一種微電流測量方法研究與實現

　　圖4第1級放大電路原理

　　4.3第2級放大電路原理

　　共分4級放大，每級放大倍數不宜過大，以不超過運放的飽和電壓且輸出信號最大為準，如圖5所示。

　　圖5第2級放大電路原理

　　依據調制開關的不同時態，將信號放大階段輸出的結果存儲在2個寄存器中，利用差分電路，使得前置放大電路，主放大電路中伴隨著的雜質直流信號得以消除。

　　4.4狀態判別電路原理

　　采用供電電源為3 V的前置放大電路，J/U轉換后的信號輸出給1號狀態判別電路，由判別電路做出判斷將結果送至中央處理器；中問主放大電路均采用電源為15 V的運算放大器，電路輸出給2號狀態判別電路，將結果送至中央處理器如圖6所示。

　　圖6狀態判別電路原理

　　5安裝注意事項

　　除電路結構設計外，在元器件選擇、電路安裝及工藝上也要采取一定的措施。為達到pA級微電流測量，必須注意以下幾點：

　　1）為了盡量避免干擾，應將輸入接線端用屏蔽環完全環繞，并將屏蔽層與外殼、襯底及信號地連接口］，將保護環設置在印刷板的正反兩面。

　　2）電路的各條回路都應以地作為電流返回的通道，鑒于地線上的阻抗不是零而形成電位差，地線與信號線間的電容耦合會進一步增加噪聲干擾，因此，要盡量設置少的接地點或減小接地點間的距離。

　　3）PCB布線時，要注意各種器件的擺放，每個芯片必須配置去耦電容，功率大的元器件要求靠近電源位置，盡量減小電線長度，在電源和放大器的輸出部分大面積敷銅。在進行線路板的走線時，先走地線及電源線。

　　6試驗仿真

　　6.1工頻干擾試驗

　　工頻噪聲可以通過空間輻射、傳導進入，通過對測量儀器加裝金屬屏蔽層，測試者手接觸儀器外殼時，測試電路輸出波形如圖7所示；撤掉金屬屏蔽層，測試者手接近儀器外殼時，測試電路輸出波形如圖8所示，從兩圖對比中可以看出50 Hz噪聲得到有效抑制。

　　圖7屏蔽時電路輸出波形

　　圖8無屏蔽時電路輸出波形

　　6.2驗證調制采樣電路、差分電路的有效性

　　為過濾掉電路失調等直流雜質信號，采用調制電路、差分電路。為驗證電路的有效性，用示波器分別測量采樣保持輸入端波形和差分電路輸出端波形，如圖9所示。很明顯，直流雜質被有效過濾。

　　圖9差分電路后輸出波形

　　6.3測試數據

　　測試數據，如表1所示不同值的5次測量結果。

　　對于100 pA，測量平均值：

　　=100.156 pA，測量誤差為0.16%，測量重復性s=0.24 pA；

　　對于10 pA，測量平均值：

　　=9.993 pA，測量誤差為- 0.07%，測量重復性s=0.04 pA.

　　測量準確度、重復性達到預期目的，符合0.5級要求。

　　7結論

　　隨著電子測量技術的進一步發展，pA級別的電流測量在眾多領域具有極其重要的地位，微電流測量極易受到環境條件和測量儀器自身噪聲的影響。依據提出的測量方法設計的測量儀器經高、低溫、電磁干擾等試驗，對于10 pA電流，儀器準確度可達0.5級，具有較高的準確度和較好的測量重復性、穩定性。試驗數據表明，去除工頻干擾和直流誤差的影響是減小微電流測量誤差的主要因素。