电流探测器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量领域，具体涉及一种电流探测器。
【背景技术】
[0002] 对扫描隧道显微镜的隧穿电流，光电探测管、光电倍增管等输出的微弱电流信号 进行准确测量是目前研究的热点。这些微弱电流信号的动态范围特别大，例如电流值在皮 安级至微安级之间。
[0003] 目前对这些微弱电流的测量方法是：将待测的微弱电流经过电流-电压转换器得 到对应的电压信号，将电压信号通过同轴电缆输入至电压放大器进行放大，由于微弱电流 的动态范围大，因此需要机械或电子量程转换开关实现动态范围较大的微弱电流的测量。
[0004] 现有的电流探测器存在以下缺点：当微弱电流为皮安级电流时，电缆本身引起的 漏电、噪音和误差不能忽略，电缆的任何振动都会带来很大的误差，因此对电缆的质量和长 度都提出了严格的要求。另外由于宽量程的限制，皮安级的微弱电流转换为电压信号后也 非常小（例如为毫伏级），电压信号经过多个连接头进行量程选择和电压放大，在电压信号 传输路径上容易受到干扰，并引入了不确定性误差，机械量程转换开关增加了测量操作的 复杂度，而电子量程转换开关的导通电阻也会给测量带来误差。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，本发明的一个实施例提供了一种电流探测器，包括：
[0006] 第一电压参考源，用于输出第一参考电压；
[0007] 电流供应装置，用于输出参考电流；
[0008] 电流放大装置，包括接收待测电流的第一输入端和接收所述参考电流的第二输入 端，用于根据所述参考电流将所述待测电流转换为相应的电压信号；以及
[0009] 模数转换器，包括用于接收所述电压信号的第三输入端和用于接收所述第一参考 电压的第四输入端，所述模数转换器用于根据所述第一参考电压将所述第三输入端接收的 电压信号转换为相应的数字信号。
[0010] 优选的，所述电流放大装置为对数放大器。
[0011] 优选的，所述电流放大装置包括：
[0012] 对数放大器，包括所述第一输入端和所述第二输入端，用于根据所述参考电流将 所述待测电流对数放大为相应的第一电压信号；以及
[0013] 电平变换电路，所述电平变换电路的输出端连接至所述模数转换器的第三输入 端，用于将所述第一电压信号变换为所述相应的电压信号。
[0014] 优选的，所述电流放大装置包括：
[0015] 对数放大器，包括所述第一输入端和所述第二输入端，用于根据所述参考电流将 所述待测电流对数放大为相应的第一电压信号；
[0016] 电平变换电路，用于将所述第一电压信号变换为相应的第二电压信号；以及
[0017] 低通滤波器，所述低通滤波器的输入端连接至所述电平变换电路的输出端且其输 出端连接至所述模数转换器的第三输入端，用于将所述第二电压信号转换为所述相应的电 压信号。
[0018] 优选的，所述电平变换电路包括运算放大器、第一电阻和第二电阻，所述第一电阻 和第二电阻的一端连接至所述运算放大器的反相输入端，所述第一电阻的另一端连接至所 述对数放大器的输出端，所述第二电阻的另一端与所述运算放大器的输出端连接并作为所 述电平变换电路的输出端。
[0019] 优选的，所述电平变换电路还包括第三电阻和第四电阻，所述运算放大器的同相 输入端通过所述第三电阻连接至所述第一电压参考源的输出端，且所述运算放大器的同相 输入端通过所述第四电阻接地。
[0020] 优选的，所述电流探测器还包括第二电压参考源，所述运算放大器的同相输入端 直接电连接至所述第二电压参考源的输出端。
[0021] 优选的，所述电流探测器还包括第三电压参考源，所述电流供应装置为电阻，所述 电阻连接在所述第三电压参考源的输出端和所述第二输入端之间。
[0022] 优选的，所述电流供应装置为电阻，其连接在所述第一电压参考源的输出端和所 述第二输入端之间。
[0023] 优选的，所述电流供应装置为恒流源，所述恒流源的输出端连接至所述第二输入 端。
[0024] 本发明的电流探测器量程宽，且无需量程转换开关，因此减小了电流探测器的体 积。另外可通过物理接头直接与输出待测电流的设备连接，避免了放大器的前端电缆带来 的误差和噪音。再者采用数字化传输降低了后端信号传输电缆的质量和长度要求，进一步 降低了外界干扰对测量结果的影响。
【附图说明】
[0025] 以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
[0026] 图1是本发明第一个实施例的电流探测器的电路图。
[0027] 图2是本发明第二个实施例的电流探测器的电路图。
[0028] 图3是本发明第三个实施例的电流探测器的电路图。
[0029] 图4是本发明第四个实施例的电流探测器的电路图。
[0030] 图5是本发明第五个实施例的电流探测器的电路图。
【具体实施方式】
[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实 施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不用于限定本发明。
[0032] 图1是本发明第一个实施例的电流探测器的电路图。如图1所示，电流探测器10 包括对数放大器11、电平变换电路14、低通滤波器12、模数转换器13、电压参考源151。
[0033] 对数放大器11采用现有技术中的对数放大器，例如选用4127对数放大器，其放大 系数α = 0. 5。对数放大器11的一个输入端子接收待测电流I，另一个输入端子通过电阻 R5与电压参考源151的输出端连接。其中，电压参考源151提供的参考电压Uraf = 4. 096 伏，电阻R5和电压参考源151用于给对数放大器11的另一个输入端子提供0. 5微安的 参考电流Iraf。对数放大器11将待测电流I进行对数放大并得到相应的电压信号U，其中
[0034] 电平变换电路14包括运算放大器141、电阻R1、R2、R3和R4。电阻R1和R2的一 端与运算放大器141的反相输入端相连接，电阻R1的另一端作为电平变换电路14的一个 输入端子连接至对数放大器11的输出端，电阻R2的另一端连接至运算放大器141的输出 端（即电平变换电路14的输出端），电阻R3和R4的一端与运算放大器141的同相输入端 相连接，电阻R3的另一端连接至电压参考源151的输出端，电阻R4的另一端接地。电平变 换电路14输出端的电压1]_=〇? 1+1?2)1?41]1^〇?3+1? 4)1?1-1]1?2/%，其中1?1、1?2為和1? 4分别为电 阻Rl、R2、R3和R4的阻值。在本实施例中，选取札=R2，且R3 = 3R4，则IU = 0· 5Uref-U， 从而实现将对数放大器11输出的电压信号U反相后叠加一直流电压0. 5Uraf。
[0035] 低通滤波器12为RC滤波器，包括电阻R6和电容C，低通滤波器12的输入端电连 接至电平变换电路14的输出端。低通滤波器12用于过滤电压信号中高于其转折频率 的高频噪声或干扰信号，从而在其输出端得到幅值不变的电压信号U'，因此低通滤波器12 减小了系统的高频噪声或干扰信号对待测电流的影响。电阻R6和电容C的参数根据实际 的待测电流I的波动频率而设定，例如过滤ΙΟΚΗζ以上的高频噪声或干扰信号，电容可以选 择1000皮法，电阻R6可以选择1八2* π *10KHz*1000皮法），即16K。
[0036] 模数转换器13的一个输入端子与低通滤波器12的输出端连接，另一个输入端子 与电压参考源151的输出端连接。模数转换器13采用现有技术中的单通道16位模数转换 器（其最大的输出数字码为32767)，用于将其输入端的电压信号U'转换为对应的数字信 号，其输出数字码=U' X 32768/4. 096 = (0.5Uraf-U)X 32768/4. 096。因此减小了模数转 换器13的后端信号传输带来的噪声和外界干扰，降低了其输出端线缆的质量和长度要求。
[0037] 上述电流探测器10中的参数只是示例性解释本发明，并不意欲对本发明进行限 制。为了使得电流探测器10测量的更加精确，应该根据待测电流的动态范围选择合适的参 数，当待测电流的动态范围发生变化时，可以或应设定其他的参数。下面将说明本发明第一 个实施例中参数的选择过程或依据。首先估计待测电流的动态范围，例如60皮安~3毫安， 由于对数放大器11能够精确放大参考电流I raf附近的微弱电流，则对数放大器11的最佳参
?,为了方便计算，在此我们选择参考电流Iraf =〇. 5微安。根据待测电流的动态范围计算得到对数放大器11输出电压的最大值和最小 值的差值=〇. 5峋（3毫安/6皮安）=3. 8495伏。为了使得模数转换器13的输出数字码 尽可能准确，参考电压Uraf优选略大于对数放大器11输出电压的最大差值3. 8495伏，在此