微电流IV转换装置及方法与流程

微电流iv转换装置及方法
技术领域
1.本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种微电流iv转换装置及方法。


背景技术：

2.在实际应用中，传感器将采集到的信号转换为电信号，实现了被测信号到电信号的转换，但转换后的电信号是微电流信号，一般为na级电流信号，微电流信号无法直接输入模数转换器进行处理。例如，溶解氧传感器将溶解氧信号转换为na级电流信号，需经过iv转换将电流信号转换为电压信号，并经过合适的放大比例得到符合模数转换范围的电压信号，同时，微电流信号非常弱，会受到外界环境和自身干扰信号的影响，为了抑制干扰信号，放大有用的电信号，还需要最大程度的滤除噪声。
3.因此，将微电流信号转换为能直接被模数转换器处理的电压信号，同时降低外界环境及自身干扰成为目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种微电流iv转换装置及方法，用于解决现有技术中无法将微电流信号转换为能直接被模数转换器处理的电压信号，同时降低外界环境及自身干扰的问题。
5.第一方面，本发明提供一种微电流iv转换装置，包括：iv转换器、iv转换器、反相比例放大器和二阶低通滤波器，
6.iv转换器，用于将微电流信号转换为微电压信号，
7.反相比例放大器，用于放大微电压信号；
8.二阶低通滤波器，用于对放大后的微电压信号进行滤波，确定电压信号。
9.可选地，还包括恒压源，恒压源用于为iv转换器、反相比例放大器和二阶低通滤波器提供恒定直流电压源。
10.可选地，微电流信号经过输入电阻与iv转换器的反相输入端连接，iv转换器的反相输入端与iv转换器的输出端之间包括反馈电阻。
11.可选地，iv转换器、反相比例放大器和二阶低通滤波器包括tlv2764。
12.可选地，还包括仪表放大器，仪表放大器包括ad620。
13.可选地，还包括带通滤波器，带通滤波器用于滤除微电压信号中的工频干扰信号。
14.可选地，还包括信号检测器，信号检测器用于将待测信号转换为微电流信号。
15.可选地，待测信号包括一路或多路待测信号。
16.可选地，反馈电阻为1mω。
17.另一方面，本发明提供一种微电流iv转换方法，包括：将微电流信号转换为微电压信号；放大微电压信号；对放大后的微电压信号进行滤波，确定电压信号。
18.由上述技术方案可知，本发明包括：iv转换器、反相比例放大器和二阶低通滤波器。通过将微电流信号进行iv转换、反相比例放大和二阶低通滤波处理后，将微电流信号转换为能直接被模数转换器处理的电压信号，同时降低外界环境及自身干扰。
附图说明
19.图1为本发明一实施例提供的一种微电流iv转换装置的结构示意图；
20.图2为本发明一实施例提供的一种iv转换器的电路示意图；
21.图3为本发明一实施例提供的一种反相比例放大器的电路示意图；
22.图4为本发明一实施例提供的一种二阶低通滤波器的电路示意图；
23.图5为本发明一实施例提供的一种微电流iv转换方法的流程示意图。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。
25.图1示出了本发明一实施例提供的微电流iv转换装置的结构示意图，如图1所示，本实施例的转换装置包括：iv转换器11、反相比例放大器12和二阶低通滤波器13。
26.在具体实施例中，iv转换器11，用于将微电流信号转换为微电压信号；反相比例放大器12，用于放大微电压信号；二阶低通滤波器13，用于对放大后的微电压信号进行滤波，确定电压信号。
27.具体的，微电流iv转换装置还包括信号检测器，信号检测器用于将待测信号转换为微电流信号，待测信号包括一路或多路待测信号，例如，信号检测器包括一个温度传感器，则待测信号包括一路温度信号，信号检测器包括一个温度传感器和一个溶解氧传感器，则待测信号包括一路温度信号和一路溶解氧信号。若待测信号只包括一路待测信号，则只对一路待测信号进行iv转换；若信号源模块包括多路待测信号，则需对所有的待测信号分别进行iv转换。
28.iv转换器11经过反馈电阻将信号检测器传输的微电流信号转换为微电压信号；反相比例放大器12通过运算放大器按比例放大微电压信号，例如，将mv级电压信号比例放大为v级电压信号，通过选择反馈电阻和输入电阻的比值确定电压信号的放大倍数；二阶低通滤波器13通过二阶低通滤波电路和电压跟随器滤除放大后电压信号中的高频电压信号，最终输出符合模数转换器要求的电压信号，完成微电流信号到电压信号的iv转换过程。
29.图2示出了本发明一实施例提供的iv转换器的电路示意图，如图2所示，本实施例的iv转换器可采用ti公司生产的tlv2764，tlv2764为四通道低功耗单电源运算放大器，轨对轨输出运算放大器，不需要引入多片运算放大器，减少了离散器件连接可能引入的噪声，采用集成运算放大器本身也是提高电路的性能。在本实施例中tlv2764四通道运算放大器一路用于iv转换器，一路用于反相比例放大器，一路用于二阶低通滤波器中的电压跟随器。tlv2764的供电电压范围为1.8～3.6v，负载相同的情况下，供电电源越低，功耗越小，可采用恒压源提供的3.3v电源对tlv2764进行供电。
30.在具体实施例中，信号检测器可包括光传感器，光传感器将待测信号转换为微电流信号，同时将微电流信号转换为微电压信号。例如，光源发出的荧光经过待测信号猝灭作用，荧光强度或者荧光寿命发生变化，光电二极管接收猝灭的荧光信号并将光信号转换为微电流信号。光电二极管可包括opt301，opt301是基本的光学信号检测器，荧光强度的变化
会导致opt301内部产生电流，产生的电流信号十分微弱，需对微电流信号进行iv转换并放大。opt301内部放大电路中，反相输入端和输出端直接接1mω的反馈电阻，反馈电阻并联一个40pf的电容，增加一个零点，用来进行补偿相位，提高运放工作稳定性，防止自激，信号检测器opt301就可实现iv转换，将微电流信号转换为微电压信号。
31.在具体实施例中，信号检测器只能将待测信号转换为微电流信号，无法将微电流信号转换为微电压信号，就需要在信号检测器外接iv转换器，将微电流信号转换为微电压信号。信号检测器输出的微电流信号与iv转换器的反相输入端连接，iv转换器的反相输入端与iv转换器的输出端之间包括反馈电阻r1，反馈电阻r2并联反馈电容c1。
32.基于负反馈的iv转换器利用负反馈降低输入阻抗，即使增大了电流-电压变换电阻r1的值，也可以通过负反馈的作用把输入阻抗降到很低。同时，iv转换器的信噪比比值受反馈电阻r1的影响很大，其电流-电压转换增益与反馈电阻值r1成正比，反馈电阻r1上产生的噪声与其阻值的平方根成正比，因此，增大反馈电阻值r1，有利于降低iv转换器的信噪比。但当反馈电阻值r1超过100mω时，会使iv转换器的频率特性发生变化，从而影响稳定性，本实施例中反馈电阻r1为1mω，iv转换器的输出电压与输入电流的关系如公式(1)所示：
33.u
out
＝-r1i
in (1)
34.由公式(1)可知，iv转换器的输出电压与输入电流成比例关系，比例系数为r1，负号表示反相，通过负反馈电阻r1将微电流信号转换为微电压信号。
35.反馈电容c1引起的相位滞后叠加到iv转换器的相位滞后上，反馈电阻r1并联反馈电容c1用来进行相位补偿。本实施例在iv转换器的输入端加了一个电容c2，对高频信号有很好的滤除作用。旁路电容c3用于滤除直流信号中的交流信号和部分高频信号，最终iv转换器的输出值是一个相对稳定的直流微电压信号。
36.图3示出了本发明一实施例提供的反相比例放大器的电路示意图，如图3所示，本实施例的反相比例放大器采用ti公司生产的tlv2764中的一路运算放大器。
37.在具体实施例中，iv转换器输出的信号经过r3和c4组成的低通滤波器，滤除微电压信号中较高频率的交流信号，低通滤波电路的截止频率＝1/(2πr3c4)，经过低通滤波后，可以滤除微电压信号中的高频信号。然后经过反相比例放大器，通过反馈电阻r4引入负反馈，反相比例放大器的输出电压与输入电压的关系如公式(2)所示：
[0038][0039]
由公式(2)可知，反相比例放大器的输出电压与输入电压成比例关系，比例系数为-r4/r3，负号表示反相，通过反相比例放大器将微电压信号成比例放大，通过调节r3和r4的阻值可调节反相比例放大器的放大倍数，即确定微电压信号的放大比例。
[0040]
在具体实施例中，iv转换装置还包括仪表放大器，仪表放大器可选择ad620，ad620是一款低成本、高精度的仪表放大器，使用简便，只需要用一个可调电阻就可以实现对微电压信号放大增益的调节，且具有低失调电压、低失调漂移和低功耗的特性，ad620与分离元件组成的三运放结构仪表放大器相比较具有体积小、功耗低、精度高的优点。在反相比例放大器后端加入仪表放大器，可降低负载对微电流信号及器件温升的影响，仪表放大器具有多种增益可设定，可根据模数转换器输入需求进一步放大微电压信号，仪表放大器输出的
电压信号传输至二阶低通滤波器进行低通滤波。
[0041]
在具体实施例中，iv转换装置还包括恒压源，恒压源为iv转换器、反相比例放大器和二阶低通滤波器提供恒定直流电压源，例如恒压源可为tlv2764提供3.3v的恒定直流电压源，即为iv转换器、反相比例放大器和二阶低通滤波器的三路运算放大器均提供恒定直流电压源。
[0042]
恒压源还可为信号检测器提供电压源，例如，恒压源为溶解氧传感器提供恒定直流电压源，溶解氧传感器将待测溶解氧信号转换为微电流信号。若信号检测器为光传感器，则恒压源可为光传感器提供脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)电压源，pwm为占空比50％的电压源，3.3v电压时开启信号检测器，零电压时关闭信号检测器，通过控制pwm波的占空比来控制信号检测器的开启或关闭，可以减少外界干扰和信号检测器的使用时长，同时可以节省能源，延长信号检测器的使用寿命。
[0043]
在具体实施例中，iv转换装置还包括带通滤波器，iv转换装置的输出信号很容易受谐波信号干扰，特别是50hz的工频干扰，因为我国采用的供电频率是50hz，谐波信号和工频信号对电子电路信号处理造成很大程度的干扰，带通滤波电路器可滤除电压信号中的工频干扰以及低频和高频干扰信号，满足待测信号调制解调的需求。
[0044]
带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。带通滤波器的可包括电阻-电感-电容电路，用低通滤波器和高通滤波器组合来产生。也可以采用四阶带通滤波器max7490，通过与分立元器件搭建的带通滤波电路相比，集成滤波芯片具有成本低、功耗低、占用面积小和设计简单的优点，减少电阻电容连接可能引入的噪声，提高带通滤波电路的抗干扰性能。
[0045]
带通滤波器max7490包括两个相同的低功耗，低电压，宽动态范围的二阶滤波器，主要由三部分组成：运算放大器、mos开关和电容器，只需要少量的外部元器件即可实现很好的滤波效果。max7490可以生成的滤波器包括：带通滤波器，低通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器，也可以通过这些滤波器模块的级联，设计出更高阶次的滤波器。在本发明实施例中，采用多级联接得到四阶10khz的带通滤波电路，中心频率为10khz，带宽2khz，响应频率范围为8～12khz，基本上可滤除50hz的工频干扰信号。
[0046]
图4示出了本发明一实施例提供的二阶低通滤波器的电路示意图，如图4所示二阶低通滤波器是由一个二阶低通滤波电路和一个电压跟随器组成，电压跟随器包括tlv2764。
[0047]
在具体实施例中，r7、c6、r8和c7组成的二阶低通滤波电路能有效的滤除高频信号对输入电压信号的影响，通过多阶积分滤波，电压信号中的余弦分量和正弦分量都可得到很好地滤除，二阶低通滤波电路输出电压信号的直流分量。在二阶低通滤波电路和模数转换器之间增加电压跟随器，可实现变换阻抗、缓冲、隔离、提高驱动负载能力，保证模数转换器的转换精度，经过二阶低通滤波器后输出一个近似于恒定的电压信号，该电压信号与待测信号成正比，电压信号经过模数转换器和微处理器后续处理，转换为与待测信号相关的工程值，通过该工程值确定待测信号。
[0048]
图5示出了本发明一实施例提供的微电流iv转换方法的流程示意图，如图5所示，本实施例的检测方法，包括：
[0049]
501、将微电流信号转换为微电压信号；
[0050]
502、放大微电压信号；
[0051]
503、对放大后的微电压信号进行滤波，确定电压信号。
[0052]
由于上述方法是基于转换装置基础上，因此，本方法在工作原理与上述转换装置的原理相同，在此不再赘述。
[0053]
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
[0054]
本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。