CN206038757U - 一种微电流测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于微小信号检测领域，具体涉及一种微电流测量装置。测量装置由开关调制前置放大电路、第1阶段放大电路、第2阶段放大电路、差分解调电路、状态判别电路、A/D转换电路和单片机电路组成。前置放大阶段对信号进行调制放大，同时将微电流信号转化成微压信号；信号放大阶段分别由低通滤波放大、调零电路、开关选择电路、状态判别电路构成；最后由调制开关对放大后的电压信号分别进行采样保持，通过差分电路去除系统误差，最后输出与被测微电流成正比的电压信号。本实用新型装置运用开关调制、低通滤波、运放反馈、多级放大、差分、状态判别电路等构成整个测量系统，解决了多级放大与运放电路饱和的问题，提高了测量系统的信噪比。
Description
技术领域
本实用新型涉及微小信号检测领域，特别是涉及一种微电流测量装置。
背景技术
随着科技发展，极限条件下的试验测量已成为进一步认识大自然的重要手段，这些试验中往往测量的都是一些非常弱的物理量，比如弱磁、弱声、弱光、弱振动等，由于这些微弱的信号一般都是通过传感器进行电量转换，使待测的弱信号转换成电信号。实际测量时，噪声和干扰无法回避，影响了测量的灵敏度和准确性。对于pA级电流测量，测量电路无法直接捕获电流信号，需要进行I/U转换。对于转换后的电压信号需进行进一步的放大，否则会被运算放大器的失调电压、偏置电流这些直流信号干扰。问题在于，在放大捕获待测信号的同时，工频干扰、噪声、电路失调等杂质信号也同时被放大，所以需要设计出相关的后续电路加以过滤、去除。对于工频干扰，通过采取屏蔽、滤波即可。而对于电路失调等这些直流杂质信号的消除，需要通过采用调制电路、差分电路过滤掉这些杂质直流信号。
为了解决最小测量范围为10pA，准确度为0.5级的微电流测量问题，本实用新型提供了一种微电流测量装置
实用新型内容
本实用新型所采用的技术方案是：
测量装置由开关调制前置放大电路、第1阶段放大电路、第2阶段放大电路、差分解调单元、状态判别电路、A/D转换电路和单片机电路组成。
(1)开关调制前置放大电路由二个调制开关K1和K2、运放A、反馈电阻Rf、平衡电阻R’组成；二个调制开关K1和K2受单片机控制轮流通断，对输入微电流IS进行调制，滤掉杂质直流信号，经运放A放大得到与待测信号成比例关系的微压信号U0送到第1阶段放大电路输入端。
(2)第1阶段放大电路由7级低道滤波器和放大器、调零装置、8路选择开关组成；开关调制前置放大电路输出的微压信号及7级放大后的信号V2～V8，由单片机控制8路选择开关依次闭合，8级信号V1～V8分别送到饱和判别单元一，由饱和判别电路一做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，单片机给出选择放大级信号，级数倒退1级，并把该级信号送往第2阶段放大电路；为避免工频干扰信号数次被放大，每级放大电路前都设置低通滤波器；调零电路设置在放大电路的末级前，以避免测量电路本身失调信号被数次放大后，可能超出其工作的线性范围。
(3)第2阶段放大电路由4级低道滤波器和放大器、4路选择开关组成；第1阶段放大电路输出的电压信号经第2阶段4级放大后的信号K1～K4，由单片机控制4路选择开关依次闭合，4级信号K1～K4分别送到饱和判别单元二，由饱和判别电路二做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，单片机给出选择放大级信号，级数倒退1级，并把该级信号送往差分解调单元；每级放大倍数不宜过大，以不超过运放的饱和电压且输出信号最大为准。
(4)差分解调单元由2个采样保持器、差分解调电路、取绝对值电路组成，第2阶段放大电路输出的电压信号送到2个采样保持器，单片机给出时钟信号控制2个采样器保持分别闭合和断开，结果送差分解调电路，利用差分电路，使得前置放大电路、主放大电路中伴随着的杂质直流信号得以消除；差分电路的输出送到取绝对值电路，最后输出给A/D转换电路。
(5)状态判别电路由饱和判别单元一和饱和判别单元二组成；第1阶段放大信号输出给饱和判别单元一，判别电路做出判断结果送至单片机；第2阶段放大信号输出给饱和判别单元二，判别电路做出判断结果送至单片机。
(6)A/D转换电路和单片机电路由16位A/D转换电路和单片机电路组成，A/D转换电路接受差分解调电路的输出信号，转换后的数字信号给单片机，单片机控制装置的运行。
工作过程是：前置放大阶段对信号进行调制放大，同时将微电流信号转化成微压信号；信号放大阶段分别由低通滤波放大电路、调零电路、开关选择电路、状态判别电路构成；最后由调制开关对放大后的电压信号分别进行采样保持，通过差分电路去除系统误差，最后输出与被测微电流成正比的电压信号。
本实用新型的有益技术效果是：运用开关调制、低通滤波、运放反馈、多级放大、差分、状态判别电路等构成整个测量系统，解决了多级放大与运放电路饱和的问题，提高了测量系统的信噪比。
附图说明
附图1是测量电路系统构成图。
附图2是微弱电流差分、调制前置放大器模型图。
附图3是第1阶段放大电路原理图
附图4是第2阶段放大电路和差分解调单元原理图
附图5是状态判别电路原理图
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型装置的具体实施方式做进一步说明。
微弱信号检测就是要从信号源中过滤掉干扰信号，增强且最大限度地还原有用的待测信号，提高信噪比(SNR)，有效抑制噪声是微电流测量的难点和重点。根据噪声的种类和特点，主要有2大来源：1)来自电子系统内部固有噪声，包括运放的偏置电流、失调电压，电子元件发热产生的热噪声，数字电路干扰产生的脉冲式噪声，开关电路产生的尖峰噪声等；2)来自电子系统外部，诸如工频干扰、射频噪声、大气噪声、机械噪声等。测量中，对噪声的处理极其重要，微电流测量的关键在于抑制电路杂质直流信号和工频干扰。
运用差分、调制电路过滤掉电路中直流杂质信号的测量方法，彻底消除微电流测量过程中测量仪器本身电路产生的干扰。差分、调制是指调制开关由中央处理器控制，对微电流进行调制，通过采用调制电路、差分电路过滤掉这些杂质直流信号，得到与待测信号成比例关系的微压信号。差分、调制电路原理如附图2所示。
当K1断开，K2闭合，即输出：U01＝ISRf+UI0+Ib+R′+Ib-Rf
当K1闭合，K2断开，即输出：U01＝UI0+Ib+R′+Ib-Rf
二式相减即可消除系统误差，即：U0＝U01-U02＝ISRf
可知，直流杂质信号被消除，U0与IS成正比。但U0信号极其弱，U0需要经过层层放大，再进行差分。设总的放大倍数为K，则输出为：U0＝KISRf；被测微电流为：IS＝U0/KRf.。
如附图1所示测量装置主要由3部分组成：
1)前置放大阶段，对信号进行调制放大，同时将微电流信号转化成微压信号；
2)信号放大阶段，分别由低通滤波放大电路、调零电路、开关选择电路、状态判别电路构成；
3)信号输出，由采样保持、差分电路等构成，由调制开关对放大后的电压信号分别进行采样保持，通过差分电路去除系统误差，最后输出与被测微电流成正比的电压信号。
第1阶段放大过程分为7小级(V2～V8)完成，如附图3所示由上至下逐渐放大；前置放大电路输出的微压信号在第1阶段进行放大时，由单片机控制放大级数；级数的确定先由多路开关依次闭合，由状态判别电路做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，级数倒退1级，并送往第2阶段放大。为避免工频干扰信号数次被放大，每级放大电路都设置低通滤波器。调零电路设置在放大电路的末级，以避免测量电路本身失调信号被数次放大后，可能超出其工作的线性范围。
第2阶段共分4级放大，每级放大倍数不宜过大，以不超过运放的饱和电压且输出信号最大为准，如附图4所示。依据调制开关的不同时态，将信号放大阶段输出的结果存储在2个寄存器中，利用差分电路，使得前置放大电路，主放大电路中伴随着的杂质直流信号得以消除。
微电流测量装置除电路结构设计外，在元器件选择、电路安装及工艺上也要采取一定的措施。为达到pA级微电流测量，必须注意以下几点：
1)为了尽量避免干扰，应将输入接线端用屏蔽环完全环绕，并将屏蔽层与外壳、衬底及信号地连接，将保护环设置在印刷板的正反两面。
2)电路的各条回路都应以地作为电流返回的通道，鉴于地线上的阻抗不是零而形成电位差，地线与信号线间的电容耦合会进一步增加噪声干扰，因此，要尽量设置少的接地点或减小接地点间的距离。
3)PCB布线时，要注意各种器件的摆放，每个芯片必须配置去耦电容，功率大的元器件要求靠近电源位置，尽量减小电线长度，在电源和放大器的输出部分大面积敷铜。在进行线路板的走线时，先走地线及电源线。
依据本实用新型提出的微电流测量装置，对于10pA电流，仪器准确度可达0.5级，具有较高的准确度和较好的测量重复性、稳定性。
以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种微电流测量装置，其特征在于，测量装置由开关调制前置放大电路、第1阶段放大电路、第2阶段放大电路、差分解调单元、状态判别电路、A/D转换电路和单片机电路组成；开关调制前置放大电路由二个调制开关K1和K2、运放A、反馈电阻Rf、平衡电阻R’组成，二个调制开关K1和K2受单片机控制轮流通断，对输入微电流IS进行调制，滤掉杂质直流信号，经运放A放大得到与待测信号成比例关系的微压信号U0送到第1阶段放大电路输入端；第1阶段放大电路由7级低道滤波器和放大器、调零装置、8路选择开关组成，开关调制前置放大电路输出的微压信号及7级放大后的信号V2～V8，由单片机控制8路选择开关依次闭合，8级信号V1～V8分别送到饱和判别单元一，由饱和判别电路一做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，单片机给出选择放大级信号，级数倒退1级，并把该级信号送往第2阶段放大电路；每级放大电路前都设置低通滤波器，调零电路设置在7级放大电路的末级前；第2阶段放大电路由4级低道滤波器和放大器、4路选择开关组成，第1阶段放大电路输出的电压信号经第2阶段4级放大后的信号K1～K4，由单片机控制4路选择开关依次闭合，4级信号K1～K4分别送到饱和判别单元二，由饱和判别电路二做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，单片机给出选择放大级信号，级数倒退1级，并把该级信号送往差分解调电路；差分解调单元由2个采样保持器、差分解调电路、取绝对值电路组成，第2阶段放大电路输出的电压信号送到2个采样保持器，单片机给出时钟信号控制2个采样器保持分别闭合和断开，结果送差分解调电路；差分解调电路的输出送到取绝对值电路，最后输出给A/D转换电路；状态判别电路由饱和判别单元一和饱和判别单元二组成，第1阶段放大信号输出给饱和判别单元一，判别电路做出判断结果送至单片机；第2阶段放大信号输出给饱和判别单元二，判别电路做出判断结果送至单片机，A/D转换电路和单片机电路由16位A/D转换电路和单片机电路组成，A/D转换电路接受差分解调电路的输出信号，转换后的数字信号给单片机，单片机控制装置的运行。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN108196115A (zh) * | 2018-03-07 | 2018-06-22 | 漳州市东方智能仪表有限公司 | 一种数字式直流钳形表的零点调节方法及电路 |
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