[发明专利]基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路及方法

权利要求书

1.一种基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路，其特征在于，包括电流源、积分器、模数转换器和测量控制单元；

所述电流源包括两个电流方向相反可交替工作的恒流源I1和恒流源I2，其由测量控制单元控制切换，且电流源的电流绝对值大于待测电流的绝对值；

所述积分器包括积分电容C1和低偏置电流的运算放大器U1，所述积分电容C1连接于运算放大器U1的反相输入端和输出端之间；待测微弱电流和电流源输出端共同连接到运算放大器U1的反相输入端；

所述模数转换器连接到运算放大器U1的输出端，采集固定时间点的积分器输出电压信号，并将积分器输出电压信号发送给测量控制单元；

所述测量控制单元对固定时间点的积分器输出电压信号进行分析，判断该点的积分器输出电压是否超量程或过零，根据过零情况进行两个恒流源的切换，并对两个恒流源导通次数进行计数，用于计算输入电流I。

2.根据权利要求1所述的基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路，其特征在于，所述微弱电流单次测量总周期为工频周期的整数倍。

3.一种基于权利要求1所述测量电路的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：积分器输出电压信号采样；

步骤2：超量程判断：判断积分器输出电压是否超量程，若超量程，则设置超量程标志并进入下一步；若未超量程则进入下一步；

步骤3：过零判断：若积分器输出电压小于零，则开启提供负向电流的恒流源I2，积分器对输入电流I及恒流源I2输入的电流I₂之和进行积分，积分器输出电压线性上升；当积分器输出电压大于等于零时，开启提供正向电流的恒流源I1，积分器对输入电流I及恒流源I1输入的电流I₁之和进行积分，积分器输出电压线性下降；

步骤4：电流源计数：经过时间T后，重复步骤1、步骤2和步骤3，并对电流源中的两个恒流源的导通状态进行计数；若干周期T之后测量结束；

步骤5：计算输入电流I：

输入电流I与恒流源开启的次数以及积分器输出电压与初始电压的差值存在线性关系，公式如下：

式中：V为测量结束时积分器输出电压；V₀为测量启动时积分器输出电压；T为积分器输出电压采样周期；x为恒流源I1开启次数；y为恒流源I2开启次数；I为输入电流；I₁为恒流源I1的电流；I₂为恒流源I2的电流；I_L为系统泄漏电流；C₁为积分电容；

假设所有电流均为恒流，则将上式变为以下公式：

则输入电流为：

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，通过多点刻度法来拟合输入电流大小，设K₁＝I₁，K₂＝I₂，K₃＝I_L，其公式如下：

其中，K₀、K₁、K₂和K₃为系数；

所述多点刻度法中选择至少4个刻度点。