本實(shí)用新型涉及微小信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種微電流測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

隨著科技發(fā)展，極限條件下的試驗(yàn)測(cè)量已成為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)大自然的重要手段，這些試驗(yàn)中往往測(cè)量的都是一些非常弱的物理量，比如弱磁、弱聲、弱光、弱振動(dòng)等，由于這些微弱的信號(hào)一般都是通過(guò)傳感器進(jìn)行電量轉(zhuǎn)換，使待測(cè)的弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。實(shí)際測(cè)量時(shí)，噪聲和干擾無(wú)法回避，影響了測(cè)量的靈敏度和準(zhǔn)確性。對(duì)于pA級(jí)電流測(cè)量，測(cè)量電路無(wú)法直接捕獲電流信號(hào)，需要進(jìn)行I/U轉(zhuǎn)換。對(duì)于轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)需進(jìn)行進(jìn)一步的放大，否則會(huì)被運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓、偏置電流這些直流信號(hào)干擾。問(wèn)題在于，在放大捕獲待測(cè)信號(hào)的同時(shí)，工頻干擾、噪聲、電路失調(diào)等雜質(zhì)信號(hào)也同時(shí)被放大，所以需要設(shè)計(jì)出相關(guān)的后續(xù)電路加以過(guò)濾、去除。對(duì)于工頻干擾，通過(guò)采取屏蔽、濾波即可。而對(duì)于電路失調(diào)等這些直流雜質(zhì)信號(hào)的消除，需要通過(guò)采用調(diào)制電路、差分電路過(guò)濾掉這些雜質(zhì)直流信號(hào)。

為了解決最小測(cè)量范圍為10pA，準(zhǔn)確度為0.5級(jí)的微電流測(cè)量問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種微電流測(cè)量裝置

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：

測(cè)量裝置由開關(guān)調(diào)制前置放大電路、第1階段放大電路、第2階段放大電路、差分解調(diào)單元、狀態(tài)判別電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)電路組成。

(1)開關(guān)調(diào)制前置放大電路由二個(gè)調(diào)制開關(guān)K₁和K₂、運(yùn)放A、反饋電阻R_f、平衡電阻R’組成；二個(gè)調(diào)制開關(guān)K₁和K₂受單片機(jī)控制輪流通斷，對(duì)輸入微電流I_S進(jìn)行調(diào)制，濾掉雜質(zhì)直流信號(hào)，經(jīng)運(yùn)放A放大得到與待測(cè)信號(hào)成比例關(guān)系的微壓信號(hào)U₀送到第1階段放大電路輸入端。

(2)第1階段放大電路由7級(jí)低道濾波器和放大器、調(diào)零裝置、8路選擇開關(guān)組成；開關(guān)調(diào)制前置放大電路輸出的微壓信號(hào)及7級(jí)放大后的信號(hào)V₂～V₈，由單片機(jī)控制8路選擇開關(guān)依次閉合，8級(jí)信號(hào)V₁～V₈分別送到飽和判別單元一，由飽和判別電路一做出判斷，當(dāng)輸出信號(hào)首次超過(guò)運(yùn)放工作的線性范圍時(shí)，單片機(jī)給出選擇放大級(jí)信號(hào)，級(jí)數(shù)倒退1級(jí)，并把該級(jí)信號(hào)送往第2階段放大電路；為避免工頻干擾信號(hào)數(shù)次被放大，每級(jí)放大電路前都設(shè)置低通濾波器；調(diào)零電路設(shè)置在放大電路的末級(jí)前，以避免測(cè)量電路本身失調(diào)信號(hào)被數(shù)次放大后，可能超出其工作的線性范圍。

(3)第2階段放大電路由4級(jí)低道濾波器和放大器、4路選擇開關(guān)組成；第1階段放大電路輸出的電壓信號(hào)經(jīng)第2階段4級(jí)放大后的信號(hào)K₁～K₄，由單片機(jī)控制4路選擇開關(guān)依次閉合，4級(jí)信號(hào)K₁～K₄分別送到飽和判別單元二，由飽和判別電路二做出判斷，當(dāng)輸出信號(hào)首次超過(guò)運(yùn)放工作的線性范圍時(shí)，單片機(jī)給出選擇放大級(jí)信號(hào)，級(jí)數(shù)倒退1級(jí)，并把該級(jí)信號(hào)送往差分解調(diào)單元；每級(jí)放大倍數(shù)不宜過(guò)大，以不超過(guò)運(yùn)放的飽和電壓且輸出信號(hào)最大為準(zhǔn)。

(4)差分解調(diào)單元由2個(gè)采樣保持器、差分解調(diào)電路、取絕對(duì)值電路組成，第2階段放大電路輸出的電壓信號(hào)送到2個(gè)采樣保持器，單片機(jī)給出時(shí)鐘信號(hào)控制2個(gè)采樣器保持分別閉合和斷開，結(jié)果送差分解調(diào)電路，利用差分電路，使得前置放大電路、主放大電路中伴隨著的雜質(zhì)直流信號(hào)得以消除；差分電路的輸出送到取絕對(duì)值電路，最后輸出給A/D轉(zhuǎn)換電路。

(5)狀態(tài)判別電路由飽和判別單元一和飽和判別單元二組成；第1階段放大信號(hào)輸出給飽和判別單元一，判別電路做出判斷結(jié)果送至單片機(jī)；第2階段放大信號(hào)輸出給飽和判別單元二，判別電路做出判斷結(jié)果送至單片機(jī)。

(6)A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)電路由16位A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)電路組成，A/D轉(zhuǎn)換電路接受差分解調(diào)電路的輸出信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)控制裝置的運(yùn)行。

工作過(guò)程是：前置放大階段對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制放大，同時(shí)將微電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成微壓信號(hào)；信號(hào)放大階段分別由低通濾波放大電路、調(diào)零電路、開關(guān)選擇電路、狀態(tài)判別電路構(gòu)成；最后由調(diào)制開關(guān)對(duì)放大后的電壓信號(hào)分別進(jìn)行采樣保持，通過(guò)差分電路去除系統(tǒng)誤差，最后輸出與被測(cè)微電流成正比的電壓信號(hào)。

本實(shí)用新型的有益技術(shù)效果是：運(yùn)用開關(guān)調(diào)制、低通濾波、運(yùn)放反饋、多級(jí)放大、差分、狀態(tài)判別電路等構(gòu)成整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，解決了多級(jí)放大與運(yùn)放電路飽和的問(wèn)題，提高了測(cè)量系統(tǒng)的信噪比。

附圖說(shuō)明

附圖1是測(cè)量電路系統(tǒng)構(gòu)成圖。

附圖2是微弱電流差分、調(diào)制前置放大器模型圖。

附圖3是第1階段放大電路原理圖

附圖4是第2階段放大電路和差分解調(diào)單元原理圖

附圖5是狀態(tài)判別電路原理圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型裝置的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步說(shuō)明。

微弱信號(hào)檢測(cè)就是要從信號(hào)源中過(guò)濾掉干擾信號(hào)，增強(qiáng)且最大限度地還原有用的待測(cè)信號(hào)，提高信噪比(SNR)，有效抑制噪聲是微電流測(cè)量的難點(diǎn)和重點(diǎn)。根據(jù)噪聲的種類和特點(diǎn)，主要有2大來(lái)源：1)來(lái)自電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲，包括運(yùn)放的偏置電流、失調(diào)電壓，電子元件發(fā)熱產(chǎn)生的熱噪聲，數(shù)字電路干擾產(chǎn)生的脈沖式噪聲，開關(guān)電路產(chǎn)生的尖峰噪聲等；2)來(lái)自電子系統(tǒng)外部，諸如工頻干擾、射頻噪聲、大氣噪聲、機(jī)械噪聲等。測(cè)量中，對(duì)噪聲的處理極其重要，微電流測(cè)量的關(guān)鍵在于抑制電路雜質(zhì)直流信號(hào)和工頻干擾。

運(yùn)用差分、調(diào)制電路過(guò)濾掉電路中直流雜質(zhì)信號(hào)的測(cè)量方法，徹底消除微電流測(cè)量過(guò)程中測(cè)量?jī)x器本身電路產(chǎn)生的干擾。差分、調(diào)制是指調(diào)制開關(guān)由中央處理器控制，對(duì)微電流進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)采用調(diào)制電路、差分電路過(guò)濾掉這些雜質(zhì)直流信號(hào)，得到與待測(cè)信號(hào)成比例關(guān)系的微壓信號(hào)。差分、調(diào)制電路原理如附圖2所示。

當(dāng)K₁斷開，K₂閉合，即輸出：U₀₁＝I_SR_f+U_I0+I_b+R′+I_b-R_f

當(dāng)K₁閉合，K₂斷開，即輸出：U₀₁＝U_I0+I_b+R′+I_b-R_f

二式相減即可消除系統(tǒng)誤差，即：U₀＝U₀₁-U₀₂＝I_SR_f

可知，直流雜質(zhì)信號(hào)被消除，U₀與I_S成正比。但U₀信號(hào)極其弱，U₀需要經(jīng)過(guò)層層放大，再進(jìn)行差分。設(shè)總的放大倍數(shù)為K，則輸出為：U₀＝KI_SR_f；被測(cè)微電流為：I_S＝U₀/KR_f.。

如附圖1所示測(cè)量裝置主要由3部分組成：

1)前置放大階段，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制放大，同時(shí)將微電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成微壓信號(hào)；

2)信號(hào)放大階段，分別由低通濾波放大電路、調(diào)零電路、開關(guān)選擇電路、狀態(tài)判別電路構(gòu)成；

3)信號(hào)輸出，由采樣保持、差分電路等構(gòu)成，由調(diào)制開關(guān)對(duì)放大后的電壓信號(hào)分別進(jìn)行采樣保持，通過(guò)差分電路去除系統(tǒng)誤差，最后輸出與被測(cè)微電流成正比的電壓信號(hào)。

第1階段放大過(guò)程分為7小級(jí)(V₂～V₈)完成，如附圖3所示由上至下逐漸放大；前置放大電路輸出的微壓信號(hào)在第1階段進(jìn)行放大時(shí)，由單片機(jī)控制放大級(jí)數(shù)；級(jí)數(shù)的確定先由多路開關(guān)依次閉合，由狀態(tài)判別電路做出判斷，當(dāng)輸出信號(hào)首次超過(guò)運(yùn)放工作的線性范圍時(shí)，級(jí)數(shù)倒退1級(jí)，并送往第2階段放大。為避免工頻干擾信號(hào)數(shù)次被放大，每級(jí)放大電路都設(shè)置低通濾波器。調(diào)零電路設(shè)置在放大電路的末級(jí)，以避免測(cè)量電路本身失調(diào)信號(hào)被數(shù)次放大后，可能超出其工作的線性范圍。

第2階段共分4級(jí)放大，每級(jí)放大倍數(shù)不宜過(guò)大，以不超過(guò)運(yùn)放的飽和電壓且輸出信號(hào)最大為準(zhǔn)，如附圖4所示。依據(jù)調(diào)制開關(guān)的不同時(shí)態(tài)，將信號(hào)放大階段輸出的結(jié)果存儲(chǔ)在2個(gè)寄存器中，利用差分電路，使得前置放大電路，主放大電路中伴隨著的雜質(zhì)直流信號(hào)得以消除。

微電流測(cè)量裝置除電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，在元器件選擇、電路安裝及工藝上也要采取一定的措施。為達(dá)到pA級(jí)微電流測(cè)量，必須注意以下幾點(diǎn)：

1)為了盡量避免干擾，應(yīng)將輸入接線端用屏蔽環(huán)完全環(huán)繞，并將屏蔽層與外殼、襯底及信號(hào)地連接，將保護(hù)環(huán)設(shè)置在印刷板的正反兩面。

2)電路的各條回路都應(yīng)以地作為電流返回的通道，鑒于地線上的阻抗不是零而形成電位差，地線與信號(hào)線間的電容耦合會(huì)進(jìn)一步增加噪聲干擾，因此，要盡量設(shè)置少的接地點(diǎn)或減小接地點(diǎn)間的距離。

3)PCB布線時(shí)，要注意各種器件的擺放，每個(gè)芯片必須配置去耦電容，功率大的元器件要求靠近電源位置，盡量減小電線長(zhǎng)度，在電源和放大器的輸出部分大面積敷銅。在進(jìn)行線路板的走線時(shí)，先走地線及電源線。

依據(jù)本實(shí)用新型提出的微電流測(cè)量裝置，對(duì)于10pA電流，儀器準(zhǔn)確度可達(dá)0.5級(jí)，具有較高的準(zhǔn)確度和較好的測(cè)量重復(fù)性、穩(wěn)定性。

以上所述的僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，本實(shí)用新型不限于以上實(shí)施例?？梢岳斫?，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本實(shí)用新型的精神和構(gòu)思的前提下直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的其他改進(jìn)和變化，均應(yīng)認(rèn)為包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。