CN106093546A - 一种微电流测量方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
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
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。
为了解决最小测量范围为10pA，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
本发明所采用的技术方案是：
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。
构成的测量装置由开关调制前置放大电路、第1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。
(1)开关调制前置放大电路由二个调制开关K1和K2、运放A、反馈电阻Rf、平衡电阻R’组成；二个调制开关K1和K2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U0送到第1阶段放大电路输入端。
(2)第1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1，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。
(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1阶段放大电路类似；第1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K1～K4，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1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。
(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。
(5)状态判别电路由饱和判别单元1和饱和判别单元2组成；第1阶段放大信号输出给1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。
(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。
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。
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
附图1是测量方法的系统构成图。
附图2是微弱电流差分、调制前置放大器模型图。
附图3是第1阶段放大电路原理图
附图4是第2阶段放大电路和差分解调单元原理图
附图5是状态判别电路原理图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
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：1)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。
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。
当K1断开，K2闭合，即输出：U01＝ISRf+UI0+Ib+R′+Ib-Rf
当K1闭合，K2断开，即输出：U01＝UI0+Ib+R′+Ib-Rf
二式相减即可消除系统误差，即：U0＝U01-U02＝ISRf
可知，直流杂质信号被消除，U0与IS成正比。但U0信号极其弱，U0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：U0＝KISRf；被测微电流为：IS＝U0/KRf.。
如附图1所示测量系统主要由3部分组成：
1)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；
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；
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。
第1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1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1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。
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。
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：
1)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。
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。
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。
依据本发明提出的微电流测量方法，对于10pA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。
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。
Claims (1)
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；构成的测量装置由开关调制前置放大电路、第1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K1和K2、运放A、反馈电阻Rf、平衡电阻R’组成，二个调制开关K1和K2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U0送到第1阶段放大电路输入端；第1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1，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1阶段放大电路类似，第1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K1～K4，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1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1和饱和判别单元2组成，第1阶段放大信号输出给1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。
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|---|---|
| CN (1) | CN106093546A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106773952A (zh) * | 2016-12-14 | 2017-05-31 | 北京三快在线科技有限公司 | 一种信号采样电路、信号采样装置和信号采样方法 |
| CN110336547A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-10-15 | 华中科技大学 | 一种大量程抗饱和数字式信号幅度解调方法及解调器 |
| CN113484595A (zh) * | 2021-07-09 | 2021-10-08 | 江南大学 | 一种用于存内运算的存算单元的电流读出系统及方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103399201A (zh) * | 2013-08-16 | 2013-11-20 | 中国科学院微电子研究所 | 一种传感器微弱信号通用检测芯片系统 |
| CN203772930U (zh) * | 2013-12-06 | 2014-08-13 | 中国科学院等离子体物理研究所 | 一种弱电流信号检测系统 |
| CN104316756A (zh) * | 2014-10-10 | 2015-01-28 | 陕西易阳科技有限公司 | 一种数字电压表 |
| CN104777353A (zh) * | 2015-03-27 | 2015-07-15 | 桂林理工大学 | 一种基于单片机控制的多通道小电流采集方法及系统 |
| CN105425025A (zh) * | 2015-11-23 | 2016-03-23 | 浙江工业职业技术学院 | 一种高精度多量程微弱电流检测系统 |
-
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103399201A (zh) * | 2013-08-16 | 2013-11-20 | 中国科学院微电子研究所 | 一种传感器微弱信号通用检测芯片系统 |
| CN203772930U (zh) * | 2013-12-06 | 2014-08-13 | 中国科学院等离子体物理研究所 | 一种弱电流信号检测系统 |
| CN104316756A (zh) * | 2014-10-10 | 2015-01-28 | 陕西易阳科技有限公司 | 一种数字电压表 |
| CN104777353A (zh) * | 2015-03-27 | 2015-07-15 | 桂林理工大学 | 一种基于单片机控制的多通道小电流采集方法及系统 |
| CN105425025A (zh) * | 2015-11-23 | 2016-03-23 | 浙江工业职业技术学院 | 一种高精度多量程微弱电流检测系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 胡军: "一种微电流测量方法的研究", 《国外电子测量技术》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106773952A (zh) * | 2016-12-14 | 2017-05-31 | 北京三快在线科技有限公司 | 一种信号采样电路、信号采样装置和信号采样方法 |
| CN106773952B (zh) * | 2016-12-14 | 2019-11-29 | 北京三快在线科技有限公司 | 一种信号采样电路、信号采样装置和信号采样方法 |
| CN110336547A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-10-15 | 华中科技大学 | 一种大量程抗饱和数字式信号幅度解调方法及解调器 |
| CN113484595A (zh) * | 2021-07-09 | 2021-10-08 | 江南大学 | 一种用于存内运算的存算单元的电流读出系统及方法 |
| CN113484595B (zh) * | 2021-07-09 | 2022-06-10 | 江南大学 | 一种用于存内运算的存算单元的电流读出系统及方法 |
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