本實用新型涉及微小信號檢測領(lǐng)域，特別是涉及一種微電流測量裝置。

背景技術(shù)：

隨著科技發(fā)展，極限條件下的試驗測量已成為進(jìn)一步認(rèn)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。實際測量時，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，否則會被運算放大器的失調(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，工頻干擾、噪聲、電路失調(diào)等雜質(zhì)信號也同時被放大，所以需要設(shè)計出相關(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。

為了解決最小測量范圍為10pA，準(zhǔn)確度為0.5級的微電流測量問題，本實用新型提供了一種微電流測量裝置

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所采用的技術(shù)方案是：

測量裝置由開關(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調(diào)制開關(guān)K₁和K₂、運放A、反饋電阻R_f、平衡電阻R’組成；二個調(diào)制開關(guān)K₁和K₂受單片機(jī)控制輪流通斷，對輸入微電流I_S進(jìn)行調(diào)制，濾掉雜質(zhì)直流信號，經(jīng)運放A放大得到與待測信號成比例關(guān)系的微壓信號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一，由飽和判別電路一做出判斷，當(dāng)輸出信號首次超過運放工作的線性范圍時，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。

(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；第1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K₁～K₄，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二，由飽和判別電路二做出判斷，當(dāng)輸出信號首次超過運放工作的線性范圍時，單片機(jī)給出選擇放大級信號，級數(shù)倒退1級，并把該級信號送往差分解調(diào)單元；每級放大倍數(shù)不宜過大，以不超過運放的飽和電壓且輸出信號最大為準(zhǔn)。

(4)差分解調(diào)單元由2個采樣保持器、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個采樣保持器，單片機(jī)給出時鐘信號控制2個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。

(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，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號給單片機(jī)，單片機(jī)控制裝置的運行。

工作過程是：前置放大階段對信號進(jìn)行調(diào)制放大，同時將微電流信號轉(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。

本實用新型的有益技術(shù)效果是：運用開關(guān)調(diào)制、低通濾波、運放反饋、多級放大、差分、狀態(tài)判別電路等構(gòu)成整個測量系統(tǒng)，解決了多級放大與運放電路飽和的問題，提高了測量系統(tǒng)的信噪比。

附圖說明

附圖1是測量電路系統(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

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型裝置的具體實施方式做進(jìn)一步說明。

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和重點。根據(jù)噪聲的種類和特點，主要有2大來源：1)來自電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲，包括運放的偏置電流、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。

運用差分、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。

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)信號被消除，U₀與I_S成正比。但U₀信號極其弱，U₀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：U₀＝KI_SR_f；被測微電流為：I_S＝U₀/KR_f.。

如附圖1所示測量裝置主要由3部分組成：

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

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；

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。

第1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1階段進(jìn)行放大時，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放工作的線性范圍時，級數(shù)倒退1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。

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)的不同時態(tài)，將信號放大階段輸出的結(jié)果存儲在2個寄存器中，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。

微電流測量裝置除電路結(jié)構(gòu)設(shè)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(dá)到pA級微電流測量，必須注意以下幾點：

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，地線與信號線間的電容耦合會進(jìn)一步增加噪聲干擾，因此，要盡量設(shè)置少的接地點或減小接地點間的距離。

3)PCB布線時，要注意各種器件的擺放，每個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，先走地線及電源線。

依據(jù)本實用新型提出的微電流測量裝置，對于10pA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。

以上所述的僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，本實用新型不限于以上實施例?？梢岳斫猓绢I(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本實用新型的精神和構(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)為包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。