一種微電流測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微電流測量方法，微電流首先由前置放大階段對信號進(jìn)行調(diào)制放大，同時(shí)將微電流信號轉(zhuǎn)化成微壓信號；再通過二個(gè)階段的放大，每個(gè)階段由多級放大器，單片機(jī)控制多路選擇開關(guān)依次閉合，多級放大信號分別送到飽和判別電路，由飽和判別電路做出判斷，當(dāng)輸出信號首次超過運(yùn)放工作的線性范圍時(shí)，單片機(jī)給出選擇放大級信號，級數(shù)倒退1級，并把該級信號送往下一階段；然后由調(diào)制開關(guān)對放大后的電壓信號分別進(jìn)行采樣保持，通過差分電路去除系統(tǒng)誤差，最后輸出與被測微電流成正比的電壓信號。本發(fā)明方法運(yùn)用開關(guān)調(diào)制、低通濾波、運(yùn)放反饋、多級放大、差分、狀態(tài)判別電路等構(gòu)成整個(gè)測量系統(tǒng)，提高了測量系統(tǒng)的信噪比。
【專利說明】
_種微電流測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及微小信號檢測領(lǐng)域，特別是一種微電流測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技發(fā)展，極限條件下的試驗(yàn)測量已成為進(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一般都是通過傳感器進(jìn)行電量轉(zhuǎn)換，使待測的弱信號轉(zhuǎn)換成電信號。實(shí)際測量時(shí)，噪聲和干擾無法回避，影響了測量的靈敏度和準(zhǔn)確性。對于PA級電流測量，測量電路無法直接捕獲電流信號，需要進(jìn)行I/U轉(zhuǎn)換。對于轉(zhuǎn)換后的電壓信號需進(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干擾。問題在于，在放大捕獲待測信號的同時(shí)，工頻干擾、噪聲、電路失調(diào)等雜質(zhì)信號也同時(shí)被放大，所以需要設(shè)計(jì)出相關(guān)的后續(xù)電路加以過濾、去除。對于工頻干擾，通過采取屏蔽、濾波即可。而對于電路失調(diào)等這些直流雜質(zhì)信號的消除，需要通過采用調(diào)制電路、差分電路過濾掉這些雜質(zhì)直流信號。
[0003]為了解決最小測量范圍為ΙΟρΑ，準(zhǔn)確度為0.5級的微電流測量問題，本發(fā)明提供了一種微電流測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0005]微電流首先由前置放大階段對信號進(jìn)行調(diào)制放大，同時(shí)將微電流信號轉(zhuǎn)化成微壓信號；再通過二個(gè)階段的放大，每個(gè)階段由多級放大器，單片機(jī)控制多路選擇開關(guān)依次閉合，多級放大信號分別送到飽和判別電路，由飽和判別電路做出判斷，當(dāng)輸出信號首次超過運(yùn)放工作的線性范圍時(shí)，單片機(jī)給出選擇放大級信號，級數(shù)倒退I級，并把該級信號送往下一階段;然后由調(diào)制開關(guān)對放大后的電壓信號分別進(jìn)行采樣保持，通過差分電路去除系統(tǒng)誤差，最后輸出與被測微電流成正比的電壓信號。
[0006]構(gòu)成的測量裝置由開關(guān)調(diào)制前置放大電路、第I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。
[0007](I)開關(guān)調(diào)制前置放大電路由二個(gè)調(diào)制開關(guān)KjPK2、運(yùn)放A、反饋電阻Rf、平衡電阻R’組成;二個(gè)調(diào)制開關(guān)仏和1(2受單片機(jī)控制輪流通斷，對輸入微電流Is進(jìn)行調(diào)制，濾掉雜質(zhì)直流信號，經(jīng)運(yùn)放A放大得到與待測信號成比例關(guān)系的微壓信號Uo送到第I階段放大電路輸入端。
[0008](2)第I階段放大電路由7級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及7級放大后的信號V2?V8，由單片機(jī)控制8路選擇開關(guān)依次閉合，8級信號V1-V8分別送到飽和判別單元I，由飽和判別電路做出判斷，當(dāng)輸出信號首次超過運(yùn)放工作的線性范圍時(shí)，單片機(jī)給出選擇放大級信號，級數(shù)倒退I級，并把該級信號送往第2階段放大電路;為避免工頻干擾信號數(shù)次被放大，每級放大電路前都設(shè)置低通濾波器;調(diào)零電路設(shè)置在放大電路的末級前，以避免測量電路本身失調(diào)信號被數(shù)次放大后，可能超出其工作的線性范圍。
[0009](3)第2階段放大電路由4級低道濾波器和放大器、4路選擇開關(guān)組成，結(jié)構(gòu)與第I階段放大電路類似;第I階段放大電路輸出的電壓信號經(jīng)第2階段4級放大后的信號仏?1(4，由單片機(jī)控制4路選擇開關(guān)依次閉合，4級信號K1-K4分別送到飽和判別單元2，由飽和判別電路做出判斷，當(dāng)輸出信號首次超過運(yùn)放工作的線性范圍時(shí)，單片機(jī)給出選擇放大級信號，級數(shù)倒退I級，并把該級信號送往差分解調(diào)單元;每級放大倍數(shù)不宜過大，以不超過運(yùn)放的飽和電壓且輸出信號最大為準(zhǔn)。
[0010](4)差分解調(diào)單元由2個(gè)采樣保持器、差分解調(diào)電路、取絕對值電路組成，第2階段放大電路輸出的電壓信號送到2個(gè)采樣保持器，單片機(jī)給出時(shí)鐘信號控制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)直流信號得以消除;差分電路的輸出送到取絕對值電路，最后輸出給A/D轉(zhuǎn)換電路。
[0011](5)狀態(tài)判別電路由飽和判別單元I和飽和判別單元2組成;第I階段放大信號輸出給I號飽和判別單元，判別電路做出判斷結(jié)果送至單片機(jī);第2階段放大信號輸出給2號飽和判別單元，判別電路做出判斷結(jié)果送至單片機(jī)。
[0012](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，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號給單片機(jī)，單片機(jī)控制裝置的運(yùn)行。
[0013]工作過程是:前置放大階段對信號進(jìn)行調(diào)制放大，同時(shí)將微電流信號轉(zhuǎn)化成微壓信號;信號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)對放大后的電壓信號分別進(jìn)行采樣保持，通過差分電路去除系統(tǒng)誤差，最后輸出與被測微電流成正比的電壓信號。
[0014]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:運(yùn)用開關(guān)調(diào)制、低通濾波、運(yùn)放反饋、多級放大、差分、狀態(tài)判別電路等構(gòu)成整個(gè)測量系統(tǒng)，解決了多級放大與運(yùn)放電路飽和的問題，提高了測量系統(tǒng)的信噪比。
【附圖說明】
[0015]附圖1是測量方法的系統(tǒng)構(gòu)成圖。
[0016]附圖2是微弱電流差分、調(diào)制前置放大器模型圖。
[0017]附圖3是第I階段放大電路原理圖
[0018]附圖4是第2階段放大電路和差分解調(diào)單元原理圖
[0019]附圖5是狀態(tài)判別電路原理圖
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步說明。
[0021]微弱信號檢測就是要從信號源中過濾掉干擾信號，增強(qiáng)且最大限度地還原有用的待測信號，提高信噪比(SNR)，有效抑制噪聲是微電流測量的難點(diǎn)和重點(diǎn)。根據(jù)噪聲的種類和特點(diǎn)，主要有2大來源:I)來自電子系統(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。測量中，對噪聲的處理極其重要，微電流測量的關(guān)鍵在于抑制電路雜質(zhì)直流信號和工頻干擾。
[0022]運(yùn)用差分、調(diào)制電路過濾掉電路中直流雜質(zhì)信號的測量方法，徹底消除微電流測量過程中測量儀器本身電路產(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，對微電流進(jìn)行調(diào)制，通過采用調(diào)制電路、差分電路過濾掉這些雜質(zhì)直流信號，得到與待測信號成比例關(guān)系的微壓信號。差分、調(diào)制電路原理如附圖2所示。
[0023]當(dāng)仏斷開，K2閉合，即輸出:Uq1= IsRf+U1+Ib+R7 +Ib-Rf
[0024]當(dāng)仏閉合，K2斷開，即輸出:1? = Un^IbJT +Ib-Rf
[0025]二式相減即可消除系統(tǒng)誤差，即=Uo = Uo1-Uo2 = IsRf
[0026]可知，直流雜質(zhì)信號被消除，Uo與Is成正比。但Uo信號極其弱，Uo需要經(jīng)過層層放大，再進(jìn)行差分。設(shè)總的放大倍數(shù)為K，則輸出為:Uo = KIsRf;被測微電流為:Is = Uo/KRf.。
[0027]如附圖1所示測量系統(tǒng)主要由3部分組成:
[0028]I)前置放大階段，對信號進(jìn)行調(diào)制放大，同時(shí)將微電流信號轉(zhuǎn)化成微壓信號；
[0029]2)信號放大階段，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；
[0030]3)信號輸出，由采樣保持、差分電路等構(gòu)成，由調(diào)制開關(guān)對放大后的電壓信號分別進(jìn)行采樣保持，通過差分電路去除系統(tǒng)誤差，最后輸出與被測微電流成正比的電壓信號。
[0031]第I階段放大過程分為7小級(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在第I階段進(jìn)行放大時(shí)，由單片機(jī)控制放大級數(shù);級數(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)輸出信號首次超過運(yùn)放工作的線性范圍時(shí)，級數(shù)倒退I級，并送往第2階段放大。為避免工頻干擾信號數(shù)次被放大，每級放大電路都設(shè)置低通濾波器。調(diào)零電路設(shè)置在放大電路的末級，以避免測量電路本身失調(diào)信號被數(shù)次放大后，可能超出其工作的線性范圍。
[0032]第2階段共分4級放大，每級放大倍數(shù)不宜過大，以不超過運(yùn)放的飽和電壓且輸出信號最大為準(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)直流信號得以消除。
[0033]微電流測量裝置除電路結(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級微電流測量，必須注意以下幾點(diǎn):
[0034]I)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、襯底及信號地連接，將保護(hù)環(huán)設(shè)置在印刷板的正反兩面。
[0035]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。
[0036]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。
[0037]依據(jù)本發(fā)明提出的微電流測量方法，對于1pA電流，儀器準(zhǔn)確度可達(dá)0.5級，具有較高的準(zhǔn)確度和較好的測量重復(fù)性、穩(wěn)定性。
[0038]以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微電流測量方法，其特征在于，微電流首先由前置放大階段對信號進(jìn)行調(diào)制放大，同時(shí)將微電流信號轉(zhuǎn)化成微壓信號;再通過二個(gè)階段的放大，每個(gè)階段由多級放大器，單片機(jī)控制多路選擇開關(guān)依次閉合，多級放大信號分別送到飽和判別電路，由飽和判別電路做出判斷，當(dāng)輸出信號首次超過運(yùn)放工作的線性范圍時(shí)，單片機(jī)給出選擇放大級信號，級數(shù)倒退I級，并把該級信號送往下一階段;然后由調(diào)制開關(guān)對放大后的電壓信號分別進(jìn)行采樣保持，通過差分電路去除系統(tǒng)誤差，最后輸出與被測微電流成正比的電壓信號;構(gòu)成的測量裝置由開關(guān)調(diào)制前置放大電路、第I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;開關(guān)調(diào)制前置放大電路由二個(gè)調(diào)制開關(guān)仏和K2、運(yùn)放A、反饋電阻Rf、平衡電阻R’組成，二個(gè)調(diào)制開關(guān)仏和1(2受單片機(jī)控制輪流通斷，對輸入微電流Is進(jìn)行調(diào)制，濾掉雜質(zhì)直流信號，經(jīng)運(yùn)放A放大得到與待測信號成比例關(guān)系的微壓信號Uo送到第I階段放大電路輸入端;第I階段放大電路由7級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及7級放大后的信號V2?V8，由單片機(jī)控制8路選擇開關(guān)依次閉合，8級信號V1-V8分別送到飽和判別單元I，由飽和判別電路做出判斷，當(dāng)輸出信號首次超過運(yùn)放工作的線性范圍時(shí)，單片機(jī)給出選擇放大級信號，級數(shù)倒退I級，并把該級信號送往第2階段放大電路;每級放大電路前都設(shè)置低通濾波器，調(diào)零電路設(shè)置在7級放大電路的末級前;第2階段放大電路由4級低道濾波器和放大器、4路選擇開關(guān)組成，結(jié)構(gòu)與第I階段放大電路類似，第I階段放大電路輸出的電壓信號經(jīng)第2階段4級放大后的信號仏?仏，由單片機(jī)控制4路選擇開關(guān)依次閉合，4級信號K1-K4分別送到飽和判別單元2，由飽和判別電路做出判斷，當(dāng)輸出信號首次超過運(yùn)放工作的線性范圍時(shí)，單片機(jī)給出選擇放大級信號，級數(shù)倒退I級，并把該級信號送往差分解調(diào)電路;差分解調(diào)單元由2個(gè)采樣保持器、差分解調(diào)電路、取絕對值電路組成，第2階段放大電路輸出的電壓信號送到2個(gè)采樣保持器，單片機(jī)給出時(shí)鐘信號控制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;差分解調(diào)電路的輸出送到取絕對值電路，最后輸出給A/D轉(zhuǎn)換電路;狀態(tài)判別電路由飽和判別單元I和飽和判別單元2組成，第I階段放大信號輸出給I號飽和判別單元，判別電路做出判斷結(jié)果送至單片機(jī);第2階段放大信號輸出給2號飽和判別單元，判別電路做出判斷結(jié)果送至單片機(jī)，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，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號給單片機(jī)，單片機(jī)控制裝置的運(yùn)行。
【文檔編號】G01R19/25GK106093546SQ201610602774
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月27日 公開號201610602774.0, CN 106093546 A, CN 106093546A, CN 201610602774, CN-A-106093546, CN106093546 A, CN106093546A, CN201610602774, CN201610602774.0
【發(fā)明人】潘豐, 沈蒙
【申請人】江南大學(xué)