилители использованы по назначению, как элементы усиления (Шило В.П. "Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. Сов. Радио, 1979).

Блок выборки и хранения известен как элемент запоминания аналогового сигнала (Якубовский С.В. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы, Радио и связь, 1984, с.370).

Все связи в совокупности между элементами устройства неизвестны и обеспечивают достижение поставленной цели.

Предлагаемое устройство для измерения тока значительно уменьшает ошибку, вызванную дополнительными погрешностями, а при измерении малых изменений больших токов значительно уменьшает дополнительную погрешность, в частности полностью ликвидирует погрешность, вызванную первоначальным током I₁, при этом становится возможным измерение малых изменений больших токов с высокой точностью.

Действительно, соединение одного вывода второго резистивного делителя с первым концом резистивного датчика тока исключает из измерения ошибку, обусловленную применением в прототипе повторителя напряжения в цепи обратной связи дополнительного усилителя генератора тока.

В предлагаемом устройстве выходной ток генератора тока точно пропорционален его входному напряжению. Входное напряжение генератора зависит от выходного тока следующим образом:
U_вх+I₁R, где U_вх входное напряжение генератора тока;
I₁ ток, протекающий в цепи обратной связи;
I₂ ток, протекающий через резистивный датчик тока;
R_∂ сопротивление резистивного датчика тока;
R_ос, R сопротивления обратной связи генератора;
R_х сопротивление обратной связи, которое подключено к выходу генератора.

Выходной ток I генератора тока будет равен I I₂ I₁.

Преобразуя выражение для входного напряжения генератора, получим
I₂R_∂-(R_ос-R_x)I₁= U_вх.

Если взять R_∂ R_oc R_x, то получим
I₂R_∂-I₁R_∂= U_вх;
I₂-I₁= U_вх.

Подставляя выражения для выходного тока, получим
I U_вх K, где К коэффициент усиления усилителя.

Из последнего выражения видно, что без повторителя напряжения в цепи обратной связи дополнительного усилителя, при определенных соотношениях сопротивлений обратной связи и датчика тока, выходной ток генератора строго пропорционален входному напряжению и ошибка выходного тока такого генератора обусловлена только ошибкой дополнительного усилителя и ошибкой, вносимой смещением этого усилителя.

Введение в устройство компенсирующего усилителя, блока выборки и хранения (БВХ) и второго генератора тока позволяет уменьшить общую ошибку измерения тока и дает возможность измерить маленькие изменения больших токов.

Действительно, в предлагаемом устройстве после подачи изменения тока или просто после подачи тока через нагрузочный элемент, на выходе устройства будет напряжение, равное
I ± α₁I ± , где α₁ ошибка передачи напряжения с резистивного датчика тока на выход устройства;
U_см.3 напряжение смещения компенсирующего усилителя;
К коэффициент усиления усилителя генератора тока;
R сопротивление резистивного датчика тока.

Таким образом, в предложенном устройстве ошибка измерения не зависит от того, измеряется изменение большого тока или измеряется просто ток через нагрузочный элемент, так как происходит автоматическая компенсация первоначального тока.

В одном случае это большой ток, на котором должно измеряться изменение его, а в другом первоначальный ток, который равен нулю, и компенсируется только ток генератора, вызванный смещением дополнительного усилителя генератора.

Из вышеизложенного видно, что в обоих случаях (измерение тока или измерение изменения тока) максимальная ошибка измерения одинакова и равна
δ α₁I ± при измерении тока, а при измерении изменения тока будет равна
δ α₁ΔI ± , где Δ I изменение тока.

Отсюда видно, что погрешность измерения зависит только от качества усилителя генератора тока и не зависит от первоначального тока, как в известном устройстве.

Сравнивая полученные выражения с выражениями, полученными для известного устройства, видим, что при измерении тока в предложенном устройстве отсутствуют дополнительные погрешности, вызванные погрешностями повторителя, погрешностями смещения повторителя, а погрешность, связанная со смещением дополнительного усилителя, уменьшена в К раз.

При измерении изменения больших токов в предложенном устройстве отсутствуют дополнительные погрешности, вызванные погрешностями повторителя напряжения, и погрешности, вызванные первоначальным током, который вносит самый большой вклад в общую погрешность.

Таким образом, становится возможным измерение изменения больших токов с высокой точностью, а при измерении тока значительно повышается точность измерения.

На фиг. 1 представлена электрическая схема устройства; на фиг.2 схема генератора тока.

Устройство содержит основной усилитель 1, неинвертирующим входом соединенный с источником 2 опорного напряжения, а инвертирующим с нагрузочным элементом 3, выход основного усилителя соединен с входом первого блока выборки и хранения (БВХ) 4, выход которого соединен с входом первого генератора 5 тока, неинвертирующим входом компенсирующего усилителя 6 и выходной клеммой устройства, инвертирующий вход компенсирующего усилителя 6 подключен к общей точке, а выход к входу второго БВХ 7, выходом соединенного с входом второго генератора 8 тока, выходы генераторов 5 и 8 тока подключены к инвертирующему входу основного усилителя 1.

Генераторы 5 (8) тока содержат дополнительный усилитель 9 (15), инвертирующий вход которого подключен к средней точке первого резистивного делителя на резисторах 10, 11 (16, 17), причем второй конец резистора 10 (16) подключен к общей точке, а резистора 11 (17) к выходу дополнительного усилителя 9 (15) и к одному концу резистивного датчика тока 12 (18), второй конец которого соединен с одним концом резистора 13 (19) второго резистивного делителя на резисторах 13, 14 (19, 20) и является выходом генератора тока, средняя точка второго резистивного делителя подключена к неинвертирующему входу дополнительного усилителя 9 (15), а второй конец резистора 14 (20) является входом генератора тока.

В качестве усилителей 6, 9 и 15 использован операционный усилитель типа К14ОУД17.

В качестве усилителя 1 использован операционный усилитель типа К544УД1.

В качестве БВХ 4 и 7 использована микросхема типа К1100СК2.

В устройстве использованы резисторы типа С2-29В.

Устройство работает следующим образом.

На выходе опорного источника напряжения (неинвертирующий вход основного усилителя) устанавливается необходимое опорное напряжение. В начале измерения оба БВХ переводятся в режим выборки.

При измерении тока отключается нагрузочный элемент. В это время действует обратная связь через компенсирующий усилитель 6, БВХ 7 и второй генератор 8 тока, собранный на усилителе 15, тем самым происходит компенсация всех составляющих погрешностей и выходное напряжение устройства, благодаря обратной связи, стремится к нулю (на выходе устройства будет лишь напряжение смещения компенсирующего усилителя).

После компенсации БВХ 7 переводится в режим хранения, тем самым отключается обратная связь через усилитель 6, БВХ 7 и генератор 8 тока.

На дальнейшее изменение тока эта цепь обратной связи не действует. Подключается нагрузочный элемент 3, при этом ток через нагрузочный элемент 3 задается генератором тока на усилителе 9, а ток через генератор связан с напряжением на его входе (или же с выходным напряжением устройства) следующим соотношением:
U_вых I, где R₁₀, R₁₁ и R₁₂ сопротивления соответствующих резисторов.

Перед измерением выходного напряжения БВХ 4 переводится в режим хранения, тем самым дальнейшее изменение тока через нагрузочный элемент не влияет на выходное напряжение устройства и становится возможным измерение тока в определенный момент, при этом исключается ошибка, обусловленная временем измерения измерительного прибора (вольтметр, АЦП), т.е. ошибка, обусловленная дрейфом измеряемого тока, во время измерения исключается.

При измерении изменения больших токов оба БВХ переводятся в режим выборки. В устройстве начинает действовать обратная связь через компенсирующий усилитель 6, БВХ 7 и генератор 8 тока. Благодаря этой цепи обратной связи происходит компенсация тока через нагрузочный элемент, причем независимо от значения тока через нагрузочный элемент, так как весь этот ток компенсируется генератором тока, т.е. при любом токе через нагрузочный элемент на выходе устройства будет напряжение близкое к нулю (равно напряжению смещения компенсирующего усилителя).

Перед изменением тока через нагрузочный элемент 3 БВХ 7 переводится в режим хранения, тем самым на дальнейшее изменение тока цепь обратной связи (усилитель 6, БВХ 7, генератор 8 тока) не влияет. После изменения тока изменившийся ток течет через генератор 5 тока, собранный на усилителе 9, и связан с выходным напряжением устройства соотношением
U_вых ΔI, где Δ I изменение тока.

Перед измерением изменения тока БВХ 4 переводится в режим хранения, тем самым дальнейшее изменение тока через нагрузочный элемент 3 не влияет на выходное напряжение устройства и становится возможным измерение изменения тока в определенный момент времени независимо от времени измерения измерителя (вольтметр, АЦП).

С помощью формулы рассчитывается изменение тока через нагрузочный элемент 3.

Из вышеизложенного видно, что независимо от первоначального тока на выходе устройства напряжение пропорционально изменению тока.

Использование компенсирующей цепи, состоящей из усилителя 6, БВХ 7 и генератора 8 тока, а также применение БВХ 4 повышает точность измерения тока примерно в 3 раза (по сравнению с прототипом) и дает возможность измерять малые изменения больших токов с погрешностью порядка 0,5-1% от Δ I.

Использование: в устройствах для измерения электрических параметров источников тока, интегральных микросхем и в других устройствах подобного назначения. Сущность изобретения: устройство для измерения тока содержит основной усилитель 1, источник 2 опорного напряжения, нагрузочный элемент 3, блок 4 выборки и хранения, генератор 5 тока компенсирующий усилитель 6, блок хранения и выборки 7, генератор тока 8, который содержит дополнительный усилитель 15(9), резистивный делитель на резисторах 16,17(10,11), резистивный датчик 18(12) тока и резистивный делитель на резисторах 19,20(13, 14). 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА, содержащее основной усилитель, инвертирующий вход которого соединен с входной клеммой устройства, к которой подключен нагрузочный элемент, а выход с входом первого блока выборки и хранения, компенсирующий усилитель, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход с входом второго блока выборки и хранения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения тока и малых изменений больших токов, в него введены два генератора тока, каждый из которых содержит дополнительный усилитель, два резистивных делителя и резистивный датчик тока, причем инвертирующий вход дополнительного усилителя соединен со средним выводом первого резистивного делителя, первый крайний вывод которого соединен с выходом дополнительного усилителя и с первым выводом резистивного датчика тока, второй крайний вывод с общей шиной, неинвертирующий вход дополнительного усилителя соединен со средним выводом второго резистивного делителя, первый крайний вывод которого соединен с входом генератора тока, второй крайний вывод с вторым выводом резистивного датчика тока и с выходом генератора тока, первый вывод источника опорного напряжения соединен с неинвертирующим входом основного усилителя, второй вывод с общей шиной, инвертирующий вход основного усилителя соединен с выходами двух генераторов тока, выход первого блока выборки и хранения с входом первого генератора тока, с неинвертирующим входом компенсирующего усилителя и с выходной клеммой устройства, выход второго блока выборки и хранения с входом второго генератора тока.