CN111751611B - 微弱电流的测量系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种微弱电流的测量系统，该系统包括：依次连接的第一信号处理模块，模数转换模块和第二信号处理模块，第一信号处理模块的输入端为微弱电流的输入端，第一信号处理模块，用于基于传递函数将微弱电流信号转换为电压信号，将电压信号发送至模数转换模块；模数转换模块，用于将模拟电压信号转换为数字电压信号，发送数字电压信号至第二信号处理模块；第二信号处理模块，用于采集数字电压信号，将数字电压信号逆变换为微弱电流信号，获取微弱电流信号的电流值。该测量系统增大了可测量微弱电流信号的动态范围，提高了测量精度。

Description

微弱电流的测量系统
技术领域
本发明一般涉及微弱电流检测领域，具体涉及一种微弱电流的测量系统。
背景技术
微弱电流测量广泛的应用于航天、核工业和生物化学等领域，微弱电流是一种典型的微弱信号，微弱电流通常小于10-6A，且通常呈现高动态范围特性。
在相关技术中，高动态范围微弱电流测量一般通过高分辨率的A/D转换器(模数转换器)实现。但是，当微弱电流的动态范围超过100dB时，采用传统的测量方法测量时，难以实现高动态范围微弱电流的精准测量。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种可以增大测量微弱电流信号的动态范围，且可以提高测量精度的微弱电流的测量系统。
第一方面，本申请提供一种微弱电流的测量系统，系统包括：依次连接的第一信号处理模块，模数转换模块和第二信号处理模块，
第一信号处理模块的输入端为微弱电流的输入端，第一信号处理模块，用于基于传递函数将微弱电流信号转换为电压信号，将电压信号发送至模数转换模块；
模数转换模块，用于将模拟电压信号转换为数字电压信号，发送数字电压信号至第二信号处理模块；
第二信号处理模块，用于采集数字电压信号，将数字电压信号逆变换为微弱电流信号，获取微弱电流信号的电流值。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请实施例提供的微弱电流的测量系统，系统包括：依次连接的第一信号处理模块，模数转换模块和第二信号处理模块，第一信号处理模块的输入端为微弱电流的输入端，第一信号处理模块，用于基于传递函数将微弱电流信号转换为电压信号，将电压信号发送至模数转换模块；模数转换模块，用于将模拟电压信号转换为数字电压信号，发送数字电压信号至第二信号处理模块；第二信号处理模块，用于采集数字电压信号，将数字电压信号逆变换为微弱电流信号，获取微弱电流信号的电流值。增大了可测量微弱电流信号的动态范围，提高了测量精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请的实施例提供的一种微弱电流的测量系统的结构示意图；
图2为本申请的实施例提供的另一种微弱电流的测量系统的结构示意图；
图3为本申请的实施例提供的一种对数放大电路单元的电路图；
图4为本申请的实施例提供的又一种微弱电流的测量系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本申请实施例提供一种微弱电流的测量系统，可以实现高动态范围微弱电流的精准测量，如图1所示，该测量系统包括：依次连接的第一信号处理模块110，模数转换模块120和第二信号处理模块130。
第一信号处理模块的输入端(input)为微弱电流的输入端，第一信号处理模块，用于基于传递函数将微弱电流信号转换为电压信号，将电压信号发送至模数转换模块；模数转换模块，用于将模拟电压信号转换为数字电压信号，发送数字电压信号至第二信号处理模块；第二信号处理模块，用于采集数字电压信号，将数字电压信号逆变换为微弱电流信号，获取微弱电流信号的电流值。
可选的，如图2所示，该第一信号处理模块110包括：对数放大电路单元111，该对数放大电路单元用于接收微弱电流信号，基于传递函数将微弱电流信号转换为电压信号，并发送该电压信号。其中，传递函数为：
Figure BDA0002591618120000031
其中，vo为电压信号的响应电压值，Vo为输出比例因子，用于表示该对数放大电路单元的灵敏度，通常为200mV/dec，表示电流每增大或减小十倍，响应电压值的电位变化200mV，Ii为基准电流的电流值，iI为微弱电流信号的电流值，基准电流的电流值为电压信号的电压值为零时，确定的微弱电流信号的电流值，可以预先确定该基准电流的电流值，b为传递函数中对数的底，通常为10。
可选的，该对数放大电路单元可以接收微弱电流信号，确定该微弱电流信号的电流值iI，利用传递函数确定该微弱电流信号的电流值iI的输出电压信号的响应电压值vo。
需要说明的是，在本申请实施例中，由于对数放大电路单元的系统特性，会导致对数放大电路单元在将识别到的微弱电流值转换为电压信号的过程中产生一定的误差，导致获取的实际响应电压值vo与理论响应电压值vo'存在一定的误差eo，其中，该误差eo＝vo-vo'其中，
Figure BDA0002591618120000032
p为误差比率；则，可以确定误差的计算公式，
Figure BDA0002591618120000033
可以基于该计算公式确定对数放大电路单元将识别到的微弱电流值转换为电压信号的过程中，由不同误差比率p产生的响应电压值的误差eo，以判断该对数放大电路单元的是否满足实际工程需求。
示例的，假设b＝10，V0＝200mV/dec，如表1所示，可以确定该不同误差比率p产生的响应电压值的误差eo，当该误差比率分别为1％-10％时，可以确定该对数放大电路单元获取的电压信号的实际响应电压值与理论响应电压值的误差eo，基于该误差判断该对数放大电路单元的是否满足设计的测量误差。
表1
p(％) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
mV 0.86 1.72 2.57 3.41 4.24 5.06 5.88 6.68 7.49 8.28
示例的，本申请实施例中提供的对数放大电路单元的电路图可以如图3所示，其中，B1为微弱电流信号的输入端，B2为电压信号的输出端，信号处理芯片为AD8304芯片。可以支持电流值为100pA到10mA，动态范围为160dB的微弱电流信号的检测，其最小测量精度为1pA。现有的使用A/D转换器进行微弱电流信号测量的测量系统，其可检测的微弱电流信号的动态范围一般为100dB，与其相比，该微弱电流的测量系统可以测量的微弱电流信号的动态范围更大，精度更高。且由于现有的微弱电流信号的检测系统中使用的A/D转换器是一种线性转换器，需要设置多个检测量程，当微弱电流信号的电流值变化幅度较大时，可以通过切换检测量程，实现对微弱电流信号的检测；而本申请实施例中提供的微弱电流的测量系统，可以对微弱电流信号进行对数转换，将输出值的电压信号的电压值固定在一定的范围内，在测量过程中无需改变测量系统的量程，可以降低该测量系统的成本和复杂性，提升微弱电流信号测量的便捷性与效率。
可选的，如图2所示，该第一信号处理模块110还包括：输入电流保护单元112，电压跟随单元113和抗混叠滤波单元114，该输入电流保护单元112与对数放大单元111的输入端连接，对数放大电路单元111的输出端与电压跟随单元113的输入端连接，抗混叠滤波单114元与电压跟随单元113的输出端连接。
其中，该输入电流保护单元可以接地，用于对接收到的微弱电流信号进行保护，防止漏电流对该微弱电流信号的影响，并将该微弱电流信号传输给对数放大单元；电压跟随单元，用于接收对数放大电路单元发送的电压信号，对电压信号进行阻抗匹配，以增强该第一信号处理模块的电压输出能力，将电压信号发送至抗混叠滤波单元；抗混叠滤波单元，用于对电压信号进行降噪处理，发送电压信号至模数转换模块，该电压信号为模拟电压信号，其中，该噪声可以是宽带噪声(比如白噪声)。
需要说明的是，在本申请实施例中，模数转换模块使用的可以是14位的信号处理芯片，输入其中的信号的频率不能大于100Hz，基于信噪比确定公式SNR＝6.02N+1.76，N为芯片位数，则该模数转换模块中信号的信噪比约为86dB，则需要抗混叠滤波单元使用的滤波器在采样频率的二分之一(fs/2)处的衰减应达到-86dB以上。示例的，该抗混叠滤波单元可以为4阶模拟有源巴特沃斯低通滤波器，其幅频衰减约为-80dB/十倍程，即在1.2kHz左右衰减可达到-86dB，则该模数转换模块的采样频率应大于等于2.4kHz。
可选的，如图2所示，该第二信号处理模块130包括，微控制单元和131上位机单元132，模数转换模块、微控单元和上位机单元依次连接，该微控单元，用于采集数字电压信号，发送数字电压信号至上位机单元；该上位机单元，用于接收数字电压信号，将数字电压信号逆变换为微弱电流信号，获取微弱电流信号的电流值，存储并显示该微弱电流信号的电流值。
可选的，由于微弱电流的测量系统工作频率低，易受外界信号干扰，可以在上微机单元的输入端增加带阻滤波器，用于抑制电压信号中的特定频率的干扰信号。该特定频率的信号频率可以基于实际需要确定，本申请实施例对此不做限定。示例的，该信号频率可以为50Hz，以去除数字电压信号中50Hz的干扰信号。
可选的，如图2所示，该第二信号处理模块130还包括：数字滤波单元133，该数字滤波单元的输入端与模数转换模块连接，数字滤波单元的输出端与微控制单元连接，数字滤波单元，用于接收数字电压信号，对数字电压信号进行滤波，发送滤波后的数字电压信号至微控制单元。其中，该数字滤波单元对数字电压信号进行滤波的过程可以是：按照预设要求对数字电压信号进行频谱变换，获取合适频谱范围的电压信号，以提高该测量系统的精度和稳定性。
可选的，在本申请实施例中，可以同时对多个微弱电流信号进行测量，则该微弱电流的测量系统可以包括多个第一信号处理模块。如图4所示，该微弱电流的测量系统可以包括六个第一信号处理模块，实现对六路微弱电流信号的同时测量，提高检测效率。
综上所述，本申请实施例提供的微弱电流的测量系统，包括：依次连接的第一信号处理模块，模数转换模块和第二信号处理模块，第一信号处理模块的输入端为微弱电流的输入端，第一信号处理模块，用于基于传递函数将微弱电流信号转换为电压信号，将电压信号发送至模数转换模块；模数转换模块，用于将模拟电压信号转换为数字电压信号，发送数字电压信号至第二信号处理模块；第二信号处理模块，用于采集数字电压信号，将数字电压信号逆变换为微弱电流信号，获取微弱电流信号的电流值。增大了可测量微弱电流信号的动态范围，提高了测量精度。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (6)

1.一种微弱电流的测量系统，其特征在于，所述系统包括：依次连接的第一信号处理模块，模数转换模块和第二信号处理模块，
所述第一信号处理模块的输入端为微弱电流的输入端，所述第一信号处理模块，用于基于传递函数将所述微弱电流信号转换为电压信号，将所述电压信号发送至所述模数转换模块；
所述模数转换模块，用于将模拟电压信号转换为数字电压信号，发送所述数字电压信号至第二信号处理模块；
所述第二信号处理模块，用于采集所述数字电压信号，将所述数字电压信号逆变换为所述微弱电流信号，获取所述微弱电流信号的电流值；所述第一信号处理模块包括：对数放大电路单元，
所述对数放大电路单元，用于接收所述微弱电流信号，基于所述传递函数将所述微弱电流信号转换为电压信号，发送所述电压信号；所述传递函数为：
Figure FDA0004088284040000011
其中，vo为所述电压信号的响应电压值，Vo为输出比例因子，Ii为基准电流的电流值，iI为所述微弱电流信号的电流值，所述基准电流的电流值为所述电压信号的电压值为零时，确定的所述微弱电流信号的电流值，b为所述传递特性函数中对数的底；
经所述对数放大电路单元转换得到的实际响应电压值vo与理论响应电压值vo'之间的误差为eo，eo＝vo-vo'，其中，
Figure FDA0004088284040000012
p为误差比率；则
Figure FDA0004088284040000013
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一信号处理模块还包括：电压跟随单元和抗混叠滤波单元，所述对数放大电路单元与所述电压跟随单元的输入端连接，所述抗混叠滤波单元与所述电压跟随单元的输出端连接，
所述电压跟随单元，用于接收所述对数放大电路单元发送的电压信号，对所述电压信号进行阻抗匹配，将所述电压信号发送至抗混叠滤波单元；
所述抗混叠滤波单元，用于对所述电压信号进行降噪处理，发送所述电压信号至所述模数转换模块，所述电压信号为模拟电压信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二信号处理模块包括：微控制单元和上位机单元，所述模数转换模块、所述微控制单元和所述上位机单元依次连接，
所述微控制单元，用于采集所述数字电压信号，发送所述数字电压信号至上位机单元；
所述上位机单元，用于接收所述数字电压信号，将所述数字电压信号逆变换为所述微弱电流信号，获取所述微弱电流信号的电流值。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二信号处理模块还包括：数字滤波单元，所述数字滤波单元的输入端与所述模数转换模块连接，所述数字滤波单元的输出端与所述微控制单元连接，
所述数字滤波单元，用于接收所述数字电压信号，对所述数字电压信号进行滤波，发送滤波后的所述数字电压信号至微控制单元。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括多个所述第一信号处理模块。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括六个所述第一信号处理模块。
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