一種微電流測量方法的研究

1引言

隨著(zhù)科技發(fā)展，極限條件下的試驗測量已成為進(jìn)一步認識大自然的重要手段，這些試驗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(guò)傳感器進(jìn)行電量轉換，使待測的弱信號轉換成電信號。實(shí)際測量時(shí)，噪聲和干擾無(wú)法回避，影響了測量的靈敏度和準確性。以研究測量pA級電流為目的，開(kāi)發(fā)設計出準確度為0.5級的微電流測量儀，測量的最小范圍為10 pA.對于pA級電流測量，測量電路無(wú)法直接捕獲電流信號，需要進(jìn)行I/U轉換。對于轉換后的電壓信號需進(jìn)行進(jìn)一步的放大，否則會(huì )被運算放大器的失調電壓、偏置電流這些直流信號干擾。問(wèn)題在于，在放大捕獲待測信號的同時(shí)，工頻干擾、噪聲、電路失調等雜質(zhì)信號也同時(shí)被放大，所以需要設計出相關(guān)的后續電路加以過(guò)濾、去除。對于工頻干擾，通過(guò)采取屏蔽、濾波即可。而對于電路失調等這些直流雜質(zhì)信號的消除，是本文所要闡述的核心所在，即通過(guò)采用調制電路、差分電路過(guò)濾掉這些雜質(zhì)直流信號。

2微電流測量方法概述

2.1測量方法

微弱信號檢測就是要從信號源中過(guò)濾掉干擾信號，增強/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)。新的微電流檢測方法的提出及微電流測量?jì)x的研制是目前該領(lǐng)域內的一大熱點(diǎn)。就檢測方法而言，目前主要有：取樣積分法、相關(guān)檢測法、噪聲分析法、調制解調法、小波變換法、高阻抗輸入法、光電耦合法、集成運放、計算機程序控制等，但取樣電阻法和運放反饋電流法是微電流測量常用的方法。

噪聲干擾是一種有效的壓制性干擾信號，根據噪聲的種類(lèi)和特點(diǎn)，主要有2大來(lái)源：1)來(lái)自電子系統內部固有噪聲，包括運放的偏置電流、失調電壓，電子元件發(fā)熱產(chǎn)生的熱噪聲，數字電路干擾產(chǎn)生的脈沖式噪聲，開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的尖峰噪聲等;2)來(lái)自電子系統外部，諸如工頻干擾、射頻噪聲、大氣噪聲、機械噪聲等。測量中，對噪聲的處理極其重要，該文提出，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。

2.2微電流測量技術(shù)發(fā)展現狀

美國吉時(shí)利公司利用在靈敏電流測量?jì)x器上的技術(shù)優(yōu)勢，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出6482型雙通道皮安表/電壓源，測量分辨率高達1 fA，6位半，測量范圍2 nA～20 mA.

3設計理論

3.1微電流一電壓轉換原理

由戴維南定理可知，任何一個(gè)兩端網(wǎng)絡(luò )都可看成一個(gè)等效電壓源Us與等效電阻Rs串聯(lián)，即Rs=Us/Is.運放反饋電流法測量原理如圖1所示。

圖1運放反饋電流測量法原理

圖中：Rf為反饋電阻;R'為平衡電阻;UI0為運放失調電壓;Ib-、Ib+為運放偏置電流;Is為待測微電流;Uo為輸出電壓。

理想電路輸出為Uo= - IsRf.由于運放存在失調電壓、偏置電流，所以，實(shí)際電路輸出為：

U'o= - IsRf+UI0+Ib+R'+Ib-Rf (1)

電壓輸出誤差為：

△Uo=UI0+Ib+R'+Ib-Rf (2)

3.2差分、調制電路原理

提出運用差分、調制電路過(guò)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(guò)程中測量?jì)x器本身電路產(chǎn)生的干擾。差分、調制是指調制開(kāi)關(guān)由中央處理器控制，對微電流進(jìn)行調制，通過(guò)采用調制電路、差分電路過(guò)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、調制電路原理如圖2所示。

圖2微弱電流差分、調制前置放大器模型

當K1斷開(kāi)，K2閉合，即輸出：

U01= IsRf+UI0+Ib+R'+Ib-Rf (3)

當K1閉合，K2斷開(kāi)，即輸出：

U02= UI0+Ib+R'+Ib-Rf (4)

式(3)減式(4)，即可消除系統誤差，即：

Uo=U01- U02= IsRf(5)

通過(guò)式(5)得知，直流雜質(zhì)信號被消除，可見(jiàn)，Uo與Is成正比。但Uo信號極其弱，Uo需要經(jīng)過(guò)層層放大，再進(jìn)行差分。設總的放大倍數為K，則輸出為：Uo=KIsRf;被測微電流為：

Is=Uo/(KRf) (6)

測量結果送往儀器的中央處理器，最后通過(guò)顯示電路顯示出來(lái)。

4系統設計

4.1測量電路構成

本測量電路由3部分組成。

1)前置放大階段，對信號進(jìn)行調制放大，同時(shí)將微電流信號轉化成微壓信號;

2)信號放大階段，分別由低通濾波電路、調零電路、開(kāi)關(guān)選擇電路、狀態(tài)判別電路構成;

3)微電流輸出，由采樣保持、差分電路等構成，由調制開(kāi)關(guān)對放大后的電壓信號分別進(jìn)行采樣保持，通過(guò)差分電路去除系統誤差，最后輸出與被測微電流成正比的電壓信號。測量電路構成如圖3所示。

圖3測量電路系統構成

4.2第1級放大電路原理

放大過(guò)程分為8小級(V1～V8)完成，框圖由上至下，逐漸放大如圖4所示。前置放大電路輸出的微壓信號在第l級進(jìn)行放大時(shí)，由中央處理器控制放大級數。級數的確定先由多路開(kāi)關(guān)依次閉合，由狀態(tài)判別電路做出判斷，當輸出信號首次超過(guò)運放工作的線(xiàn)性范圍時(shí)，級數倒退1級，并送往中央處理器。為避免工頻干擾信號數次被放大，每級放大電路都設置低通濾波器。調零電路設置在放大電路的末級，以避免測量電路本身失調信號被數次放大后，可能超出其工作的線(xiàn)性范圍。

圖4第1級放大電路原理

4.3第2級放大電路原理

共分4級放大，每級放大倍數不宜過(guò)大，以不超過(guò)運放的飽和電壓且輸出信號最大為準，如圖5所示。

圖5第2級放大電路原理

依據調制開(kāi)關(guān)的不同時(shí)態(tài)，將信號放大階段輸出的結果存儲在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(zhù)的雜質(zhì)直流信號得以消除。

4.4狀態(tài)判別電路原理

采用供電電源為3 V的前置放大電路，J/U轉換后的信號輸出給1號狀態(tài)判別電路，由判別電路做出判斷將結果送至中央處理器;中問(wèn)主放大電路均采用電源為15 V的運算放大器，電路輸出給2號狀態(tài)判別電路，將結果送至中央處理器如圖6所示。

圖6狀態(tài)判別電路原理

5安裝注意事項

除電路結構設計外，在元器件選擇、電路安裝及工藝上也要采取一定的措施。為達到pA級微電流測量，必須注意以下幾點(diǎn)：

1)為了盡量避免干擾，應將輸入接線(xiàn)端用屏蔽環(huán)完全環(huán)繞，并將屏蔽層與外殼、襯底及信號地連接口]，將保護環(huán)設置在印刷板的正反兩面。

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

3)PCB布線(xiàn)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(xiàn)長(cháng)度，在電源和放大器的輸出部分大面積敷銅。在進(jìn)行線(xiàn)路板的走線(xiàn)時(shí)，先走地線(xiàn)及電源線(xiàn)。

6試驗仿真

6.1工頻干擾試驗

工頻噪聲可以通過(guò)空間輻射、傳導進(jìn)入，通過(guò)對測量?jì)x器加裝金屬屏蔽層，測試者手接觸儀器外殼時(shí)，測試電路輸出波形如圖7所示;撤掉金屬屏蔽層，測試者手接近儀器外殼時(shí)，測試電路輸出波形如圖8所示，從兩圖對比中可以看出50 Hz噪聲得到有效抑制。

圖7屏蔽時(shí)電路輸出波形

圖8無(wú)屏蔽時(shí)電路輸出波形

6.2驗證調制采樣電路、差分電路的有效性

為過(guò)濾掉電路失調等直流雜質(zhì)信號，采用調制電路、差分電路。為驗證電路的有效性，用示波器分別測量采樣保持輸入端波形和差分電路輸出端波形，如圖9所示。很明顯，直流雜質(zhì)被有效過(guò)濾。

圖9差分電路后輸出波形

6.3測試數據

測試數據，如表1所示不同值的5次測量結果。

對于100 pA，測量平均值：

=100.156 pA，測量誤差為0.16%，測量重復性s=0.24 pA;

對于10 pA，測量平均值：

=9.993 pA，測量誤差為- 0.07%，測量重復性s=0.04 pA.

測量準確度、重復性達到預期目的，符合0.5級要求。

7結論

隨著(zhù)電子測量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，pA級別的電流測量在眾多領(lǐng)域具有極其重要的地位，微電流測量極易受到環(huán)境條件和測量?jì)x器自身噪聲的影響。依據提出的測量方法設計的測量?jì)x器經(jīng)高、低溫、電磁干擾等試驗，對于10 pA電流，儀器準確度可達0.5級，具有較高的準確度和較好的測量重復性、穩定性。試驗數據表明，去除工頻干擾和直流誤差的影響是減小微電流測量誤差的主要因素。