一種微電流測量方法研究與實(shí)現(xiàn)

　　隨著科技發(fā)展，極限條件下的試驗(yàn)測量已成為進(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)一般都是通過傳感器進(jìn)行電量轉(zhuǎn)換，使待測的弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。實(shí)際測量時(shí)，噪聲和干擾無法回避，影響了測量的靈敏度和準(zhǔn)確性。以研究測量pA級(jí)電流為目的，開發(fā)設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確度為0.5級(jí)的微電流測量儀，測量的最小范圍為10 pA.對(duì)于pA級(jí)電流測量，測量電路無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。問題在于，在放大捕獲待測信號(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)電路加以過濾、去除。對(duì)于工頻干擾，通過采取屏蔽、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，即通過采用調(diào)制電路、差分電路過濾掉這些雜質(zhì)直流信號(hào)。

　　2微電流測量方法概述

　　2.1測量方法

　　微弱信號(hào)檢測就是要從信號(hào)源中過濾掉干擾信號(hào)，增強(qiáng)/最大限度地還原有用的待測信號(hào)，提高信噪比（SNR），有效抑制噪聲是微電流測量的難點(diǎn)和重點(diǎn)。新的微電流檢測方法的提出及微電流測量儀的研制是目前該領(lǐng)域內(nèi)的一大熱點(diǎn)。就檢測方法而言，目前主要有：取樣積分法、相關(guān)檢測法、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)噪聲的種類和特點(diǎn)，主要有2大來源：1）來自電子系統(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，開關(guān)電路產(chǎn)生的尖峰噪聲等；2）來自電子系統(tǒng)外部，諸如工頻干擾、射頻噪聲、大氣噪聲、機(jī)械噪聲等。測量中，對(duì)噪聲的處理極其重要，該文提出，微電流測量的關(guān)鍵在于抑制電路雜質(zhì)直流信號(hào)和工頻干擾。

　　2.2微電流測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　美國吉時(shí)利公司利用在靈敏電流測量儀器上的技術(shù)優(yōu)勢，已經(jīng)開發(fā)出6482型雙通道皮安表/電壓源，測量分辨率高達(dá)1 fA，6位半，測量范圍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)放反饋電流法測量原理如圖1所示。

　　圖1運(yùn)放反饋電流測量法原理

　　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)制電路過濾掉電路中直流雜質(zhì)信號(hào)的測量方法，徹底消除微電流測量過程中測量儀器本身電路產(chǎn)生的干擾。差分、調(diào)制是指調(diào)制開關(guān)由中央處理器控制，對(duì)微電流進(jìn)行調(diào)制，通過采用調(diào)制電路、差分電路過濾掉這些雜質(zhì)直流信號(hào)，得到與待測信號(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，K2閉合，即輸出：

　　U01= IsRf+UI0+Ib+R＇+Ib-Rf （3）

　　當(dāng)K1閉合，K2斷開，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）

　　通過式（5）得知，直流雜質(zhì)信號(hào)被消除，可見，Uo與Is成正比。但Uo信號(hào)極其弱，Uo需要經(jīng)過層層放大，再進(jìn)行差分。設(shè)總的放大倍數(shù)為K，則輸出為：Uo=KIsRf；被測微電流為：

　　Is=Uo/（KRf） （6）

　　測量結(jié)果送往儀器的中央處理器，最后通過顯示電路顯示出來。 4系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　4.1測量電路構(gòu)成

　　本測量電路由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)制開關(guān)對(duì)放大后的電壓信號(hào)分別進(jìn)行采樣保持，通過差分電路去除系統(tǒng)誤差，最后輸出與被測微電流成正比的電壓信號(hào)。測量電路構(gòu)成如圖3所示。

　　圖3測量電路系統(tǒng)構(gòu)成

　　4.2第1級(jí)放大電路原理

　　放大過程分為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。