CN114646837A - 等电势体信号测量电路、装置及测量仪表 - Google Patents

等电势体信号测量电路、装置及测量仪表 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等电势体信号测量电路、装置及测量仪表，等电势体信号测量电路包括：信号输入端；采样单元，采样单元包括n个采样电路；若n=1，信号输入端连接采样电路的输入端；若n大于1，信号输入端通过量程选择单元分别连接n个采样电路的输入端；等电势环路，等电势环路环绕设置在采样单元周围；信号输出端，n个采样电路的输出端皆连接信号输出端，信号输出端用于连接待测量单元；缓冲器，n个采样电路的输出端皆连接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端连接等电势环路。通过建立等电势圈将采样信号与其它电路隔离，可以提高抗干扰能力，减少与其他电路产生的寄生电容与漏电，提高测量设备的测量精度和稳定性。

Description

等电势体信号测量电路、装置及测量仪表
技术领域
本发明涉及精密测量领域，具体的涉及一种等电势体信号测量电路、装置及测量仪表。
背景技术
随着测量技术的发展，对于测量设备器件的要求越来越高，检测的电信号精度也越来越高，从半导体的泄漏电流、暗电流、电压降到高阻器件测量等项目的测试测量工作中，电信号的电流测量精度由微安（1μA=10-6A）、纳安（1nA=10-9A）到皮安(1pA=10-12A)、甚至飞安（1fA=10-15A），电压测量精度由伏特到毫伏（1mV=10-3V)、微伏（1μV=10-6V）、甚至纳伏（1nV=10-9V），测量信号非常微弱，这些信号非常容易受到干扰或者泄漏，导致测试失真。
为解决上述问题，现有技术中一般采用以下几种方式：
1、设置金属屏蔽层。金属屏蔽的方式是在相关电路的空间上安装一层金属屏蔽层，可以有效的防止空间电场辐射到电路上，但无法解决电路/线路之间的干扰或者泄漏，电路里有许多的不同电位的线路，由于板材或者残留在电路上的杂质，会导致线路与线路之间相互干扰或者泄漏，导致线路测量信号失真而使精度降低。
2、选取精密器件或低泄漏材料并进行清洁、除湿、三防等步骤。在采用精密器件或低泄漏材料器件的基础上，将器件焊接后再进行非常精细的清洁，去除电路板焊接的残留物和灰尘等，然后进行烘干等处理，让电路板保持干燥并且让电路之间不存在漏电，再涂抹上一层防护涂层来防止使用过程中的灰尘和湿度再度引起电路之间产生漏电。然而这种方式也存在以下缺点：1）器件成本很高；2）工艺步骤繁琐，生产耗时长，加工过程难以控制，还会出现清洁物质受到污染、或者烘干不彻底等意外情况；3）出厂后也容易受外界因素的影响，例如运输过程中的灰尘和杂质、周转过程中再受潮、维修后清洁防护不彻底等都会产生测量精度下降的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种等电势体信号测量电路、装置及测量仪表，能够解决现有测量设备测量微弱信号时由于自身或者环境因素影响测量精度难以达标的问题。
根据本发明第一方面实施例的等电势体信号测量电路，包括：信号输入端；采样单元，所述采样单元包括n个采样电路，n为任意正整数；若n=1，所述信号输入端连接所述采样电路的输入端；若n大于1，所述信号输入端通过量程选择单元分别连接n个所述采样电路的输入端；等电势环路，所述等电势环路环绕设置在所述采样单元周围；信号输出端，n个所述采样电路的输出端皆连接所述信号输出端，所述信号输出端用于连接待测量单元；缓冲器，n个所述采样电路的输出端皆连接所述缓冲器的输入端，所述缓冲器的输出端连接所述等电势环路以用于建立等电势圈。
根据本发明第一方面实施例的等电势体信号测量电路，至少具有如下技术效果：本发明实施方式将采样电路输出的采样信号通过缓冲器进行缓冲跟随，并把经缓冲输出的信号连接至等电势环路形成一个等电势圈，可以隔离测量信号和其他电路上的非测量信号，让被测信号不受其它电路的影响，减少与其他电路之间漏电的可能，提高抗干扰能力，同时由于等电势圈的存在，采样电路与其他电路不会产生寄生电容，从而使采样信号更真实，测量更精准。
本发明实施方式通过等电势体补偿的方式来减少测量过程中的信号失真，可以有效减少对高精密器件或低泄漏材料器件的需求，降低生产过程中的清洁工艺要求，降低或者省去除湿及三防等工艺要求，降低生产环境的要求，能够提高生产效率并降低生产成本；同时本发明将采样信号与其它电路隔离，可以提高抗干扰能力，减少与其他电路产生的寄生电容与漏电，提高测量设备的测量精度和稳定性。
根据本发明的一些实施例，所述量程选择单元包括与采样电路一一对应的n个量程选择开关，所述信号输入端分别连接n个所述量程选择开关的输入端，所述量程选择开关的输出端连接对应所述采样电路的输入端。
根据本发明的一些实施例，所述量程选择开关为场效应管。
根据本发明的一些实施例，若n大于1，所述缓冲器的输出端分别连接n个所述采样电路的输入端。
根据本发明的一些实施例，还包括n个与采样电路一一对应的电子开关，n个所述电子开关分别连接至所述缓冲器的输出端与对应所述采样电路的输入端之间。
根据本发明的一些实施例，所述缓冲器采用电压放大系数为1的运算放大器。
根据本发明第二方面实施例的等电势体信号测量装置，包括：基板，所述基板上设置有上述的等电势体信号测量电路。
根据本发明第二方面实施例的等电势体信号测量装置，至少具有如下技术效果：本发明实施方式将采样电路输出的采样信号通过缓冲器进行缓冲跟随，并把经缓冲输出的信号连接至等电势环路形成一个等电势圈，可以隔离测量信号和其他电路上的非测量信号，让被测信号不受其它电路的影响，减少与其他电路之间漏电的可能，提高抗干扰能力，同时由于等电势圈的存在，采样电路与其他电路不会产生寄生电容，从而使采样信号更真实，测量更精准。
本发明实施方式通过等电势体补偿的方式来减少测量过程中的信号失真，可以有效减少对高精密器件或低泄漏材料器件的需求，降低生产过程中的清洁工艺要求，降低或者省去除湿及三防等工艺要求，降低生产环境的要求，能够提高生产效率并降低生产成本；同时本发明将采样信号与其它电路隔离，可以提高抗干扰能力，减少与其他电路产生的寄生电容与漏电，提高测量设备的测量精度和稳定性。
根据本发明的一些实施例，所述等电势环路设置在基板的表面。
根据本发明第三方面实施例的测量仪表，包括上述的等电势体信号测量装置。
根据本发明第三方面实施例的测量仪表，至少具有如下技术效果：本发明实施方式将采样电路输出的采样信号通过缓冲器进行缓冲跟随，并把经缓冲输出的信号连接至等电势环路形成一个等电势圈，可以隔离测量信号和其他电路上的非测量信号，让被测信号不受其它电路的影响，减少与其他电路之间漏电的可能，提高抗干扰能力，同时由于等电势圈的存在，采样电路与其他电路不会产生寄生电容，从而使采样信号更真实，测量更精准。
本发明实施方式通过等电势体补偿的方式来减少测量过程中的信号失真，可以有效减少对高精密器件或低泄漏材料器件的需求，降低生产过程中的清洁工艺要求，降低或者省去除湿及三防等工艺要求，降低生产环境的要求，能够提高生产效率并降低生产成本；同时本发明将采样信号与其它电路隔离，可以提高抗干扰能力，减少与其他电路产生的寄生电容与漏电，提高测量设备的测量精度和稳定性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中多量程通道的信号测量电路的电路原理图；
图2为本发明实施例中单量程通道的信号测量电路的电路原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
下面结合图1和图2描述根据本发明实施例的等电势体信号测量电路，具体包括单量程的信号测量电路和多量程的信号测量电路。
参考图1为本发明实施例中一种多量程的信号测量电路，包括：信号输入端Vin、采样单元、量程选择单元、等电势环路、信号输出端Vout和缓冲器U1。其中，采样单元包括采样电路1~采样电路n， n为大于1的正整数，本实施例中采样电路为采样电阻，每一路的阻值不同，采样电阻的电阻值大小决定这一路的测量量程。
量程选择单元包括与采样电路1~采样电路n一一对应的量程选择开关Q1~Qn。电流信号由信号输入端Vin输入，信号输入端Vin通过量程选择开关Q1~Qn分别连接采样电路1~采样电路n的输入端，通过量程选择开关选择不同的采样电路进行测量，从而实现量程通道的切换，本实施例中量程选择开关Q1~Qn采用场效应管，场效应管相对其他开关器件来说的电磁干扰较小、通断时间短，对小信号的干扰较小，当然也可以采用采样继电器或其他常规的量程开关器件。采样电路1~采样电路n的输出端皆连接到信号输出端Vout，信号输出端Vout接入待测量单元DUT，缓冲器U1的输入端连接信号输出端Vout。
缓冲器U1的输出端连接等电势线a、b构成的等电势环路，等电势环路环绕在采样电路1~采样电路n构成的采样单元周围，形成一个等电势圈，让被测信号与其他电路的信号隔离，不受其它电路的影响。
本发明实施方式将采样电路输出的采样信号通过缓冲器进行缓冲跟随，使缓冲器U1后端的补偿部分与采样电路输出的采样信号进行隔离，并把经缓冲输出的信号连接至等电势环路形成一个等电势圈，可以隔离测量信号和其他电路上的非测量信号，让被测信号不受其它电路的影响，减少与其他电路之间漏电的可能，提高抗干扰能力，同时由于等电势圈的存在，采样电路与其他电路不会产生寄生电容，从而使采样信号更真实，测量更精准。
本发明实施例通过等电势体补偿的方式来减少测量过程中的信号失真，可以有效减少对高精密器件或低泄漏材料器件的需求，降低生产过程中的清洁工艺要求，降低或者省去除湿及三防等工艺要求，降低生产环境的要求，能够提高生产效率并降低生产成本；同时本发明将采样信号与其它电路隔离，可以提高抗干扰能力，减少与其他电路产生的寄生电容与漏电，提高测量设备的测量精度和稳定性。
但即使采用场效应管作为量程选择开关，虽然泄漏电流相对较小，还是会存在，因此多量程通道的测量电路中的任意一路采样电路在测量小信号时，由于其他采样电路中的场效应管存在泄漏电流，因此也会影响测量精度。为了解决上述问题，本实施例中引入补偿电路，具体如下：缓冲器U1的输出端通过电子开关K1~Kn分别连接采样电路1~采样电路n的输入端。本实施例中缓冲器U1采用电压放大系数为1的运算放大器，将采样信号进行缓冲跟随，进行缓冲跟随的目的是把采样信号与后级的补偿电路进行隔离，增加后级补偿电路的驱动能力，而转变后的信号与原来的信号相等，且不影响前级采样信号。本实施例中缓冲器的型号为OPA124、电子开关的型号为DG444、量程选择开关的型号为FDS8333,当然本领域技术人员也可以适应性的选择其他型号的元器件。
下面以量程通道1来说明上述电路的工作原理：
当选择量程通道1时，采样选择为采样电路1，此时电子开关K1断开，电子开关K2~Kn闭合，场效应管Q1导通，场效应管Q2~Qn截止，选择其他量程通道时原理相同。
参考图1，根据基尔霍夫电流定律，流过待测量单元DUT的电流I=i1+i2+…+in-ik。i1~ in分别为流经采样电路1~采样电路n的电流，ik为泄漏到其他电路的泄漏电流，由于采样电路2~采样电路n中的效应管都有泄漏电流，使得通过待测量单元DUT的电流不是真实测量的i1电流。
本发明实施例中引入缓冲器U1后端的补偿电路和等电势环路，采样信号经缓冲器U1进行跟随后，V0点的电压等于Vout的电压，同时，因为电子开关K2~Kn闭合，使V2~Vn的电压等于Vout的电压，采样电路2~采样电路n两端的电压差为0，根据欧姆定律，流过采样电路2~采样电路n的电压相等，所以电流为0，那么I=i1-ik。
同样，图中b点是等电势体环路的一点，b点的电压与Vout相等，流过的电流为零，即 ik=0，那么电荷就不会从信号输出端Vout流到其它电路，防止电流泄漏；此时:I=i1-ik,ik=0, I=i1，因此流过待测量单元DUT的电流是采样电路1真实测量的i1电流。
虚线表示的等电势环路为等电势电路，采样电路与其相邻的电路隔离，能有效的降低采样电路与其相邻的电路的寄生电容，提高抗干扰能力，使采样信号更真实，测量更精准。
参考图2为本发明实施例中一种单量程的信号测量电路，包括信号输入端Vin、采样电路1、信号输出端Vout、等电势线a、b构成的等电势环路和缓冲器U1，输入端Vin连接采样电路1，采样电路1通过信号输出端Vout连接待测量单元DUT，信号输出端Vout连接缓冲器U1的输入端，缓冲器U1的输出端接入等电势环路，等电势环路环绕在采样电路1周围，形成一个等电势圈，因为只有单量程，所以没有量程选择开关，也就不存在开关漏电的情况，只存在其他电路对测量电路造成的影响。本实施例通过等电势圈隔离测量信号与非测量信号，可以减少与其他电路产生的寄生电容与漏电，提高抗干扰能力。
本发明还涉及一种等电势体信号测量装置，包括：基板，所述基板上设置上述的等电势体信号测量电路。其中，等电势环路设置在基板的表面，也就是将等电势线裸露出来，可以防止灰尘在板上形成的漏电。
本发明还涉及一种测量仪表，包括上述的等电势体信号测量装置。
综上所述，本发明提供了一种等电势体信号测量电路、装置及测量仪表，将采样电路输出的采样信号通过缓冲器进行缓冲跟随，使缓冲器后端的补偿电路与采样电路输出的采样信号进行隔离，并把经缓冲输出的信号连接至等电势环路和采样电路形成一个等电势圈，避免量程选择开关的电流泄漏，还可以隔离测量信号和其他电路上的非测量信号，让被测信号不受其它电路的影响，减少与其他电路之间漏电的可能，提高抗干扰能力，同时由于等电势圈的存在，采样电路与其他电路不会产生寄生电容，从而使采样信号更真实，测量更精准。
本发明实施例通过等电势体补偿的方式来减少测量过程中的信号失真，可以减少现有测量仪表中对于高精密器件或低泄漏材料器件的需求，降低生产过程中的清洁工艺要求，降低或者省去除湿及三防等工艺要求，降低生产环境的要求，能够提高生产效率并降低生产成本；同时本发明将采样信号与其它电路隔离，可以提高抗干扰能力，减少与其他电路产生的寄生电容与漏电，提高测量设备的测量精度和稳定性。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种等电势体信号测量电路，其特征在于，包括：
信号输入端；
采样单元，所述采样单元包括n个采样电路，n为任意正整数；若n=1，所述信号输入端连接所述采样电路的输入端；若n大于1，所述信号输入端通过量程选择单元分别连接n个所述采样电路的输入端；
等电势环路，所述等电势环路环绕设置在所述采样单元周围；
信号输出端，n个所述采样电路的输出端皆连接所述信号输出端，所述信号输出端用于连接待测量单元；
缓冲器，n个所述采样电路的输出端皆连接所述缓冲器的输入端，所述缓冲器的输出端连接所述等电势环路以用于建立等电势圈。
2.根据权利要求1所述的等电势体信号测量电路，其特征在于：所述量程选择单元包括与采样电路一一对应的n个量程选择开关，所述信号输入端分别连接n个所述量程选择开关的输入端，所述量程选择开关的输出端连接对应所述采样电路的输入端。
3.根据权利要求2所述的等电势体信号测量电路，其特征在于：所述量程选择开关为场效应管。
4.根据权利要求1所述的等电势体信号测量电路，其特征在于：若n大于1，所述缓冲器的输出端分别连接n个所述采样电路的输入端。
5.根据权利要求4所述的等电势体信号测量电路，其特征在于：还包括n个与采样电路一一对应的电子开关，n个所述电子开关分别连接至所述缓冲器的输出端与对应所述采样电路的输入端之间。
6.根据权利要求1或4或5所述的等电势体信号测量电路，其特征在于：所述缓冲器采用电压放大系数为1的运算放大器。
7.一种等电势体信号测量装置，包括：基板，所述基板上设置有权利要求权利要求1至6任意一项所述的等电势体信号测量电路。
8.根据权利要求7所述的等电势体信号测量装置，其特征在于：所述等电势环路设置在基板的表面。
9.一种测量仪表，其特征在于，包括权利要求7或8所述的等电势体信号测量装置。
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