CN113125846A - 一种弱电流测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弱电流测量系统，包括：主控电路、弱电流测量电路、模数转换电路和显示终端；弱电流测量电路的控制信号输入端电连接主控电路的信号输出端，用于根据主控电路的输出信号切换量程，并在切换量程后，将接收的弱电流进行放大并转换为电压信号；模数转换电路的输入端电连接弱电流测量电路的输出端，模数转换电路的输出端通过主控电路电连接显示终端，用于将电压信号转换为数字信号，并通过显示终端显示电压信号的波形图，以便利用波形图得出弱电流的测量结果；本发明能够调整弱电流的测量量程，从而满足不同范围的测量需求，并可直接输出弱电流电压信号的波形以及波形信息，以便直接得出测量结果。
Description
技术领域
本发明涉及弱电流测量技术领域，具体涉及一种弱电流测量系统。
背景技术
现代科学应用中，微弱电流信号的精确测量已广泛应用于电场测试、弱光测试、射线探测、航空航天测控、新型材料研究以及半导体集成电路测试等领域；以半导体器件测试领域为例，在半导体、传感器和光电器件的测试应用中，因需要进行光电流、暗电流、泄漏电流、绝缘电阻以及其它相应参数的测量，从而必须对pA级乃至fA级的微弱电流信号进行精确的捕捉和测量，以进行产品特性分析；因此，弱电流的精确测量成为测试领域的重中之重。
目前，多使用弱电流放大模块实现弱电流的测量，例如，德国的FEMTO公司生产的LCA-30-1T放大模块，其可测量1fA的弱电流；又如，型号为LCA-200-100G的放大模块，其可测量10fA的弱电流等，现有的弱电流放大模块虽然能够实现弱电流的测量，但是，存在以下不足：
(1)每个弱电流放大模块只能对应一个电流测量范围，无法进行测量量程的调整，当测量的电流信号范围很大时，很难使用一个放大模块进行测量，大大的降低了使用的便捷性；(2)现有的弱电流放大模块仅仅只能将弱电流进行放大并转换为电压信号，使得用户在得到电压信号后还需要借助示波器才能观察到波形，即使用弱电流放大模块无法直接得出测量结果，大大的降低了测量效率。
发明内容
为了解决现有使用弱电流放大模块进行弱电流测量所存在的无法调节量程以及无法直接得出测量结果的问题，本发明的目的在于提供一种能够调整弱电流的测量量程，从而满足不同范围的测量需求，并可直接输出弱电流电压信号的波形，以便直接得出测量结果的测量系统。
第一方面，本发明提供了一种弱电流测量系统，包括：主控电路、弱电流测量电路、模数转换电路和显示终端；
所述弱电流测量电路的控制信号输入端电连接所述主控电路的信号输出端，用于根据所述主控电路的输出信号切换量程，并在切换量程后，将接收的弱电流进行放大并转换为电压信号；
所述模数转换电路的输入端电连接所述弱电流测量电路的输出端，所述模数转换电路的输出端通过所述主控电路电连接所述显示终端，用于将所述电压信号转换为数字信号，并通过所述显示终端显示所述电压信号的波形图，以便利用所述波形图得出所述弱电流的测量结果。
基于上述公开的内容，本发明通过弱电流测量电路实现量程切换和电流测量两个功能；一方面，主控电路根据输入至弱电流测量电路中弱电流信号，来输出控制信号，进而控制弱电流测量电路进行量程的切换，以便满足不同范围弱电流的测量需求；另一方面，弱电流测量电路在进行量程的切换后，即可将电流放大到适合测量的倍数，并转换为电压信号，然后通过模数转换电路转换为数字信号，最后由主控电路将数字信号输出至显示终端上，从而实现电压信号波形图的实时显示，以便使测量人员通过输出的波形图直接得出弱电流的测量结果。
通过上述设计，本发明可调节弱电流测量电路的测量量程，能够满足不同范围弱电流的测量需求，而无需使用现有的多个放大模块，大大的提高使用的便捷性；同时，本发明可实时显示弱电流电压信号的波形信息，可直接得出测量结果，而无需外接示波器，大大的提高了测量效率。
在一个可能的设计中，所述弱电流测量电路包括：第一电磁继电器、第二电磁继电器、第三电磁继电器、第四电磁继电器、第一运算放大器和第二运算放大器，其中，所述第一运算放大器和所述第二运算放大器均为ADA4530-1型运算放大器；
所述第一电磁继电器线圈的一端、所述第二电磁继电器线圈的一端、所述第三电磁继电器线圈的一端以及所述第四电磁继电器线圈的一端分别电连接直流电源；
所述第一电磁继电器线圈的另一端、所述第二电磁继电器线圈的另一端、所述第三电磁继电器线圈的另一端以及所述第四电磁继电器线圈的另一端分别作为所述弱电流测量电路的控制信号输入端，且分别对应电连接所述主控电路的信号输出端中的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端和第四信号输出端；
所述第一电磁继电器触点的一端分别电连接所述第一运算放大器的负输入端以及第一电阻的一端，所述第一电磁继电器触点的另一端分别电连接所述第一电阻的另一端、第二电阻的一端以及第三电阻的一端；
所述第二电磁继电器触点的一端分别电连接所述第二电阻的另一端以及所述第三电磁继电器触点的一端，所述第二电磁继电器触点的另一端接地；
所述第一运算放大器的输出端分别电连接所述第三电阻的另一端、所述第三电磁继电器触点的另一端以及第四电阻的一端；
所述第四电阻的另一端分别电连接所述第二运算放大器的负输入端、第五电阻的一端以及第六电阻的一端；
所述第二运算放大器的输出端分别电连接所述第四电磁继电器触点的一端、所述第五电阻的另一端以及第七电阻的一端，所述第四电磁继电器触点的另一端电连接所述第六电阻的另一端；
所述第七电阻的另一端，作为所述弱电流测量电路的输出端，电连接所述模数转换电路的输入端；
所述第一运算放大器的第5管脚以及所述第二运算放大器的第五管脚分别电连接2.5V直流电源，所述第一运算放大器的第4管脚以及所述第二运算放大器的第4管脚分别电连接-2.5V直流电源；
所述第一运算放大器的正输入端通过第八电阻接地，所述第二运算放大器的正输入端、所述第一运算放大器的第2管脚和第7管脚以及所述第二运算放大器的正输入端分别接地。
基于上述公开的内容，本发明公开了弱电流测量电路的具体电路组成，其中，弱电流测量电路采用四个电磁继电器实现的量程的切换，其工作原理为：通过主控电路输出的4路信号，分别对应四个电磁继电器，从而通过四个电磁继电器的导通与否，来实现量程的切换；例如，第二电磁继电器导通，而其余三个电磁继电器截止时，弱电流测量电路的量程则变为1fA～1pA，相当于可测量1fA～1pA的弱电流；又如，当第三电磁继电器和第四电磁继电器均导通时，弱电流测量电路的量程则变为1pA～1nA，即相当于可测量1pA～1nA的弱电流；
而弱电流测量电路的测量原理则为：使用了两级放大，其中，第一运算放大器其最大等效为100G的反馈电阻，而第二运算放大器则用于放大，放大的倍数最大为10倍，通过上述设计，可实现低至1fA弱电流的测量。
通过上述设计，本发明即可通过控制不同电磁继电器的导通与否，来实现弱电流测量电路量程的切换，以及通过两级运算放大，实现弱电流的测量。
在一个可能的设计中，所述第一电磁继电器线圈的另一端、所述第二电磁继电器线圈的另一端、所述第三电磁继电器线圈的另一端以及所述第四电磁继电器线圈的另一端，与所述主控电路的信号输出端中的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端和第四信号输出端之间还设置有驱动电路；
所述驱动电路用于放大所述主控电路的输出信号，以便增加所述主控电路对所述第一电磁继电器、所述第二电磁继电器、所述第三电磁继电器以及所述第四电磁继电器的驱动能力。
基于上述公开的内容，本发明通过在各个电磁继电器与主控电路的信号输出端之间设置驱动电路，以便通过驱动电路对主控电路输出的信号进行放大，以便增加主控电路对各个电磁继电器的驱动能力。
在一个可能的设计中，所述弱电流测量电路所处的PCB板采用4层板结构；
所述PCB板从上至下的第一层板与第二层板之间设置有第一基材，所述PCB板从上至下的第二层板与第三层板之间设置有第二基材，所述PCB板从上至下的第三层板与第四层板之间设置有第三基材，其中，所述第一基材和所述第三基材采用聚四氟乙烯材质制成，所述第二基材为环氧玻璃布层压板。
基于上述公开的内容，本发明通过使用聚四氟乙烯材料以及环氧玻璃布层压板作为弱电流测量电路的PCB板中的隔离基材，其原因为：聚四氟乙烯基材的介电常数较低(通常为2.2)，因此可轻松实现10TΩ-100TΩ的绝缘阻抗；而由于聚四氟乙烯材料机械性能较差，所以，通过在两聚四氟乙烯材料之间设置机械强度高的环氧玻璃布层压板，可在保证具有较高绝缘阻抗的情况下，提高整个PCB板的机械强度，进而为1fA的测量提供硬件基础。
在一个可能的设计中，所述弱电流测量电路设置在所述PCB板的第一层板上，其中，所述第一层板上设置有保护环，且所述保护环将所述第一运算放大器的负输入端包围；
所述保护环上设置有多个过孔，其中，每个所述过孔贯穿所述PCB板，并电连接所述第二层板的接地端；
所述保护环通过所述过孔电连接所述接地端，且所述第一运算放大器的第2管脚和第7管脚分别电连接所述保护环。
基于上述公开的内容，本发明在第一层板上设置保护环，且在保护环上设置多个过孔，实现保护环的接地连接。通过上述设计，可以把弱电流信号的输入、第一级运放的正反相输入的三部分，用等电势的保护环所包围，保证外部的干扰电流不能通过保护环而影响到内部的弱电流输入端，而是通过保护环中的过孔流入地层，从而避免外部的电流进入第一级运算导致测量不精确的问题。
在一个可能的设计中，所述PCB板还包括内层屏蔽壳和外层屏蔽壳，其中，所述PCB板位于所述外层屏蔽壳内，且所述内层屏蔽壳位于所述PCB板上；
所述内层屏蔽壳与所述保护环相连，并将所述第一运算放大器、所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻包裹。
基于上述公开的内容，本发明通过设置内外两层屏蔽壳，可达到较好的屏蔽效果；其中，增加外层屏蔽壳是因为任何带电物体的移动都会改变物体与弱电流测量电路的输入端之间的耦合电容，而电容的改变会将小电流注入电路，外层屏蔽壳使高阻输入与干扰源之间增加了一块导电材料来中断所有容性耦合路径，从而避免小电流注入电路；而增加与保护环相连接的内层屏蔽壳可以使高阻抗输入与外屏蔽体之间的电容自举。
在一个可能的设计中，所述内层屏蔽壳呈矩形结构，其中，矩形的长度大于宽度，且所述外层屏蔽壳任意相邻两个面之间的间隙均覆盖有铜箔。
基于上述公开的内容，本发明通过使用长度大于宽度的矩形屏蔽壳，可进一步的提高屏蔽效果；而在外层屏蔽壳的间隙之间填充铜箔，可将空间的电磁干扰完全屏蔽，从而保证测量精度。
在一个可能的设计中，所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻均为厚膜电阻，其中，所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻的封装方式均采用1206封装；
所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻的两端通过焊盘电连接所述PCB板，且所述第一电阻的两端焊盘之间分别设置有一条接地的铜皮。
基于上述公开的内容，第一电阻、第二电阻和第三电阻均为第一运算放大器的反馈电阻，将反馈电阻选用厚膜电阻，可降低电路的噪声；而采用1206封装，可增加电阻两端焊盘的间距，且可在封装时减少焊盘的尺寸，进而减少焊盘两端所产生的等效电容值；同时，在第一电阻焊盘两端之间设置一条接地的铜皮，可切断焊盘两端的电容磁场；通过上述设计，可提高弱电流电路的带宽，有利于提高测量电路的适用范围。
在一个可能的设计中，所述第八电阻的阻值为0欧，所述第四电阻的阻值为1千欧。
基于上述公开的内容，通过将第八电阻的阻值设置为0欧，可减少由塞贝克电压不匹配导致的输入失调电压变大的问题；而将第电阻设置为1千欧，可降低第一运算放大器的输出电流，进而减少第一运算放大器的功耗，从而减少温漂，以便弱电流测量电路能够测量1fA的电流。
在一个可能的设计中，所述第一运算放大器以及所述第二运算放大器均采用SOIC封装。
基于上述公开的内容，通过采用SOIC封装，可增加第一运算放大器各引脚之间的间距，从而增加引脚间的阻抗，而且SOIC封装上的鸥翼式引脚(gull-wing leads)使芯片塑料体与PCB板分离减少了使用过程中芯片下方圈闭污染物的可能性，有利于更好的保持PCB板的清洁，从而避免因为污染而导致的绝缘电阻大幅降低的问题。
通过前述设计，本发明从运算放大器的选型、PCB板的硬件结构以及材料三方面综合进行改进，可使弱电流测量电路具有较高的带宽，且能够达到1fA弱电流的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的弱电流测量系统的系统框图。
图2是本发明提供的弱电流测量电路的电路图。
图3是本发明提供的量程切换电路的驱动电路。
图4是本发明提供的当测量范围大于1pA时，弱电流测量电路将弱电流转换为电压信号的等效电路图。
图5是本发明提供的当测量范围为1fA时，弱电流测量电路将弱电流转换为电压信号的等效电路图。
图6是本发明提供的弱电流测量电路的PCB板的结构示意图。
图7是本发明提供的保护环与过孔的结构示意图。
图8是本发明提供的PCB板上设置保护环与过孔的效果示意图。
图9是本发明提供的未加铜箔前的输出示意图。
图10是本发明提供的添加铜箔后的输出示意图。
附图标记：10-PCB板；11-第一基材；12-第二基材；13-第三基材；14-保护环；15-过孔。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于下述实施例说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
应当理解，在本文中若将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，在本文中若将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，表示不存在中间单元。另外，应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。
应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
实施例
如图1所示，本实施例第一方面所提供的弱电流测量系统，可通过四个电磁继电器的导通与否，来实现弱电流测量电路的量程调节，从而完成不同范围的弱电流测量；同时，通过测量系统中的模数转换电路以及显示终端，可直接输出弱电流电压信号的波形图，完成波形的实时展示，进而使测量人员可通过波形图直接得出测量结果。
本实施例所提供的弱电流测量系统，可以但不限于包括：主控电路、弱电流测量电路、模数转换电路和显示终端。
所述弱电流测量电路的控制信号输入端电连接所述主控电路的信号输出端，用于根据所述主控电路的输出信号切换量程，并在切换量程后，将接收的弱电流进行放大并转换为电压信号。
所述模数转换电路的输入端电连接所述弱电流测量电路的输出端，所述模数转换电路的输出端通过所述主控电路电连接所述显示终端，用于将所述电压信号转换为数字信号，并通过所述显示终端显示所述电压信号的波形图，以便利用所述波形图得出所述弱电流的测量结果。
如图1所示，本实施例中，主控电路作为整个测量电路的控制端，用于输出控制信号，控制弱电流测量电路进行量程的切换；在本实施例中，举例量程切换电路的量程可以但不限于包括：1fA～1pA、1pA～1nA、1nA～1uA和1uA～0.1mA。
同时，在进行量程切换后，弱电流测量电路则将输入的弱电流进行放大并转换为电压信号，并输出至模数转换电路，转换为数字信号，最终由主控电路采集，输出至显示终端上进行电压信号波形图的展示。
在本实施例中，量程的切换由主控电路检测到输入的弱电流后，从信号输出端输出控制信号至弱电流测量电路中，从而实现弱电流测量电路量程的切换；在本实施例中，主控电路根据输入的弱电流进行量程切换的原理为：依次使用每个量程进行测量，当测量的数值没有处于量程的两端时，即可将该量程作为测量量程，即最适合测量该电流范围内的弱电流的量程，其与电流表测量未知大小电流，根据指针偏转选择量程原理相同。
通过上述设计，本发明可调节弱电流测量电路的测量量程，能够满足不同范围弱电流的测量需求，而无需使用现有的多个放大模块，大大的提高使用的便捷性；另外，本发明可实时显示弱电流电压信号的波形信息，可直接得出测量结果，而无需外接示波器，大大的提高了测量效率。
如图2～9所示，下面提供测量系统的具体电路组成结构，以便实现上述各个电路对应的功能。
如图2所示，在本实施例中，所述弱电流测量电路包括：第一电磁继电器U1、第二电磁继电器U2、第三电磁继电器U3、第四电磁继电器U4、第一运算放大器U7和第二运算放大器U8，其中，所述第一运算放大器U7和所述第二运算放大器U8均为ADA4530-1型运算放大器。
其中，上述各个电子元器件的具体电路连接关系为：
第一电磁继电器U1线圈的一端、第二电磁继电器U2线圈的一端、第三电磁继电器U3线圈的一端以及第四电磁继电器U4线圈的一端分别电连接直流电源(可以但不限于为5V直流电源)。
第一电磁继电器U1线圈的另一端、第二电磁继电器U2线圈的另一端、第三电磁继电器U3线圈的另一端以及第四电磁继电器U4线圈的另一端分别作为弱电流测量电路的控制信号输入端，且分别对应电连接所述主控电路的信号输出端中的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端和第四信号输出端。
第一电磁继电器U1触点的一端分别电连接第一运算放大器U7的负输入端以及第一电阻R5的一端，第一电磁继电器U1触点的另一端分别电连接第一电阻R5的另一端、第二电阻R1的一端以及第三电阻R6的一端；而第二电磁继电器U2触点的一端分别电连接第二电阻R1的另一端以及第三电磁继电器U3触点的一端，第二电磁继电器U2触点的另一端接地。
第一运算放大器U7的输出端分别电连第三电阻R6的另一端、第三电磁继电器U3触点的另一端以及第四电阻R8的一端；第四电阻R8的另一端分别电连接第二运算放大器U8的负输入端、第五电阻R7的一端以及第六电阻R12的一端。
第二运算放大器U8的输出端分别电连接第四电磁继电器U4触点的一端、第五电阻R7的另一端以及第七电阻R9的一端，第四电磁继电器U4触点的另一端电连接第六电阻R12的另一端。
第七电阻R9的另一端，作为弱电流测量电路的输出端，电连接模数转换电路的输入端；第一运算放大器U7的第5管脚以及第二运算放大器U8的第五管脚分别电连接2.5V直流电源，第一运算放大器U7的第4管脚以及第二运算放大器U8的第4管脚分别电连接-2.5V直流电源。
第一运算放大器U7的正输入端通过第八电阻R10接地，第二运算放大器的正输入端、第一运算放大器U7的第2管脚和第7管脚以及第二运算放大器U8的正输入端分别接地。
如图2所示，在本实施例中，弱电流测量电路可实现两个功能，其一是：测量量程切换功能；其二是：弱电流的测量功能，即将输入的弱电流进行放大并转换为电压信号；其中，测量量程切换是通过第一电磁继电器U1、第二电磁继电器U2、第三电磁继电器U3以及第四电磁继电器U4的导通与截止来实现的。
在本实施例中，举例主控电路的信号输出端与弱电流测量电路的控制信号输入端之间还设置有驱动电路，以便通过驱动电路实现信号的放大，进而增加对负载的驱动能力；其实质为：驱动电路设置在第一电磁继电器U1线圈的另一端、第二电磁继电器U2线圈的另一端、第三电磁继电器U3线圈的另一端以及第四电磁继电器U4线圈的另一端，与主控电路的信号输出端中的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端和第四信号输出端之间。
如图3所示，在本实施例中，举例驱动电路包括4个子电路，其中每个子电路组成相同；而每个电磁继电器与主控电路的信号输出端之间分别设置有一个子电路；而每个子电路可以但不限于包括：电阻R2、三极管和二极管，而上述电子器件的连接关系可参见图3。
结合图3和图2，弱电流测量电路进行量程切换的工作原理为：主控电路输出的信号经过型号为L14P1的三极管对电流进行放大，增加其驱动负载的能力，当来自主控电路的四路信号分别为高电平时，对应的四个电磁继电器(U1、U2、U3和U4)分别导通；因此，本发明可通过控制四个继电器的导通与否来实现量程的切换。
在本实施例中，举例量程切换电路可实现1fA～0.1mA跨越11个量级的电流测量，其不同的电磁继电器的导通，对应的测量量程如下表1所示。
表1
| 导通的电磁继电器 | 放大倍数(V/I) | 电流测量范围 |
| U2 | 10<sup>12</sup> | 1fA～1pA |
| U3，U4 | 10<sup>9</sup> | 1pA～1nA |
| U1，U4 | 10<sup>6</sup> | 1nA～1uA |
| U1，U3，U4 | 10<sup>4</sup> | 0.1uA～0.1mA |
而在本实施例中，通过四个电磁继电器的导通与否，来实现量程切换的原理为：
当U2导通，第一级运放的电路如图5，第二级放大10倍，第一级的电压为Vout＝-Iin*(Rf+R11+R11 Rf/R2)，再乘以第二级的10倍，得到10的12次方的放大倍数；当测量1PA～0.1mA的电流时，U4是导通的，第二级放大倍数是1倍，U2永远是断开的，剩余导通的情况则是U1和U3组成的三种组合，第一级运放对应的原理图是图4，第一级的放大倍数就是输入电流乘以反馈电阻；因此，测量1pA～1nA、1nA～1uA和0.1uA～0.1mA三种情况下对应的反馈电阻分别为1G+10KΩ(约等于1GΩ)，1MΩ，10K和1MΩ并联(约等于10KΩ)，即放大倍数分别为10的9次方、6次方和4次方。
通过上述设计，本发明可通过弱电流测量电路实现1fA～0.1mA跨越11个量级的电流测量，从而达到对不同范围的弱电流的测量，而无需使用现有的多个放大模块，大大的提高使用的便捷性。
如图2所示，在本实施例中，举例弱电流测量电路实现弱电流测量是通过两个运算放大器以及与其相连的反馈电阻实现弱电流的放大，并转换为电压信号；在本实施例中，当测量量程为1pA～1nA、1nA～1uA以及1uA～0.1mA时，弱电流测量电路可等效为如图4所示的电路图。
其原理为：通过电阻将微弱的电流信号直接转化为电压信号进行分析处理，其输出电压为：
由于运算放大器的增益A很高，而输入失调电压VOS很小,于是；
而当运算放大器的输入阻抗Rin很大(比采样电阻R11大2-3个数量级),偏置电流IB很小，于是Vout＝R11×lin。
因此，通过上述等效电路，可直接将弱电流的电路信号直接转换为电压信号，以便后续对电压信号进行分析处理，得出其波形图，从而根据波形图得出弱电流的测量结果。
而在本实施例中，当需要测量1fA～1pA的弱电流时，则需要选择T型电阻反馈网络的跨阻输出；从表1中可知，只有当U2导通时，才可实现1fA～1pA的电流测量；参见图2，当只有U2导通时，第一电阻R5、第二电阻R1以及第三电阻R6即可形成T型电阻反馈网络，与图5中的T型电阻反馈网络相同。
使用T型电阻反馈网络的原因为：因为电阻的不稳定性也会产生漂移误差，而电阻的不稳定性一般随阻值的增大而变大，通过T型电阻网络设计可以将单个的大反馈电阻变为三个小阻值的电阻，由于小阻值电阻的稳定性好，会使漂移变小的同时提高测量结果的线性程度，同时消除了大反馈电阻与寄生电容产生的带宽问题；而在T型电阻反馈网络中，电路的输出电压为Vout＝-Iin*(Rf+R11+R11Rf/R2)。
通过上述设计，通过弱电流测量电路，即可实现弱电流的放大，并将电流信号转换为电压信号，从而通过模数转换电路以及主控电路，实现对电压信号的分析处理，最后，在显示终端上显示电压信号的波形图以及波形信息，从而得出弱电流的测量结果。
在本实施例中，弱电流测量电路要实现低至1fA弱电流的测量，需要严格的控制电路的噪声以及基线漂移问题，本实施例从芯片(即运算放大器)的选型、元器件的选型、芯片封装、电流设计、弱电流测量电路和量程切换电路的PCB板结构以及材料上进行综合改进，以实现弱电流测量电路实现1fA弱电流的测量。
下面对上述改进进行详细的阐述：
首先，在弱电流测量电路所处PCB板10的结构上做出如下改进：
如图6所示，在本实施例中，弱电流测量电路设置于PCB板10的第一层板上，其中，所述PCB板10采用4层板结构(如图6中所示)。
同时，在本实施例中，PCB板10从上至下的第一层板与第二层那么之间设置有第一基材11，PCB板10从上至下的第二层板与第三层板之间设置有第二基材12，PCB板10从上至下的第三层板与第四层板之间设置有第三基材13，其中，第一基材11和第三基材13采用聚四氟乙烯材质制成，而第二基材12则为环氧玻璃布层压板。
采用上述设计的原因为：聚四氟乙烯材质的介电常数较低(通常为2.2)，因此可轻松实现10TΩ-100TΩ的绝缘阻抗；而由于聚四氟乙烯材质机械性能较差，所以，通过在两聚四氟乙烯材质之间设置机械强度高的环氧玻璃布层压板，可在保证具有较高绝缘阻抗的情况下，提高整个PCB板的机械强度，进而为1fA的测量提供硬件基础。
同时，在本实施例中，举例PCB板10上弱电流的输入端可以但不限于采用三同轴电缆(例如，型号为CBBJR79的同轴连接器)，三同轴电缆的绝缘阻抗一般超过1000TΩ，漏电流小于1fA(飞安)，其通过插针与PCB板10上的过孔焊接在一起，避免振动、扭动等机械变形(机械位移)，防止因压电效应和摩擦起电效应而产生干扰。
如图7和图8所示，在本实施例中，由于第一运算放大器U7的供电端(即第4和第5管脚)与正输入端具有电势差，因此会产生外部电流，为避免外部电流对弱电流测量的影响，还在PCB板10上的第一层板上设置有保护环14，其设置结构可以但不限于如下：
保护环14将第一运算放大器U7的负输入端包围；保护环14上设置有多个过孔15，其中，每个过孔15贯穿PCB板10，并电连接第二层板的接地端；保护环14通过过孔15电连接接地端，且第一运算放大器U7的第2管脚和第7管脚分别电连接所述保护环。
通过上述设计，本发明可以把弱电流信号的输入、第一级运放的正反相输入的三部分，用等电势的保护环所包围，保证外部的干扰电流不能通过保护环而影响到内部的弱电流输入端，而是通过保护环中的过孔流入地层，从而避免外部的电流进入第一级运算导致测量不精确的问题。
另外，在本实施例中，还设置有内外两层屏蔽壳，以实现PCB板10的电磁屏蔽，其结构可以但不限于为：PCB板10还包括内层屏蔽壳和外层屏蔽壳，其中，PCB板10位于外层屏蔽壳内，且内层屏蔽壳位于PCB板10上；内层屏蔽壳与保护环14相连，并将第一运算放大器U7、第一电阻R5、第二电阻R1和第三电阻R6包裹。
采用内外双层屏蔽壳的原因为：增加外层屏蔽壳是因为任何带电物体的移动都会改变物体与输入端之间的耦合电容，而电容的改变会将小电流注入电路，外层屏蔽壳使高阻输入与干扰源之间增加了一块导电材料来中断所有容性耦合路径，以避免小电流对输入的弱电流的影响，进而提高测量精度，而增加与保护环14相连接的内层屏蔽壳可以使高阻抗输入与外层屏蔽体之间的电容自举。
同时，为了提高屏蔽效果，内层屏蔽壳采用呈矩形结构，其中，矩形的长度大于宽度。
另外，为了避免电磁干扰，还在外层屏蔽壳任意相邻两个面之间的间隙上均覆盖有铜箔；其原因为：外层屏蔽壳的任意两面之间的结合处存在缝隙，空间的电磁波会通过缝隙耦合到第一运算放大器U7的输入端，然后在输出端产生50Hz的大信号，因此，会严重影响弱电流的测量，所以，在外层屏蔽壳的间隙中增加铜箔将其覆盖，可将空间的电磁干扰完全屏蔽。
如图9和图10所示，图9为未添加铜箔是输出的波形图，从图9可明显看出，波形的峰值在正负10mv左右，频率在50Hz(正常的则为正负1mv左右)，因此，可看出电磁干扰对测量的影响较大。
而在外层屏蔽壳各个面结合处的缝隙中覆盖了铜箔后，从图10中即可看出，波形的峰值则在正负1mv，属于正常范围，所以，在外层屏蔽壳的间隙中增加铜箔将其覆盖，可将空间的电磁干扰完全屏蔽。
因此，通过对PCB板10结构上的改进，可为测量电路测量1fA的弱电流提供硬件基础。
下面，在电子元器件选型上做出详细的阐述：
同时，在本实施例中，第一运算放大器U7和第二运算放大器U8的型号可以但不限于为：ADA4530-1，其参数如下，偏置电流：在25℃时1fA；偏置电流漂移：0℃-85℃的典型值小于2fA；失调电压温度系数：(最大值)±0.5μV/℃；输入电阻:大于100TΩ；通过上述设计，选用偏置电流最小的运算放大器，可减少偏置电流带来的漂移。
另外，在本实施例中，为了减少电路中的热噪声，在电阻的选型上，将作为反馈电阻的第一电阻R5、第二电阻R1以及第三电阻R6选用厚膜电阻，以便实现热噪声的减少。
再者，从PCB板10的封装上，做出以下改进：
首先，第一运算放大器U7以及第二运算放大器U8均采用SOIC封装；通过上述设计，可增加第一运算放大器U7与第二运算放大器U8引脚之间的间距，从而增加引脚间的阻抗，而且SOIC封装上的鸥翼式引脚(gull-wing leads)使芯片塑料体与PCB板10分离减少了使用过程中芯片下方圈闭污染物的可能性，有利于更好的保持PCB板10的清洁，从而避免因为污染而导致的绝缘电阻大幅降低的问题。
同时，在本实施例中，在进行元器件的焊接后，还需要对异丁醇(IPA)等溶剂清洗干净，其原因为：避免引脚间存在的污染物形成寄生电池，从而防止寄生电池随时间、温度和湿度等变化而产生漂移电流，影响弱电流的测量。
通过上述设计，即可从封装上，实现对1fA弱电流的测量。
最后，本实施例对电路还进行了改进，下面做出详细的阐述：
首先，将第八电阻R10的阻值设置为0欧，而将第四电阻R8的阻值设置为1千欧；通过将第八电阻R10的阻值设置为0欧，可减少由塞贝克电压不匹配导致的输入失调电压变大的问题；而将第四电阻设置为1千欧，可降低第一运算放大器的输出电流，进而减少第一运算放大器的功耗，从而减少温漂，以便弱电流测量电路能够测量1fA的电流。
其次，将第一运算放大器U7和第二运算放大器U8的供电端选用芯片所允许的最低电压进行供电(即第4管脚和第5管脚采用正负2.5V供电)，即通过减少芯片本身的功耗来降低温漂(芯片本身的偏置电流会随供电电压的减少而减少)。
再者，将PCB板上的电源与弱电流输入端远离，以减少电源对信号的干扰；同时，为减少电源发热量大的问题，将电源产生的±5V电源在PCB板10外面增加一个电源转化电路，将电压变为±3.3V，再将±3.3V在PCB板10上转变为±2.5V,并将电源芯片远离运算放大器以减小对运放芯片的温度影响。
在本实施例中，举例电源转换电路可以但不限于采用MC34063型电源转换芯片及其外围电路。
最后，采用T型电阻网络的反馈方式来将弱电流转换为电压信号，其原因为：电阻的不稳定性也会产生漂移误差，而电阻的不稳定性一般随阻值的增大而变大，通过T型电阻网络设计可以将单个的大反馈电阻变为三个小阻值的电阻，由于小阻值电阻的稳定性好，会使漂移变小的同时提高测量结果的线性程度，同时消除了大反馈电阻与寄生电容产生的带宽问题。
另外，采用两级放大实现弱电流的放大，从图2中可知，弱电流测量电路设置有两个运算放大器，其中，第一运算放大器U7最大等效为100G的反馈电阻，而第二运算放大器U8则用于放大，最大放大的倍数为10倍。
在本实施例中，在第一运算放大器U7和第二运算放大器U8的正输入端采用单点接地的方式接入地信号；通过上述设计，可避免电磁干扰。
由此从前述PCB板10结构、电子元器件的选型、PCB板10的封装以及对电路四个方面进行了综合改进，从而实现弱电流测量电路对于1fA弱电流的测量。
另外，在本实施例中，还做出了以下改进，以提高整个电路的带宽，可以但不限于如下设置：
第一电阻R5、第二电阻R1和第三电阻R6的封装方式均采用1206封装；第一电阻R5、第二电阻R1和第三电阻R6的两端通过焊盘电连接所述PCB板，且第一电阻R5的两端焊盘之间分别设置有一条接地的铜皮。
通过上述设计，反馈电阻(R1、R5和R6)采用1206封装，可增加电阻两端焊盘的间距，且可在封装时减少焊盘的尺寸，进而减少焊盘两端所产生的等效电容值；同时，在第一电阻R5的焊盘两端之间设置一条接地的铜皮，可切断焊盘两端的电容磁场；通过上述设计，可提高弱电流电路的带宽，有利于提高测量电路的适用范围。
最后，由于前述就已阐述，在进行IfA弱电流测量时，使用T型电阻反馈网络，其还存在以下优点：提高电阻的带宽，其原因为：跨阻放大电路的带宽大小主要是由反馈电阻的寄生电容限制，一个0805封装的电阻寄生电容在0.2pF左右，当此电阻为1TΩ时，此电阻就限制了电路的带宽不会超过0.8Hz，甚至有的产品为了减少电路的噪声，特意在反馈电阻上并联一个小的电容来限制电路的带宽以提高信噪比；所以在1fA～1pA的弱电流测量范围，当采用T型电阻反馈网络，可以通过三个小的电阻来实现大的等效反馈电阻，从而减少电阻对带宽的影响，达到提高带宽的目的。
如表2所示，表2为增加了以上三个措施后，其不同量程下宽度与FEMTO产品对应带宽的对比表。
通过表2可知，本发明提供的测量系统，相比于现有产品，可大大提高带宽，进而增加本系统的测量电流使用的范围。
在本实施例中，举例模数转换电路可以但不限于使用LTC2380-24型ADC芯片；而主控电路可以但不限于为FPGA芯片及其外围电路；同时，举例FPGA芯片的信号可以但不限于为：altera maxⅡEPM570GT100C4N。
由此通过前述所详细描述的弱电流测量系统，存在以下有效效果：
(1)本发明可实现测量量程的调节，实现了1fA～0.1mA量级的弱电流测量，探测下限最低，无需使用现有的多个测量模块。
(2)大大的提高了每个测量量程内的带宽，从而增加本系统的测量电流使用的范围。
(3)可直接实时显示电压信号的波形图以及波形信息，能够使测试人员根据波形图直接得出测量结果，提高了测量效率。
(4)电路的噪声和温漂小。
以上所描述的多个实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种弱电流测量系统，其特征在于，包括：主控电路、弱电流测量电路、模数转换电路和显示终端；
所述弱电流测量电路的控制信号输入端电连接所述主控电路的信号输出端，用于根据所述主控电路的输出信号切换量程，并在切换量程后，将接收的弱电流进行放大并转换为电压信号；
所述模数转换电路的输入端电连接所述弱电流测量电路的输出端，所述模数转换电路的输出端通过所述主控电路电连接所述显示终端，用于将所述电压信号转换为数字信号，并通过所述显示终端显示所述电压信号的波形图，以便利用所述波形图得出所述弱电流的测量结果。
2.如权利要求1所述的弱电流测量系统，其特征在于，所述弱电流测量电路包括：第一电磁继电器(U1)、第二电磁继电器(U2)、第三电磁继电器(U3)、第四电磁继电器(U4)、第一运算放大器(U7)和第二运算放大器(U8)，其中，所述第一运算放大器(U7)和所述第二运算放大器(U8)均为ADA4530-1型运算放大器；
所述第一电磁继电器(U1)线圈的一端、所述第二电磁继电器(U2)线圈的一端、所述第三电磁继电器(U3)线圈的一端以及所述第四电磁继电器(U4)线圈的一端分别电连接直流电源；
所述第一电磁继电器(U1)线圈的另一端、所述第二电磁继电器(U2)线圈的另一端、所述第三电磁继电器(U3)线圈的另一端以及所述第四电磁继电器(U4)线圈的另一端分别作为所述弱电流测量电路的控制信号输入端，且分别对应电连接所述主控电路的信号输出端中的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端和第四信号输出端；
所述第一电磁继电器(U1)触点的一端分别电连接所述第一运算放大器(U7)的负输入端以及第一电阻(R5)的一端，所述第一电磁继电器(U1)触点的另一端分别电连接所述第一电阻(R5)的另一端、第二电阻(R1)的一端以及第三电阻(R6)的一端；
所述第二电磁继电器(U2)触点的一端分别电连接所述第二电阻(R1)的另一端以及所述第三电磁继电器(U3)触点的一端，所述第二电磁继电器(U2)触点的另一端接地；
所述第一运算放大器(U7)的输出端分别电连接所述第三电阻(R6)的另一端、所述第三电磁继电器(U3)触点的另一端以及第四电阻(R8)的一端；
所述第四电阻(R8)的另一端分别电连接所述第二运算放大器(U8)的负输入端、第五电阻(R7)的一端以及第六电阻(R12)的一端；
所述第二运算放大器(U8)的输出端分别电连接所述第四电磁继电器(U4)触点的一端、所述第五电阻(R7)的另一端以及第七电阻(R9)的一端，所述第四电磁继电器(U4)触点的另一端电连接所述第六电阻(R12)的另一端；
所述第七电阻(R9)的另一端，作为所述弱电流测量电路的输出端，电连接所述模数转换电路的输入端；
所述第一运算放大器(U7)的第5管脚以及所述第二运算放大器(U8)的第五管脚分别电连接2.5V直流电源，所述第一运算放大器(U7)的第4管脚以及所述第二运算放大器(U8)的第4管脚分别电连接-2.5V直流电源；
所述第一运算放大器(U7)的正输入端通过第八电阻(R10)接地，所述第二运算放大器的正输入端、所述第一运算放大器(U7)的第2管脚和第7管脚以及所述第二运算放大器(U8)的正输入端分别接地。
3.如权利要求2所述的弱电流测量系统，其特征在于，所述第一电磁继电器(U1)线圈的另一端、所述第二电磁继电器(U2)线圈的另一端、所述第三电磁继电器(U3)线圈的另一端以及所述第四电磁继电器(U4)线圈的另一端，与所述主控电路的信号输出端中的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端和第四信号输出端之间还设置有驱动电路；
所述驱动电路用于放大所述主控电路的输出信号，以便增加所述主控电路对所述第一电磁继电器(U1)、所述第二电磁继电器(U2)、所述第三电磁继电器(U3)以及所述第四电磁继电器的驱动能力。
4.如权利要求2所述的弱电流测量系统，其特征在于，所述弱电流测量电路所处的PCB板采用4层板结构；
其中，所述PCB板从上至下的第一层板与第二层板之间设置有第一基材，所述PCB板从上至下的第二层板与第三层板之间设置有第二基材，所述PCB板从上至下的第三层板与第四层板之间设置有第三基材，其中，所述第一基材和所述第三基材采用聚四氟乙烯材质制成，所述第二基材为环氧玻璃布层压板。
5.如权利要求4所述的弱电流测量系统，其特征在于，所述弱电流测量电路设置在所述PCB板的第一层板上，其中，所述第一层板上设置有保护环，且所述保护环将所述第一运算放大器(U7)的负输入端包围；
所述保护环上设置有多个过孔，其中，每个所述过孔贯穿所述PCB板，并电连接所述第二层板的接地端；
所述保护环通过所述过孔电连接所述接地端，且所述第一运算放大器(U7)的第2管脚和第7管脚分别电连接所述保护环。
6.如权利要求5所述的弱电流测量系统，其特征在于，所述PCB板还包括内层屏蔽壳和外层屏蔽壳，其中，所述PCB板位于所述外层屏蔽壳内，且所述内层屏蔽壳位于所述PCB板上；
所述内层屏蔽壳与所述保护环相连，并将所述第一运算放大器(U7)、所述第一电阻(R5)、所述第二电阻(R1)和所述第三电阻(R6)包裹。
7.如权利要求6所述的弱电流测量系统，其特征在于，所述内层屏蔽壳呈矩形结构，其中，矩形的长度大于宽度，且所述外层屏蔽壳任意相邻两个面之间的间隙均覆盖有铜箔。
8.如权利要求4所述的弱电流测量系统，其特征在于，所述第一电阻(R5)、所述第二电阻(R1)和所述第三电阻(R6)均为厚膜电阻，其中，所述第一电阻(R5)、所述第二电阻(R1)和所述第三电阻(R6)的封装方式均采用1206封装；
所述第一电阻(R5)、所述第二电阻(R1)和所述第三电阻(R6)的两端通过焊盘电连接所述PCB板，且所述第一电阻(R5)的两端焊盘之间分别设置有一条接地的铜皮。
9.如权利要求3所述的弱电流测量系统，其特征在于，所述第八电阻(R10)的阻值为0欧，所述第四电阻(R8)的阻值为1千欧。
10.如权利要求3所述的弱电流测量系统，其特征在于，所述第一运算放大器(U7)以及所述第二运算放大器(U8)均采用SOIC封装。
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