一種微電流測(cè)量方法的研究

1引言

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。以研究測(cè)量pA級(jí)電流為目的，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確度為0.5級(jí)的微電流測(cè)量儀，測(cè)量的最小范圍為10 pA.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，是本文所要闡述的核心所在，即通過(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)。

2微電流測(cè)量方法概述

2.1測(cè)量方法

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)/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)。新的微電流檢測(cè)方法的提出及微電流測(cè)量?jī)x的研制是目前該領(lǐng)域內(nèi)的一大熱點(diǎn)。就檢測(cè)方法而言，目前主要有：取樣積分法、相關(guān)檢測(cè)法、噪聲分析法、調(diào)制解調(diào)法、小波變換法、高阻抗輸入法、光電耦合法、集成運(yùn)放、計(jì)算機(jī)程序控制等，但取樣電阻法和運(yùn)放反饋電流法是微電流測(cè)量常用的方法。

噪聲干擾是一種有效的壓制性干擾信號(hào)，根據(jù)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(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(kāi)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，該文提出，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。

2.2微電流測(cè)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

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

3設(shè)計(jì)理論

3.1微電流一電壓轉(zhuǎn)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(yùn)放反饋電流法測(cè)量原理如圖1所示。

圖1運(yùn)放反饋電流測(cè)量法原理

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

理想電路輸出為Uo= - IsRf.由于運(yùn)放存在失調(diào)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(diào)制電路原理

提出運(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(kāi)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)制電路原理如圖2所示。

圖2微弱電流差分、調(diào)制前置放大器模型

當(dāng)K1斷開(kāi)，K2閉合，即輸出：

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

當(dāng)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(tǒng)誤差，即：

Uo=U01- U02= IsRf(5)

通過(guò)式(5)得知，直流雜質(zhì)信號(hào)被消除，可見(jiàn)，Uo與Is成正比。但Uo信號(hào)極其弱，Uo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：Uo=KIsRf;被測(cè)微電流為：

Is=Uo/(KRf) (6)

測(cè)量結(jié)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(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1測(cè)量電路構(gòu)成

本測(cè)量電路由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，分別由低通濾波電路、調(diào)零電路、開(kāi)關(guān)選擇電路、狀態(tài)判別電路構(gòu)成;

3)微電流輸出，由采樣保持、差分電路等構(gòu)成，由調(diào)制開(kāi)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)。測(cè)量電路構(gòu)成如圖3所示。

圖3測(cè)量電路系統(tǒng)構(gòu)成

4.2第1級(jí)放大電路原理

放大過(guò)程分為8小級(jí)(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(hào)在第l級(jí)進(jìn)行放大時(shí)，由中央處理器控制放大級(jí)數(shù)。級(jí)數(shù)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(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)，并送往中央處理器。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。

圖4第1級(jí)放大電路原理

4.3第2級(jí)放大電路原理

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)，如圖5所示。

圖5第2級(jí)放大電路原理

依據(jù)調(diào)制開(kāi)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。

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(zhuǎn)換后的信號(hào)輸出給1號(hào)狀態(tài)判別電路，由判別電路做出判斷將結(jié)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(yùn)算放大器，電路輸出給2號(hào)狀態(tài)判別電路，將結(jié)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(xiàng)

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)地連接口]，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。

6試驗(yàn)仿真

6.1工頻干擾試驗(yàn)

工頻噪聲可以通過(guò)空間輻射、傳導(dǎo)進(jìn)入，通過(guò)對(duì)測(cè)量?jī)x器加裝金屬屏蔽層，測(cè)試者手接觸儀器外殼時(shí)，測(cè)試電路輸出波形如圖7所示;撤掉金屬屏蔽層，測(cè)試者手接近儀器外殼時(shí)，測(cè)試電路輸出波形如圖8所示，從兩圖對(duì)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(yàn)證調(diào)制采樣電路、差分電路的有效性

為過(guò)濾掉電路失調(diào)等直流雜質(zhì)信號(hào)，采用調(diào)制電路、差分電路。為驗(yàn)證電路的有效性，用示波器分別測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示不同值的5次測(cè)量結(jié)果。

對(duì)于100 pA，測(cè)量平均值：

=100.156 pA，測(cè)量誤差為0.16%，測(cè)量重復(fù)性s=0.24 pA;

對(duì)于10 pA，測(cè)量平均值：

=9.993 pA，測(cè)量誤差為- 0.07%，測(cè)量重復(fù)性s=0.04 pA.

測(cè)量準(zhǔn)確度、重復(fù)性達(dá)到預(yù)期目的，符合0.5級(jí)要求。

7結(jié)論

隨著電子測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，pA級(jí)別的電流測(cè)量在眾多領(lǐng)域具有極其重要的地位，微電流測(cè)量極易受到環(huán)境條件和測(cè)量?jī)x器自身噪聲的影響。依據(jù)提出的測(cè)量方法設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x器經(jīng)高、低溫、電磁干擾等試驗(yàn)，對(duì)于10 pA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。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，去除工頻干擾和直流誤差的影響是減小微電流測(cè)量誤差的主要因素。