一种用于微小电流的线性测量电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微小电流测量技术领域，尤其涉及一种用于微小电流的线性测量电 路。
【背景技术】
[0002] 目前，在测量宽动态范围微小电流时，通常采用基于对数测量电路的对数测量方 法进行测量。对数测量方法存在的技术问题包括：①测量的动态范围小，不能实现全动态范 围的线性测量；②测量范围两端的精度误差大；③不能实现极小电流的高精度测量。
[0003] 首先，随着航空航天科学任务的不断推进，要求箭载或星载的科学仪器测量的电 流范围越来越宽（PA~mA)，测量的电流值越来越小且测量精度越来越高(优于1%)。这 些技术要求已经超过了对数测量电路的极限测量范围和测量误差。对数测量方法的测量 范围很大程度上取决于对数放大器件的自身动态范围参数，以美国模拟器件公司（Analog Devices，Inc.)生产的对数放大器件为例，大多数器件的动态范围在IOOdB以下，即电流测 量范围IOnA~1mA，难以覆盖pA级微小电流的测量。其次，采用对数测量方法在测量范围 两端的测量误差较大。如说明书附图中图1所示，可较为直观的看出，在测量范围两端存在 较大误差，且随着温度的变化而变化。另外，当微小电流低至PA级时，由于对数测量方法的 测量动态范围小，且在测量低端存在较大测量误差，从而不能实现对极小电流的高精度测 量。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，为解决在现有技术中运用对数测量方法测量微小电流时所存 在的测量范围小、测量误差较大的技术问题，本发明提供一种用于微小电流的线性测量电 路。利用该线性测量电路，能够实现微小电流全动态范围的线性测量，同时能够满足微小电 流在测量范围两端时的高精度测量。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供一种用于微小电流的线性测量电路，所述的线性测 量电路包括：电流-电压转换电路、差分电路和多级增益的自动调整电路；所述的电流-电 压转换电路用于将电流信号按不同的电流范围分多路输入并转换成电压信号，将该电压信 号输出至差分电路；所述的差分电路用于将电流信号产生的漏电流转换成误差电压，并从 接收到的电压信号中删除该误差电压得到线性输出电压，将该线性输出电压输出至多级增 益的自动调整电路；所述的多级增益的自动调整电路用于将输入的线性输出电压转换成数 字量信号，并将数字量信号与预设的阈值比对后确定量程信号的输出值，将该输出值反馈 至电流-电压转换电路选择与其对应的增益电阻。
[0006] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的电流-电压转换电路包括运放器件 AD549S和多路开关器件HI-509,该多路开关器件HI-509包括三个并联电路，三个阻值分别 为1〇ΚΩ、1ΜΩ和100ΜΩ的电阻对应连接在所述的三个并联电路上，该电流-电压转换电 路将输入的电流信号按不同的电流范围分三个并联电路输入，并通过运放器件AD549S及 多路开关器件HI-509转换成电压信号。
[0007] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的差分电路包括运放器件AD549S、多路 开关器件HI-509和差分运算放大器INA117SM，所述的运放器件AD549S和多路开关器件 HI-509用于将电流信号产生的漏电流转换成误差电压，所述的差分运算放大器INA117SM 将从接收到的电压信号中删除该误差电压得到线性输出电压。
[0008] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的多级增益的自动调整电路包括16位ADC 数模转换器件和FPGA逻辑控制器件，所述的16位ADC数模转换器件用于将输入的线性输 出电压转换成数字量信号，所述的FPGA逻辑控制器件将数字量信号与预设的阈值比对后 确定量程信号的输出值，将该输出值反馈至电流-电压转换电路中的多路开关器件HI-509 选择对应的增益电阻。
[0009] 本发明的一种用于微小电流的线性测量电路的优点在于：电流-电压转换电路通 过将电流信号按不同的电流范围分多路输入，使微小电流能够实现全动态范围的测量；通 过差分电路将电流信号产生的漏电流转换成误差电压，并从接收到的电压信号中删除该误 差电压得到线性输出电压，以消除运算放大器件及测量电路的自身干扰，从而提高电流的 测量精度；通过多级增益的自动调整电路将数字量信号与预设的阈值比对后确定量程信号 的输出值，将该输出值反馈至电流-电压转换电路选择与其对应的增益电阻，以计算电流 信号的电流值，利用反馈网络实现电流测量，使线性测量电路结构更为简单，降低了开发成 本。
【附图说明】
[0010] 图1是在不同温度下采用对数测量方法测量电流的线性误差图。
[0011] 图2是本发明实施例中的一种用于微小电流的线性测量电路图。
[0012] 图3是本发明中的FPGA逻辑控制器件确定量程信号输出值的工作流程图。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图和实施例对本发明所述的一种用于微小电流的线性测量电路进行 详细说明。
[0014] 本发明的一种用于微小电流的线性测量电路，所述的线性测量电路包括：电 流-电压转换电路、差分电路和多级增益的自动调整电路；所述的电流-电压转换电路用于 将电流信号按不同的电流范围分多路输入并转换成电压信号，将该电压信号输出至差分电 路；所述的差分电路用于将电流信号产生的漏电流转换成误差电压，并从接收到的电压信 号中删除该误差电压得到线性输出电压，将该线性输出电压输出至多级增益的自动调整电 路；所述的多级增益的自动调整电路用于将输入的线性输出电压转换成数字量信号，并将 数字量信号与预设的阈值比对后确定量程信号的输出值，将该输出值反馈至电流-电压转 换电路选择与其对应的增益电阻。
[0015] 基于上述实施例，如图2所示，由运放器件AD549S和多路开关器件HI-509组成的 电流-电压转换电路Ca,该多路开关器件HI-509包括三个并联电路，三个电阻R al、Ra2和Ra3 对应连接在所述的三个并联电路上，阻值可分别选择为IOK Ω、IM Ω和100M Ω。信号端输入 电流Is通过电流-电压转换电路Ca输出电压Vtjlt5
[0016] 设定的输出电压Vtjl的满量程输出电压阈值为±10V，最小输出电压阈值为 ±0. 01V。可知电流-电压转换的基本公式为：
[0017] V = I · R 公式（5-1)
[0018] 其中，V是电压、I是电流、R是增益电阻。
[0019] 该电流-电压转换电路Ca将输入的电流信号Is按不同的电流范围分三个并联电 路输入，并通过运放器件AD549S及多路开关器件HI-509转换成电压信号。当选通10ΚΩ电 阻后，由公式（5-1)可计算得到可测量的电流范围为0.0 OlmA~ImA ;当选通1ΜΩ电阻后， 计算得到可测量的电流范围为InA~0.0 lmA ;当选通100M Ω电阻后，计算得到可测量的电 流范围为IOOpA~ΙΟΟηΑ。三个增益电路对应的电流测量范围之间相互衔接，覆盖了整个电 流测量范围。
[0020] 该电流-电压转换电路Ca中的关键器件是运放器件AD549S。其中运放器件 AD549S具有极低的输入漏电流(最大IOOfA),很低的偏置电压