CN109799378A - 一种微电流检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微弱电流检测电路，包括：可调分压电阻电路、I‑V转换电路和大电阻R3；可调分压电阻电路包括：第一电阻R1和第二电阻R2，I‑V转换电路包括：保护电阻R4、反馈电容Cf、运放芯片和继电器选择通断电路；继电器选择通断电路包括：反馈支路一、反馈支路二、反馈支路三、反馈支路四和反馈支路五；可调电阻的改变控制输入电压的大小，通过控制各个继电器的通断以达到改变反馈电阻的大小，最终可得到不同量级的电流，通过调节可变电阻的大小，即可改变经典负反馈I‑V转换电路输入电压的大小，最终使电路中的电流达到fA级，实现对微弱电流的检测。

Description

一种微电流检测电路

技术领域

本发明涉及微电流的技术领域，特别是涉及一种微电流检测电路，该电路使用一种继电器的通断来检测不同量级的微电流，涉及一种I-V转换电路。

背景技术

在实际应用中，微电流检测电路通常是针对噪声的一种检测技术，该技术在军事侦查、物理学、化学、电化学、生物医学、天文学、地学、磁学等许多领域具有广泛的应用，微电流检测是通过泄露电流的测量来评估绝缘材料的状况或者是通过传感器中的微电流来检测所需的信号。微电流检测电路一般采用一个高电阻以及I-V转换电路来实现微电流的输出，将微电流转换为易于测量的电压信号，目前广泛使用的是转换电路，即使用一般的大电阻来获取微电流，这种方式使用简单，但操作复杂，需要在电路中加入一系列的滤波电路，并且电路复杂、灵活性低、运行频率不高、电磁干扰严重、信噪比大、输出电压不稳定等。

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：避免微电流检测电路在实现微电流的输出时出现电磁干扰，提高输出电压的稳定性，以及保证在测量过程中的漏电流达到最小，并且达到电流输出为fA级。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种微电流检测电路，用继电器的通断实现反馈电阻的改变，来达到分级检测微电流，减小微电流的漏电并且在测量过程当中抑制噪声比，以达到电压的稳定输出，实现对电流的输出为fA级。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种微电流检测电路，包括：可调分压电阻电路、I-V转换电路和大电阻R3；

所述可调分压电阻电路包括：第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的一端接2.5V电压，第一电阻R1的另一端分别与第二电阻R2的一端、大电阻R3的一端连接，第二电阻R2的另一端接地；

所述I-V转换电路包括：保护电阻R4、反馈电容Cf、运放芯片和继电器选择通断电路；

所述继电器选择通断电路包括：反馈支路一、反馈支路二、反馈支路三、反馈支路四和反馈支路五；

反馈支路一包括：继电器K1和反馈电阻R_f1，继电器K1的一端与反馈电阻R_f1的一端连接，

反馈支路二包括：继电器K2和反馈电阻R_f2，继电器K2的一端与反馈电阻R_f2的一端连接；

反馈支路三包括：继电器K3和反馈电阻R_f3，继电器K3的一端与反馈电阻R_f3的一端连接；

反馈支路四包括：继电器K4和反馈电阻R_f4，继电器K4的一端与反馈电阻R_f4的一端连接；

反馈支路五包括：继电器K5和反馈电阻R_f5，继电器K5的一端和反馈电阻R_f5的一端连接，

继电器K1的另一端、继电器K2的另一端、继电器K3的另一端、继电器K4的另一端、继电器K5的另一端连接在一起，并与反馈电容Cf的一端连接，

反馈电阻R_f1的另一端、反馈电阻R_f2的另一端、反馈电阻R_f3的另一端、反馈电阻R_f4的另一端、反馈电阻R_f5的另一端连接在一起，并与反馈电容Cf的另一端连接，

大电阻R3的另一端分别与保护电阻R4的一端、反馈电容Cf的一端连接，反馈电容Cf的另一端与运放芯片的输出端连接，保护电阻R4的另一端与运放芯片的负端连接，运放芯片的正端接地。

在上述方案的基础上，所述第一电阻R1为可调电阻；所述可调分压电阻电路通过改变可调电阻的大小改变输入电压的大小，能够在微电流测试当中得到更多的数据。

在上述方案的基础上，所述I-V转换电路根据输入电压的大小，改变反馈支路的电流，将其转换为反馈电阻两端的电压输出。

在上述方案的基础上，所述继电器选择通断电路根据继电器的通断，选择相应的反馈支路，进而检测不同量级的电流。

在上述方案的基础上，所述反馈电容Cf用于抵消输入电容的影响，提高影响时间，同时与反馈电阻一起提供一定的时间常数。

在上述方案的基础上，所述保护电阻R4用于提供保护，避免偶然输入过压导致运放芯片损坏。

在上述方案的基础上，所述运放芯片的型号为LMC6061A，采用±2.5V的双电源供电方式。

在上述方案的基础上，当继电器K1闭合，其他继电器断开时，R_f1＝10MΩ，反馈支路一作为检测电流的反馈支路，可将100pA电流转换为1mV电压，后续的采集和处理电路可以分辨此幅度的电压变化，即此支路可用于检测100pA量级的电流；

当继电器K2闭合，其他继电器断开时，R_f2＝100MΩ，反馈支路二作为检测电流的反馈支路，可将10pA电流转换为1mV电压，后续的采集和处理电路可以分辨此幅度的电压变化，即此支路可用于检测10pA量级的电流；

当继电器K3闭合，其他继电器断开时，R_f3＝1GΩ，反馈支路三作为检测电流的反馈支路，可将1pA电流转换为1mV电压，后续的采集和处理电路可以分辨此幅度的电压变化，即此支路可用于检测1pA量级的电流；

当继电器K4闭合，其他继电器断开时，R_f4＝10GΩ，反馈支路四作为检测电流的反馈支路，可将100fA电流转换为1mV电压，后续的采集和处理电路可以分辨此幅度的电压变化，即此支路可用于检测100fA量级的电流；

当继电器K5闭合，其他继电器断开时，R_f5＝100GΩ，反馈支路五作为检测电流的反馈支路，可将10fA电流转换为1mV电压，后续的采集和处理电路可以分辨此幅度的电压变化，即此支路可用于检测10fA量级的电流。

在上述方案的基础上，所述微电流检测电路为了防止测试过程中的漏电现象，在运放芯片以及电流输入端的焊点处采用防护漆进行涂覆，所述微电流检测电路的整块板卡采用高阻抗印制电路板。

在上述方案的基础上，所述微电流检测电路，在电流输入端的周围布置一圈接地线，保证电流输入端与周围等电位，用于避免因存在电压差而产生漏电流。

采用2.5V电压作为输入信号，经过大电阻R3提供测试用的标准电流，通过I-V转换电路将电流信号转换为反馈电阻两端的电压信号作为测量信号，通过计算可得出输出电流。在反馈支路加入继电器，通过继电器的通断可控制各反馈支路的通断以达到不同量级微电流的检测，电流流经大电阻再通过保护电阻与运放芯片的负端相连，反馈电阻R_f与运放芯片负端相连，通过虚地的计算可以计算出输出信号，即输出电压的大小，通过可调电阻的改变使得输出电流达到fA级。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明给出了一种微电流检测电路，针对高电阻抑制信噪比的特点，采用高电阻作为反馈电阻，通过控制继电器的通断来分级检测微电流，采用微小漏电的运放芯片，在电路中设计了反馈电容与反馈电阻并联，用于抵消输入电容的影响，提高响应时间，采用此电路，可以将信噪比达到比1更小。并且通过改变可调电阻很容易使输出信号达到所需的fA级。

附图说明

本发明有如下附图：

图1是微弱电流检测实施例的结构框图；

图2是微弱电流检测电路的电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

在测量微电流时，使用高电阻提供所需的fA级电流，使用高电阻作为反馈电阻能够抑制信噪比，能够达到所需的稳定电压，加入反馈电容可以抵消输入电容的影响，提高响应时间，通过加入保护电阻使得电路不因为偶然过压而损坏运放电路，加入五个反馈支路，通过控制各个反馈支路继电器的通断来达到各量级的微电流的检测。通过以上电路的描述，可以使电路输出稳定的fA级电流。

参考图1，示出微电流检测实施例的结构框图，具体包括以下部件：

稳压电路稳压模块、可调分压电阻电路、I-V转换电路和大电阻R3；

所述稳压电路模块接收直流电压源的电压，用低压差低功耗的稳压芯片三端稳压成2.5V，自耗电<4μA；

所述可调分压电阻电路通过改变可调电阻的大小可改变输入电压的大小，能够在微电流测试当中得到更多的数据；

所述I-V转换电路根据输入电压的大小，改变反馈支路的电流，将其转换为反馈电阻两端的电压输出；

所述五个反馈支路，通过控制各个反馈支路继电器的通断电路，以达到不同量级的电阻接入到反馈电阻中，可测量不同量级的微电流，最终使测量效果达到fA级；

所述反馈电容Cf用于抵消输入电容的影响，提高影响时间，同时也与反馈电阻一起提供一定的时间常数；

所述保护电阻R4用于提供保护，不至于因偶然输入过压而导致运放损坏。

采用2.5V电压作为输入信号，经过高电阻R3提供测试用的标准电流，通过I-V转换电路将电流信号转换为反馈电阻两端的电压信号作为测量信号，通过计算可得出输出电流。在反馈支路加入继电器，通过继电器的通断可控制各反馈支路的通断以达到不同量级微电流的检测，电流流经高电阻再通过保护电阻与运放的负端相连，反馈电阻R_f与运放负端相连，通过虚地的计算可以计算出输出信号即输出电压的大小，通过可调电阻的改变使得输出电流达到fA级。

参考图2，示出微电流检测电路的电路结构图，具体包括以下部件：

可调分压电阻电路、I-V转换电路和大电阻R3；

所述可调分压电阻电路包括：第一电阻R1和第二电阻R2，

第一电阻R1的一端接2.5V电压，第一电阻R1的另一端分别与第二电阻R2的一端、大电阻R3的一端连接，第二电阻R2的另一端接地；

所述I-V转换电路包括：保护电阻R4、反馈电容Cf、运放芯片和继电器选择通断电路；

所述继电器选择通断电路包括：反馈支路一、反馈支路二、反馈支路三、反馈支路四和反馈支路五；

反馈支路一包括：继电器K1和反馈电阻R_f1，继电器K1的一端与反馈电阻R_f1的一端连接，

反馈支路二包括：继电器K2和反馈电阻R_f2，继电器K2的一端与反馈电阻R_f2的一端连接；

反馈支路三包括：继电器K3和反馈电阻R_f3，继电器K3的一端与反馈电阻R_f3的一端连接；

反馈支路四包括：继电器K4和反馈电阻R_f4，继电器K4的一端与反馈电阻R_f4的一端连接；

反馈支路五包括：继电器K5和反馈电阻R_f5，继电器K5的一端和反馈电阻R_f5的一端连接，

继电器K1的另一端、继电器K2的另一端、继电器K3的另一端、继电器K4的另一端、继电器K5的另一端连接在一起，并与反馈电容Cf的一端连接，

反馈电阻R_f1的另一端、反馈电阻R_f2的另一端、反馈电阻R_f3的另一端、反馈电阻R_f4的另一端、反馈电阻R_f5的另一端连接在一起，并与反馈电容Cf的另一端连接，

大电阻R3的另一端分别与保护电阻R4的一端、反馈电容Cf的一端连接，反馈电容Cf的另一端与运放芯片的输出端连接，保护电阻R4的另一端与运放芯片的负端连接，运放芯片的正端接地。

在上述方案的基础上，所述运放芯片的型号为LMC6061A，采用±2.5V的双电源供电方式。

在上述方案的基础上，当继电器K1闭合，其他继电器断开时，R_f1＝10MΩ，反馈支路一作为检测电流的反馈支路，可将100pA电流转换为1mV电压，后续的采集和处理电路可以分辨此幅度的电压变化，即此支路可用于检测100pA量级的电流；

当继电器K2闭合，其他继电器断开时，R_f2＝100MΩ，反馈支路二作为检测电流的反馈支路，可将10pA电流转换为1mV电压，后续的采集和处理电路可以分辨此幅度的电压变化，即此支路可用于检测10pA量级的电流；

当继电器K3闭合，其他继电器断开时，R_f3＝1GΩ，反馈支路三作为检测电流的反馈支路，可将1pA电流转换为1mV电压，后续的采集和处理电路可以分辨此幅度的电压变化，即此支路可用于检测1pA量级的电流；

当继电器K4闭合，其他继电器断开时，R_f4＝10GΩ，反馈支路四作为检测电流的反馈支路，可将100fA电流转换为1mV电压，后续的采集和处理电路可以分辨此幅度的电压变化，即此支路可用于检测100fA量级的电流；

当继电器K5闭合，其他继电器断开时，R_f5＝100GΩ，反馈支路五作为检测电流的反馈支路，可将10fA电流转换为1mV电压，后续的采集和处理电路可以分辨此幅度的电压变化，即此支路可用于检测10fA量级的电流。

在上述方案的基础上，所述微电流检测电路为了防止测试过程中的漏电现象，在运放芯片以及电流输入端的焊点处采用防护漆进行涂覆，所述微电流检测电路的整块板卡采用高阻抗印制电路板。

在上述方案的基础上，所述微电流检测电路，在电流输入端的周围布置一圈接地线，保证电流输入端与周围等电位，用于避免因存在电压差而产生漏电流。

需要说明的是，对于本发明的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的部件组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明的装置并不受所描述的材料和部件的限制，因为依据本发明，某些材料和部件可以采用其他材料和部件代替。

其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必须的。在具体实现中，所述装置实施例可以设置单独运用，或根据实际情况设置多个配套使用，本发明也可用于众多漏电测量中，本发明对此不做限制。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的I-V转换电路进行了详细介绍，本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种微电流检测电路，其特征在于，包括：可调分压电阻电路、I-V转换电路和大电阻R3；

所述可调分压电阻电路包括：第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的一端接2.5V电压，第一电阻R1的另一端分别与第二电阻R2的一端、大电阻R3的一端连接，第二电阻R2的另一端接地；

所述I-V转换电路包括：保护电阻R4、反馈电容Cf、运放芯片和继电器选择通断电路；

所述继电器选择通断电路包括：反馈支路一、反馈支路二、反馈支路三、反馈支路四和反馈支路五；

反馈支路一包括：继电器K1和反馈电阻R_f1，继电器K1的一端与反馈电阻R_f1的一端连接，

反馈支路二包括：继电器K2和反馈电阻R_f2，继电器K2的一端与反馈电阻R_f2的一端连接；

反馈支路三包括：继电器K3和反馈电阻R_f3，继电器K3的一端与反馈电阻R_f3的一端连接；

反馈支路四包括：继电器K4和反馈电阻R_f4，继电器K4的一端与反馈电阻R_f4的一端连接；

反馈支路五包括：继电器K5和反馈电阻R_f5，继电器K5的一端和反馈电阻R_f5的一端连接，

继电器K1的另一端、继电器K2的另一端、继电器K3的另一端、继电器K4的另一端、继电器K5的另一端连接在一起，并与反馈电容Cf的一端连接，

反馈电阻R_f1的另一端、反馈电阻R_f2的另一端、反馈电阻R_f3的另一端、反馈电阻R_f4的另一端、反馈电阻R_f5的另一端连接在一起，并与反馈电容Cf的另一端连接，

大电阻R3的另一端分别与保护电阻R4的一端、反馈电容Cf的一端连接，反馈电容Cf的另一端与运放芯片的输出端连接，保护电阻R4的另一端与运放芯片的负端连接，运放芯片的正端接地。

2.如权利要求1所述的微电流检测电路，其特征在于，所述第一电阻R1为可调电阻；所述可调分压电阻电路通过改变可调电阻的大小改变输入电压的大小。

3.如权利要求1所述的微电流检测电路，其特征在于，所述I-V转换电路根据输入电压的大小，改变反馈支路的电流，将其转换为反馈电阻两端的电压输出。

4.如权利要求1所述的微电流检测电路，其特征在于，所述继电器选择通断电路根据继电器的通断，选择相应的反馈支路，进而检测不同量级的电流。

5.如权利要求4所述的微电流检测电路，其特征在于，当继电器K1闭合，其他继电器断开时，R_f1＝10MΩ，反馈支路一作为检测电流的反馈支路，将100pA电流转换为1mV电压，此支路用于检测100pA量级的电流；

当继电器K2闭合，其他继电器断开时，R_f2＝100MΩ，反馈支路二作为检测电流的反馈支路，将10pA电流转换为1mV电压，此支路用于检测10pA量级的电流；

当继电器K3闭合，其他继电器断开时，R_f3＝1GΩ，反馈支路三作为检测电流的反馈支路，将1pA电流转换为1mV电压，此支路用于检测1pA量级的电流；

当继电器K4闭合，其他继电器断开时，R_f4＝10GΩ，反馈支路四作为检测电流的反馈支路，将100fA电流转换为1mV电压，此支路用于检测100fA量级的电流；

当继电器K5闭合，其他继电器断开时，R_f5＝100GΩ，反馈支路五作为检测电流的反馈支路，将10fA电流转换为1mV电压，此支路用于检测10fA量级的电流。

6.如权利要求1所述的微电流检测电路，其特征在于，所述反馈电容Cf用于抵消输入电容的影响，提高影响时间，同时与反馈电阻一起提供一定的时间常数。

7.如权利要求1所述的微电流检测电路，其特征在于，所述保护电阻R4用于提供保护，避免偶然输入过压导致运放芯片损坏。

8.如权利要求1所述的微电流检测电路，其特征在于，所述运放芯片的型号为LMC6061A，采用±2.5V的双电源供电方式。

9.如权利要求1-8任一权利要求所述的微电流检测电路，其特征在于，所述微电流检测电路为了防止测试过程中的漏电现象，在运放芯片以及电流输入端的焊点处采用防护漆进行涂覆，所述微电流检测电路的整块板卡采用高阻抗印制电路板。

10.如权利要求1-8任一权利要求所述的微电流检测电路，其特征在于，所述微电流检测电路，在电流输入端的周围布置一圈接地线，保证电流输入端与周围等电位，用于避免因存在电压差而产生漏电流。