一種微電流測量方法的研究

1引言

隨著科技發(fā)展，極限條件下的試驗測量已成為進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、弱振動等，由于這些微弱的信號一般都是通過傳感器進行電量轉換，使待測的弱信號轉換成電信號。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確性。以研究測量pA級電流為目的，開發(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，測量電路無法直接捕獲電流信號，需要進行I/U轉換。對于轉換后的電壓信號需進行進一步的放大，否則會被運算放大器的失調電壓、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、電路失調等雜質信號也同時被放大，所以需要設計出相關的后續(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。而對于電路失調等這些直流雜質信號的消除，是本文所要闡述的核心所在，即通過采用調制電路、差分電路過濾掉這些雜質直流信號。

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和重點。新的微電流檢測方法的提出及微電流測量儀的研制是目前該領域內的一大熱點。就檢測方法而言，目前主要有：取樣積分法、相關檢測法、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，根據噪聲的種類和特點，主要有2大來源：1)來自電子系統(tǒng)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)熱產生的熱噪聲，數字電路干擾產生的脈沖式噪聲，開關電路產生的尖峰噪聲等;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，微電流測量的關鍵在于抑制電路雜質直流信號和工頻干擾。

2.2微電流測量技術發(fā)展現狀

美國吉時利公司利用在靈敏電流測量儀器上的技術優(yōu)勢，已經開發(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，任何一個兩端網絡都可看成一個等效電壓源Us與等效電阻Rs串聯，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、調制電路過濾掉電路中直流雜質信號的測量方法，徹底消除微電流測量過程中測量儀器本身電路產生的干擾。差分、調制是指調制開關由中央處理器控制，對微電流進行調制，通過采用調制電路、差分電路過濾掉這些雜質直流信號，得到與待測信號成比例關系的微壓信號。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，K2閉合，即輸出：

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

當K1閉合，K2斷開，即輸出：

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

式(3)減式(4)，即可消除系統(tǒng)誤差，即：

Uo=U01- U02= IsRf(5)

通過式(5)得知，直流雜質信號被消除，可見，Uo與Is成正比。但Uo信號極其弱，Uo需要經過層層放大，再進行差分。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，最后通過顯示電路顯示出來。

4系統(tǒng)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，對信號進行調制放大，同時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、開關選擇電路、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，由調制開關對放大后的電壓信號分別進行采樣保持，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。測量電路構成如圖3所示。

圖3測量電路系統(tǒng)構成

4.2第1級放大電路原理

放大過程分為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級進行放大時，由中央處理器控制放大級數。級數的確定先由多路開關依次閉合，由狀態(tài)判別電路做出判斷，當輸出信號首次超過運放工作的線性范圍時，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大，以不超過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

依據調制開關的不同時態(tài)，將信號放大階段輸出的結果存儲在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：

1)為了盡量避免干擾，應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一步增加噪聲干擾，因此，要盡量設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。在進行線路板的走線時，先走地線及電源線。

6試驗仿真

6.1工頻干擾試驗

工頻噪聲可以通過空間輻射、傳導進入，通過對測量儀器加裝金屬屏蔽層，測試者手接觸儀器外殼時，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，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屏蔽時電路輸出波形

圖8無屏蔽時電路輸出波形

6.2驗證調制采樣電路、差分電路的有效性

為過濾掉電路失調等直流雜質信號，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，直流雜質被有效過濾。

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

隨著電子測量技術的進一步發(fā)展，pA級別的電流測量在眾多領域具有極其重要的地位，微電流測量極易受到環(huán)境條件和測量儀器自身噪聲的影響。依據提出的測量方法設計的測量儀器經高、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(wěn)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。