專利名稱：測量內(nèi)電路電阻和電流的電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及測量電流的電路，更具體地說，涉及測量工作電路導(dǎo)體中的電流的方法和裝置。
測量流過導(dǎo)體的電流可以通過多種不同的方法來實現(xiàn)。傳統(tǒng)破壞性的方法是將導(dǎo)體斷開并將電流測量裝置插入，象電流表一樣與導(dǎo)體串聯(lián)。然而，在許多情況下，斷開銅線，印刷電路(p.c.)板覆銅線，或集成電路引線這樣的導(dǎo)體很困難并且不方便，可能還會引起導(dǎo)體損壞，特別是對于印刷電路板的覆銅線尤其是這樣。
目前已經(jīng)開發(fā)出非破壞性的方法，它可以進行內(nèi)電路的電流測量而不斷開導(dǎo)體。通過使用電流鉗表和磁傳感探頭檢測導(dǎo)線周圍的磁場，來確定流過導(dǎo)體的電流。這一技術(shù)使得不用接觸導(dǎo)體就能確定其電流。然而，電流鉗表和磁傳感探頭一般容易受到周圍磁場干擾的影響，并且需要導(dǎo)體周圍有一定的物理清潔度，這樣就使得在測量印刷電路板覆銅線中的電流時，這些工具的使用受到限制。
另外一種非破壞性的方法是使用一對雙線探頭(“開爾文環(huán)Kelvinclips”)，該方法沿其長度，在兩個分離端與導(dǎo)體電連接，一般成為四線測量，它消除了探頭電阻的影響。每一個兩線的探頭具有源觸點和檢測觸點。在檢測觸點之間測量兩點之間的電壓降。通過源觸點輸入的平衡電流將被測電壓清為零。將平衡電流調(diào)整到與流過導(dǎo)體的電流相等，這樣就可以很容易地用外接的電流表來測量該平衡電流，而不用斷開導(dǎo)體。然而，電流平衡技術(shù)只提供了有限的測量精度和范圍。在電流范圍的低端，其限制實際上是儀表測量相對小的電壓降的能力，該電壓降是在導(dǎo)體的一小段上產(chǎn)生的毫伏范圍的電壓降。在電流范圍的高端，其限制實際上是測量儀表產(chǎn)生平衡電流的能力。
在第5,386,188號美國專利中描述了另外一個非破壞性測量電路的技術(shù)，該專利題目為“內(nèi)電路電流測量”，是由Minneman等人于1995年1月31日發(fā)表的，并轉(zhuǎn)讓給了Keithley儀器公司。Minneman等人講述了利用四線的測量技術(shù)，通過導(dǎo)體的一部分輸入第一和第二電流，并測量該導(dǎo)體部分兩端的第一和第二電壓降。然后用第一和第二電流值以及第一和第二電壓降值計算通過導(dǎo)體的電流。然而，該電路只提供一種處理交流電流和導(dǎo)體電流中出現(xiàn)的噪聲的有限的能力。
因此，提供一種非破壞性的、改進測量范圍并與交流或直流電流容量無關(guān)的測量導(dǎo)體中電流的方法是人們所希望的。
按照本發(fā)明，提供了一種不用斷開導(dǎo)體測量導(dǎo)體中交流電流(a.c.)和直流(d.c.)電流的電路。該電路與導(dǎo)體上的幾個點相連接，通常用物理逼近的方法，通過一對雙線探頭定義導(dǎo)體的一段，每一個雙線探頭具有檢測觸點和源觸點，它們都與該導(dǎo)體相連接。
首先把該電路連接成測量電阻的形式，其方法是把已調(diào)制的電流源經(jīng)源觸點與該導(dǎo)體段并聯(lián)連接、以便輸入測試電流。同時，在該導(dǎo)體段兩端并聯(lián)連接一個同步解調(diào)器，用來把導(dǎo)體電流產(chǎn)生的電壓降和由測試電流所產(chǎn)生的該導(dǎo)體段兩端的電壓降分開。已調(diào)制電流源和同步解調(diào)器都連接到一個參考波形產(chǎn)生器上，用來接收調(diào)制波形，以實現(xiàn)由已調(diào)制電流源的測試電流所產(chǎn)生的測試電壓降的同步檢測。同步調(diào)制能從相對高幅度的干擾信號中分離低電平的信號?？梢赃x擇調(diào)制波形的頻率，使得由于導(dǎo)體電流所產(chǎn)生的噪聲和干擾基本上不會干擾或降低測試電壓降信號的測量，并且該噪聲和干擾低于一個預(yù)定的噪聲水平。
通過同步檢測器分離的測試電壓降由連接成測量直流電壓形式的電壓表來測量。因為測試電流It是已知的，并且電流源接通的電壓降Von和電壓源斷開的電壓降Voff能夠被測量。因此該導(dǎo)體段的電阻可以按照下式進行計算。
Rseg＝[Von-Voff]/ItVon和Voff同時通過電壓表作為直流電壓在同步檢測器的輸出端被測量，并且計算出測試電壓降[Von-Voff]。
還可以把該電路連接成提供內(nèi)電路電流測量的形式。電壓表直接連接到導(dǎo)體段的兩端，以測量電流源斷開時的電壓降。因為該導(dǎo)體電流可能包含交流成分，所以要將電壓表調(diào)整為交流電壓有效值(方均根值)，以便獲得Rseg上正確的電壓降V0，并且現(xiàn)在V0已知，可以按照下式來計算流過導(dǎo)體段的電流I。
I＝Vseg/Rseg按照這一方法，所得到的流過導(dǎo)體的電流與電流中的交流成分無關(guān)。
本發(fā)明的一個目的是提供一種測量內(nèi)電路導(dǎo)體上的交流和直流電流的裝置。
本發(fā)明的另外一個目的是提供一種測量在有交流電流流過時導(dǎo)體的電阻。
本發(fā)明的另一目的是提供一種使用測試電流的同步解調(diào)來測量內(nèi)電路交流和直流電流的裝置。
本發(fā)明的再一目的是提供一種同步調(diào)制和解調(diào)導(dǎo)體中測試電流以排除導(dǎo)體電流中的交流成分的方法。
對于本專業(yè)的技術(shù)人員來說，通過結(jié)合附圖閱讀下面的說明，本發(fā)明的其它的特征，成就，和優(yōu)點將是顯而易見的。


圖1是按照本發(fā)明測量導(dǎo)體電流和電阻電路的方框圖；圖2是說明圖1電路的測試頻率與導(dǎo)體頻率關(guān)系的幅度與頻率的關(guān)系曲線；圖3是圖1中的已調(diào)制電流源的最佳實施例的示意圖；圖4是圖1中同步解調(diào)器的最佳實施例的示意圖。
圖1是按照本發(fā)明測量電流和電阻的電路的方框圖。導(dǎo)體10包括導(dǎo)線，印刷電路板覆銅線，集成電路引線，或任何其它能夠?qū)щ姷慕饘?。雙線探頭12被置于導(dǎo)體長度方向上的點14，相鄰的源和檢測引線與導(dǎo)體10電接觸。雙線探頭16被置于點18上，相鄰的源和檢測引線與導(dǎo)體10電接觸。導(dǎo)體點14和點18之間的長度形成導(dǎo)體段，該導(dǎo)體段具有一定的電阻，由電阻11表示。電阻11一般來說不是分立元件，而是跟隨導(dǎo)體10的一段長度變化的電阻模型。由于電流I流過導(dǎo)體10所以在電阻11的兩端產(chǎn)生電壓降V0。
已調(diào)制電流源22經(jīng)過開關(guān)20a與雙線探頭12的源極引線相連。開關(guān)20a與開關(guān)20b和20c一起組成一組分別與電阻測量方式和電流測量方式相對應(yīng)的上下位置。開關(guān)20a-c對于電阻測量方式是如圖中所示的上位置。已調(diào)制電流源22產(chǎn)生測試電流It，該電流的調(diào)制分量對由參考波形發(fā)生器24所產(chǎn)生的調(diào)制信號起反應(yīng)。
為了將從導(dǎo)體電流接收到的噪聲底值減至最小，參考波形發(fā)生器24產(chǎn)生所希望的頻率的調(diào)制信號?？梢员３植⒏鶕?jù)需要選擇一系列調(diào)制頻率，以獲得低于預(yù)定電平的噪聲底值，如圖2中詳細說明的那樣。在最佳實施例中，調(diào)制信號是頻率大約為61赫茲的方波信號。
同步解調(diào)器26通過雙線探頭12和16的觸點14和16跨接在導(dǎo)體10的兩端，由一對輸入端接收電壓降信號。為了對所述電壓降信號進行同步解調(diào)，同步解調(diào)器26還接收來自參考波形發(fā)生器24的調(diào)制信號，該信號既含有測試電壓降信號又含有電流I產(chǎn)生的電壓降。
電壓表28與同步解調(diào)器26的輸出端相連，在電阻測量方式中通過開關(guān)20b和20c接收Von和Voff的測試信號。Von通過接通已調(diào)制電流源22測量，Voff通過斷開電流已調(diào)制電流源22來測量。Von和Voff的值在電壓表28中轉(zhuǎn)換為數(shù)字測量值，并且被送到微處理器30中，該處理器存儲Von和Voff。電壓表28可以包括機內(nèi)的數(shù)字電壓表或按另一種方法可以包含帶有采樣時鐘和適當(dāng)濾波電路的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生數(shù)字測量值。
微處理器30提供能夠控制電阻測量方式和電流測量方式的電路方式的信號。微處理器30給開關(guān)20a-c提供方式信號，開關(guān)組20a-c向上時為電阻測量方式，向下時為電流測量方式。在電阻測量方式中，已調(diào)制電流源22和同步解調(diào)器26與導(dǎo)體段并聯(lián)連接。同時，在電阻測量方式中，根據(jù)由微處理器30提供的開關(guān)信號，斷開已調(diào)制電流源22測量Voff，接通已調(diào)制電流源22測量Von，微處理器30還被用來選擇適當(dāng)?shù)臏y試信號頻率，作為頻率信號提供給參考波形發(fā)生器24，同時將Voff信號電平與預(yù)定的最大噪聲底值電平進行比較。
由于已調(diào)制電流源22所產(chǎn)生的測試電流It的值是已知的，并且Von和Voff的值已經(jīng)被存儲，所以微處理器30能夠按照下式計算14和18點之間導(dǎo)體段的電阻值。
Rseg＝[Von-Voff]/It在某一頻率限度內(nèi)，一般來說小于1兆赫，可以假設(shè)導(dǎo)體段電阻Rseg為常數(shù)。然后將導(dǎo)體段電阻Rseg送到顯示器32進行顯示。
將開關(guān)20a-c設(shè)置為向下位置，微處理器30可以構(gòu)成電流測量方式電路。這時，電壓表28跨接在導(dǎo)體段上直接測量V0。已調(diào)制電流源22和同步器26與導(dǎo)體10斷開。因為電流I可能含有交流成分，所以可以把該電壓表設(shè)置成測量交流電壓，以便精確地測量導(dǎo)體段兩端的電壓降V0。因為電壓降V0與Von和Voff一樣是低電平電壓信號，所以需要使用測量低電平電壓的專門技術(shù)，如本專業(yè)已知的屏蔽和保護(guarding)技術(shù)。
一旦V0值被確定并由電壓表28提供給微處理器30，則就能夠按照下面的方程計算電流I的值。
I＝Vseg/Rseg然后電流I被送到顯示器32上顯示。
圖2是根據(jù)本發(fā)明說明選擇適當(dāng)測試頻率的過程的幅度與頻率的關(guān)系曲線。曲線50標出的電流噪聲表示含有一定高頻能量的電壓降的幅頻關(guān)系。任意多種幅頻關(guān)系分布都是有可能的，因此，為了在希望的精度水平上獲得電阻測量結(jié)果而選擇多個測試頻率。為了獲得低于用噪聲底值(NOISE FLOOR)標志的預(yù)定最大噪聲電平的噪聲底值，可以選擇由標號F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3表示的一組測試頻率52。對于一個測試頻率的實際噪聲底值由在該測試頻率上曲線50的幅度所確定。在這種情況下，只有頻率F3提供了低于預(yù)定最大電平NOISEFLOOR的可接受的噪聲底值，這樣將用該頻率來進行測量。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的最佳實施例的已調(diào)制電流源22的示意圖。電流源50和52均與開關(guān)54相連，該開關(guān)響應(yīng)來自參考波形發(fā)生器24的調(diào)制信號，交替地將來自每一電流源50和52的測試電流It連接到導(dǎo)體段10。按照這種方法，測試電流It在所希望的測試頻率上含有交流成分。調(diào)制信號最好是方波信號，以保證開關(guān)54精確地動作。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的最佳實施例的同步檢測器的示意圖。開關(guān)60a-d跨接在導(dǎo)體段10兩端，并且每一開關(guān)60a-d都按照來自參考波形發(fā)生器24的調(diào)制信號同步地動作。電容器62作為采樣和保持電路存儲從導(dǎo)體段兩端接收到的電壓值。為了按照與圖3所示已調(diào)制電流源22同步的方式、以相反的極性將電容器62跨接到導(dǎo)體兩端、以便在電容器62上產(chǎn)生測試電壓降，各開關(guān)60a-d共同地形成換向開關(guān)。由于由電流I所產(chǎn)生的電壓降可能包含有非同步并超出頻帶信號的直流和交流成分，因此該電壓降將從測試電流It所產(chǎn)生的測試電壓降中被分離出來。
本專業(yè)中普通的技術(shù)人員會明白，可以對本發(fā)明上面所述的最佳實施例的細節(jié)進行許多變化，而這些變化并不背離本發(fā)明諸方面的精神。例如，調(diào)制信號可以采取各種波形，如鋸齒波和正弦波。測試頻率不需要為常數(shù)，并且為了使用同步解調(diào)更加有效地從電流I中排除電流噪聲，并獲得所希望精度的電阻測量結(jié)果，調(diào)制波形可以包括偽隨機間隔時間，或使用擴頻通信技術(shù)方法中的捷變頻技術(shù)。調(diào)制信號特性的選擇可以通過適當(dāng)?shù)脑囼灚@得。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)由下面的權(quán)利要求書來確定。
權(quán)利要求
1.一種測試導(dǎo)體中電流的方法包括(a)選擇所述導(dǎo)體中的一段，所述電流在所述導(dǎo)體段兩端產(chǎn)生電壓降；(b)在所述導(dǎo)體段上跨接已調(diào)制電流源，所述調(diào)制電流源響應(yīng)具有所選擇的頻率的調(diào)制波形而產(chǎn)生測試電流，從而在所述導(dǎo)體段兩端產(chǎn)生測試電壓降；(c)在所述導(dǎo)體段上跨接同步解調(diào)器，以使通過按照所述調(diào)制波形對所述測試電壓降進行同步解調(diào)而將所述測試電壓降從所述電壓降中分離出來；(d)用電壓表測量所述測試電壓降；(e)斷開所述已調(diào)制電流源；(f)利用所述電壓表測試所述導(dǎo)體段兩端的所述電壓降；以及(g)根據(jù)所述測試電壓降、所述電壓降和所述測試電流，確定所述電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的測量導(dǎo)體電流的方法，其特征在于還包括根據(jù)所述測試電壓降和所述測試電流，計算所述導(dǎo)體段的電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的測量導(dǎo)體電流的方法，其特征在于還包括選擇所述被選頻率，以便獲得低于預(yù)定最大電平的噪聲底值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的測量導(dǎo)體電流的方法，其特點在于所述電流包括交流電流和直流電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的測量導(dǎo)體電流的方法，其特征在于所述已調(diào)制電流源包括(a)產(chǎn)生極性相反的電流的第一和第二電流源；以及(b)雙刀開關(guān)，所述雙刀開關(guān)響應(yīng)所述調(diào)制信號，交替地將所述第一和第二電流源連接到所述導(dǎo)體段上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的測量導(dǎo)體電流的方法，其特征在于所述同步檢測器包括(a)電容器；以及(b)換向開關(guān)，用來與所述調(diào)制信號同步地、按照相反的極性將所述電容器連接到所述導(dǎo)體段兩端，在所述電容器兩端產(chǎn)生所述測試電壓降。
7.一種測量導(dǎo)體內(nèi)電流的裝置包括(a)跨接在所述導(dǎo)體段上的第一和第二探頭，每一所述探頭具有源接線和檢測接線，所述電流在所述導(dǎo)體段兩端產(chǎn)生電壓降；(b)產(chǎn)生調(diào)制信號的參考波形發(fā)生器；(c)已調(diào)制電流源，用來響應(yīng)所述調(diào)制信號而產(chǎn)生測試電流，并且經(jīng)過所述第一和第二探頭的所述源接線跨接所述導(dǎo)體段，以便產(chǎn)生測試電壓降；(d)通過所述第一和第二探頭的所述檢測接線跨接在所述導(dǎo)體段上的同步檢測器，它響應(yīng)所述調(diào)制信號而從所述電壓降中分離出所述測試電壓降；(e)選擇性地測量所述電壓降和所述測試電壓降、以便產(chǎn)生數(shù)字測量值的電壓表；(f)與所述電壓表連接、接收所述數(shù)字測量值的微處理器，所述微處理器根據(jù)所述測試電壓降和所述電壓降計算所述導(dǎo)體中的所述電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的測量導(dǎo)體內(nèi)電流的裝置，其特點在于所述微處理器還計算所述導(dǎo)體段的電阻。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的測量導(dǎo)體內(nèi)電流的裝置，其特點在于所述微處理器與所述參考波形發(fā)生器連接，選擇所述調(diào)制波形的頻率，以便得到比預(yù)定最大電平低的噪聲底值。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的測量導(dǎo)體內(nèi)電流的裝置，其特點在于所述電流包括交流電流和直流電流。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的測量導(dǎo)體內(nèi)電流的裝置，其特點在于所述已調(diào)制電流源包括產(chǎn)生相反極性電流的第一和第二電流源；以及雙刀開關(guān)，所述雙刀開關(guān)響應(yīng)所述調(diào)制信號，交替地將所述第一和第二電流源與所述導(dǎo)體段連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的測量導(dǎo)體內(nèi)電流的裝置，其特征在于所述同步檢測器包括(a)電容器；以及(b)換向開關(guān)，用來與所述調(diào)制信號同步地、按照相反的極性將所述電容器連接到所述導(dǎo)體段兩端，在所述電容器兩端產(chǎn)生所述測試電壓降。
全文摘要
本發(fā)明提供一種不用斷開導(dǎo)體而測量導(dǎo)體內(nèi)交流電流和直流電流的電路。已調(diào)制的電流源與導(dǎo)體段并聯(lián)連接,輸入測試電流。同步解調(diào)器也并聯(lián)在該導(dǎo)體段的兩端,從流過導(dǎo)體上的電流所產(chǎn)生的電壓降中分離出測試電流所產(chǎn)生的電壓降。測試電壓降和電壓降由電壓表來測量,從而能夠計算流過導(dǎo)體段的電流和該導(dǎo)體段的電阻。
文檔編號G01R27/16GK1199173SQ9810742
公開日1998年11月18日 申請日期1998年4月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月13日
發(fā)明者J·M·倫德, S·D·斯威夫特 申請人:弗蘭克公司