一种微电流测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种微电流测量方法，微电流首先由前置放大阶段对信号进行调制放大，同时将微电流信号转化成微压信号；再通过二个阶段的放大，每个阶段由多级放大器，单片机控制多路选择开关依次闭合，多级放大信号分别送到饱和判别电路，由饱和判别电路做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，单片机给出选择放大级信号，级数倒退1级，并把该级信号送往下一阶段；然后由调制开关对放大后的电压信号分别进行采样保持，通过差分电路去除系统误差，最后输出与被测微电流成正比的电压信号。本发明方法运用开关调制、低通滤波、运放反馈、多级放大、差分、状态判别电路等构成整个测量系统，提高了测量系统的信噪比。
【专利说明】
_种微电流测量方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及微小信号检测领域，特别是一种微电流测量方法。
【背景技术】
[0002]随着科技发展，极限条件下的试验测量已成为进一步认识大自然的重要手段，这些试验中往往测量的都是一些非常弱的物理量，比如弱磁、弱声、弱光、弱振动等，由于这些微弱的信号一般都是通过传感器进行电量转换，使待测的弱信号转换成电信号。实际测量时，噪声和干扰无法回避，影响了测量的灵敏度和准确性。对于PA级电流测量，测量电路无法直接捕获电流信号，需要进行I/U转换。对于转换后的电压信号需进行进一步的放大，否则会被运算放大器的失调电压、偏置电流这些直流信号干扰。问题在于，在放大捕获待测信号的同时，工频干扰、噪声、电路失调等杂质信号也同时被放大，所以需要设计出相关的后续电路加以过滤、去除。对于工频干扰，通过采取屏蔽、滤波即可。而对于电路失调等这些直流杂质信号的消除，需要通过采用调制电路、差分电路过滤掉这些杂质直流信号。
[0003]为了解决最小测量范围为ΙΟρΑ，准确度为0.5级的微电流测量问题，本发明提供了一种微电流测量方法。
【发明内容】
[0004]本发明所采用的技术方案是:
[0005]微电流首先由前置放大阶段对信号进行调制放大，同时将微电流信号转化成微压信号；再通过二个阶段的放大，每个阶段由多级放大器，单片机控制多路选择开关依次闭合，多级放大信号分别送到饱和判别电路，由饱和判别电路做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，单片机给出选择放大级信号，级数倒退I级，并把该级信号送往下一阶段;然后由调制开关对放大后的电压信号分别进行采样保持，通过差分电路去除系统误差，最后输出与被测微电流成正比的电压信号。
[0006]构成的测量装置由开关调制前置放大电路、第I阶段放大电路、第2阶段放大电路、差分解调单元、状态判别电路、A/D转换电路和单片机电路组成。
[0007](I)开关调制前置放大电路由二个调制开关KjPK2、运放A、反馈电阻Rf、平衡电阻R’组成;二个调制开关仏和1(2受单片机控制轮流通断，对输入微电流Is进行调制，滤掉杂质直流信号，经运放A放大得到与待测信号成比例关系的微压信号Uo送到第I阶段放大电路输入端。
[0008](2)第I阶段放大电路由7级低道滤波器和放大器、调零装置、8路选择开关组成;开关调制前置放大电路输出的微压信号及7级放大后的信号V2?V8，由单片机控制8路选择开关依次闭合，8级信号V1-V8分别送到饱和判别单元I，由饱和判别电路做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，单片机给出选择放大级信号，级数倒退I级，并把该级信号送往第2阶段放大电路;为避免工频干扰信号数次被放大，每级放大电路前都设置低通滤波器;调零电路设置在放大电路的末级前，以避免测量电路本身失调信号被数次放大后，可能超出其工作的线性范围。
[0009](3)第2阶段放大电路由4级低道滤波器和放大器、4路选择开关组成，结构与第I阶段放大电路类似;第I阶段放大电路输出的电压信号经第2阶段4级放大后的信号仏?1(4，由单片机控制4路选择开关依次闭合，4级信号K1-K4分别送到饱和判别单元2，由饱和判别电路做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，单片机给出选择放大级信号，级数倒退I级，并把该级信号送往差分解调单元;每级放大倍数不宜过大，以不超过运放的饱和电压且输出信号最大为准。
[0010](4)差分解调单元由2个采样保持器、差分解调电路、取绝对值电路组成，第2阶段放大电路输出的电压信号送到2个采样保持器，单片机给出时钟信号控制2个采样器保持分别闭合和断开，结果送差分解调电路，利用差分电路，使得前置放大电路、主放大电路中伴随着的杂质直流信号得以消除;差分电路的输出送到取绝对值电路，最后输出给A/D转换电路。
[0011](5)状态判别电路由饱和判别单元I和饱和判别单元2组成;第I阶段放大信号输出给I号饱和判别单元，判别电路做出判断结果送至单片机;第2阶段放大信号输出给2号饱和判别单元，判别电路做出判断结果送至单片机。
[0012](6)A/D转换电路和单片机电路由16位A/D转换电路和单片机电路组成，A/D转换电路接受差分解调电路的输出信号，转换后的数字信号给单片机，单片机控制装置的运行。
[0013]工作过程是:前置放大阶段对信号进行调制放大，同时将微电流信号转化成微压信号;信号放大阶段分别由低通滤波放大电路、调零电路、开关选择电路、状态判别电路构成;最后由调制开关对放大后的电压信号分别进行采样保持，通过差分电路去除系统误差，最后输出与被测微电流成正比的电压信号。
[0014]本发明的有益技术效果是:运用开关调制、低通滤波、运放反馈、多级放大、差分、状态判别电路等构成整个测量系统，解决了多级放大与运放电路饱和的问题，提高了测量系统的信噪比。
【附图说明】
[0015]附图1是测量方法的系统构成图。
[0016]附图2是微弱电流差分、调制前置放大器模型图。
[0017]附图3是第I阶段放大电路原理图
[0018]附图4是第2阶段放大电路和差分解调单元原理图
[0019]附图5是状态判别电路原理图
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步说明。
[0021]微弱信号检测就是要从信号源中过滤掉干扰信号，增强且最大限度地还原有用的待测信号，提高信噪比(SNR)，有效抑制噪声是微电流测量的难点和重点。根据噪声的种类和特点，主要有2大来源:I)来自电子系统内部固有噪声，包括运放的偏置电流、失调电压，电子元件发热产生的热噪声，数字电路干扰产生的脉冲式噪声，开关电路产生的尖峰噪声等;2)来自电子系统外部，诸如工频干扰、射频噪声、大气噪声、机械噪声等。测量中，对噪声的处理极其重要，微电流测量的关键在于抑制电路杂质直流信号和工频干扰。
[0022]运用差分、调制电路过滤掉电路中直流杂质信号的测量方法，彻底消除微电流测量过程中测量仪器本身电路产生的干扰。差分、调制是指调制开关由中央处理器控制，对微电流进行调制，通过采用调制电路、差分电路过滤掉这些杂质直流信号，得到与待测信号成比例关系的微压信号。差分、调制电路原理如附图2所示。
[0023]当仏断开，K2闭合，即输出:Uq1= IsRf+U1+Ib+R7 +Ib-Rf
[0024]当仏闭合，K2断开，即输出:1? = Un^IbJT +Ib-Rf
[0025]二式相减即可消除系统误差，即=Uo = Uo1-Uo2 = IsRf
[0026]可知，直流杂质信号被消除，Uo与Is成正比。但Uo信号极其弱，Uo需要经过层层放大，再进行差分。设总的放大倍数为K，则输出为:Uo = KIsRf;被测微电流为:Is = Uo/KRf.。
[0027]如附图1所示测量系统主要由3部分组成:
[0028]I)前置放大阶段，对信号进行调制放大，同时将微电流信号转化成微压信号；
[0029]2)信号放大阶段，分别由低通滤波放大电路、调零电路、开关选择电路、状态判别电路构成；
[0030]3)信号输出，由采样保持、差分电路等构成，由调制开关对放大后的电压信号分别进行采样保持，通过差分电路去除系统误差，最后输出与被测微电流成正比的电压信号。
[0031]第I阶段放大过程分为7小级(V2?V8)完成，如附图3所示由上至下逐渐放大;前置放大电路输出的微压信号在第I阶段进行放大时，由单片机控制放大级数;级数的确定先由多路开关依次闭合，由状态判别电路做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，级数倒退I级，并送往第2阶段放大。为避免工频干扰信号数次被放大，每级放大电路都设置低通滤波器。调零电路设置在放大电路的末级，以避免测量电路本身失调信号被数次放大后，可能超出其工作的线性范围。
[0032]第2阶段共分4级放大，每级放大倍数不宜过大，以不超过运放的饱和电压且输出信号最大为准，如附图4所示。依据调制开关的不同时态，将信号放大阶段输出的结果存储在2个寄存器中，利用差分电路，使得前置放大电路，主放大电路中伴随着的杂质直流信号得以消除。
[0033]微电流测量装置除电路结构设计外，在元器件选择、电路安装及工艺上也要采取一定的措施。为达到PA级微电流测量，必须注意以下几点:
[0034]I)为了尽量避免干扰，应将输入接线端用屏蔽环完全环绕，并将屏蔽层与外壳、衬底及信号地连接，将保护环设置在印刷板的正反两面。
[0035]2)电路的各条回路都应以地作为电流返回的通道，鉴于地线上的阻抗不是零而形成电位差，地线与信号线间的电容耦合会进一步增加噪声干扰，因此，要尽量设置少的接地点或减小接地点间的距离。
[0036]3)PCB布线时，要注意各种器件的摆放，每个芯片必须配置去耦电容，功率大的元器件要求靠近电源位置，尽量减小电线长度，在电源和放大器的输出部分大面积敷铜。在进行线路板的走线时，先走地线及电源线。
[0037]依据本发明提出的微电流测量方法，对于1pA电流，仪器准确度可达0.5级，具有较高的准确度和较好的测量重复性、稳定性。
[0038]以上是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于发明技术方案的范围内。
【主权项】
1.一种微电流测量方法，其特征在于，微电流首先由前置放大阶段对信号进行调制放大，同时将微电流信号转化成微压信号;再通过二个阶段的放大，每个阶段由多级放大器，单片机控制多路选择开关依次闭合，多级放大信号分别送到饱和判别电路，由饱和判别电路做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，单片机给出选择放大级信号，级数倒退I级，并把该级信号送往下一阶段;然后由调制开关对放大后的电压信号分别进行采样保持，通过差分电路去除系统误差，最后输出与被测微电流成正比的电压信号;构成的测量装置由开关调制前置放大电路、第I阶段放大电路、第2阶段放大电路、差分解调单元、状态判别电路、A/D转换电路和单片机电路组成;开关调制前置放大电路由二个调制开关仏和K2、运放A、反馈电阻Rf、平衡电阻R’组成，二个调制开关仏和1(2受单片机控制轮流通断，对输入微电流Is进行调制，滤掉杂质直流信号，经运放A放大得到与待测信号成比例关系的微压信号Uo送到第I阶段放大电路输入端;第I阶段放大电路由7级低道滤波器和放大器、调零装置、8路选择开关组成，开关调制前置放大电路输出的微压信号及7级放大后的信号V2?V8，由单片机控制8路选择开关依次闭合，8级信号V1-V8分别送到饱和判别单元I，由饱和判别电路做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，单片机给出选择放大级信号，级数倒退I级，并把该级信号送往第2阶段放大电路;每级放大电路前都设置低通滤波器，调零电路设置在7级放大电路的末级前;第2阶段放大电路由4级低道滤波器和放大器、4路选择开关组成，结构与第I阶段放大电路类似，第I阶段放大电路输出的电压信号经第2阶段4级放大后的信号仏?仏，由单片机控制4路选择开关依次闭合，4级信号K1-K4分别送到饱和判别单元2，由饱和判别电路做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，单片机给出选择放大级信号，级数倒退I级，并把该级信号送往差分解调电路;差分解调单元由2个采样保持器、差分解调电路、取绝对值电路组成，第2阶段放大电路输出的电压信号送到2个采样保持器，单片机给出时钟信号控制2个采样器保持分别闭合和断开，结果送差分解调电路;差分解调电路的输出送到取绝对值电路，最后输出给A/D转换电路;状态判别电路由饱和判别单元I和饱和判别单元2组成，第I阶段放大信号输出给I号饱和判别单元，判别电路做出判断结果送至单片机;第2阶段放大信号输出给2号饱和判别单元，判别电路做出判断结果送至单片机，A/D转换电路和单片机电路由16位A/D转换电路和单片机电路组成，A/D转换电路接受差分解调电路的输出信号，转换后的数字信号给单片机，单片机控制装置的运行。
【文档编号】G01R19/25GK106093546SQ201610602774
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月27日 公开号201610602774.0, CN 106093546 A, CN 106093546A, CN 201610602774, CN-A-106093546, CN106093546 A, CN106093546A, CN201610602774, CN201610602774.0
【发明人】潘丰, 沈蒙
【申请人】江南大学