CN201757765U - 一种用于光电流检测的微电流计 - Google Patents

Abstract

一种用于光电流检测的微电流计，属光电流检测技术领域。包括微电流放大、模数转换、单片机控制、数码显示单元和直流电源，其特征在于微电流放大单元的输入端和光电转换器相连接，输出端和模数转换模块的输入端相连接；模数转换模块的输出端连接到单片机控制单元上，单片机控制单元和数码显示单元相连接；单片机控制单元上连接了清零开关；直流电源连接到上述各个单元为其提供所需的直流电。本实用新型采用了单片机进行控制，有利于维护和进一步的升级，放大倍数连续可调，可使仪器具有更大的灵活性，使在量程范围内，数据结果与实际结果成正比，能保证用于定性分析的精度；使用数字清零，比模拟清零更有效地减小外界杂光的干扰，电路结构简单。

Description

一种用于光电流检测的微电流计

所属技术领域

本实用新型涉及一种用于光电流检测的微电流计，属光电流检测技术领域。

背景技术

现在用于光电流检测的微电流计的种类较多，精度不一，精度的不同，价格也相差较大，但是实验室所需要的用于光电检测微电流计常用于定性分析问题，精度有较高要求，但在数值上并不严格要求，但电流计的测试结果要能够反映真实的电流变化情况。南京工学院学报(自然科学版)2003年3月第二卷第一期的文章新型微电流计的设计与应用介绍了一种用于实验室的微电流计的设计方案。该方案采用ICL7107CPL与模拟电路构成，为了提高测量精度该方案采用了多量程测量，通过开关切换量程，对于清零同样采用模拟电路的方式，电路较复杂，成本较高，该方案设计的微电流计量程切换开关容易损坏，而且由于常见的定性分析实验并不需要精确的数值结果，因此该方案在简单实用方面有些欠缺。

发明内容

针对背景技术中所述的缺陷和不足，本实用新型提供了一种专门用于光电流检测的简单实用的微电流计。

本实用新型的技术方案如下：

一种用于光电流检测的微电流计，包括微电流放大单元、模数转换模块、单片机控制单元、数码显示单元和直流电源，其特征在于微电流放大单元的输入端和光电转换器相连接，输出端和模数转换模块的输入端相连接；模数转换模块的输出端连接到单片机控制单元上，单片机控制单元和数码显示单元相连接以显示所检测的微电流值；单片机控制单元上连接了清零开关能够实现清零功能；直流电源连接到微电流放大单元、模数转换模块、单片机控制单元和数码显示单元为其提供所需的直流电。

该光电流计采用硅光电池完成光电装换，将光信号装化为微电流信号，然后转换为易于测量的电压信号，再经过微电流放大单元进行微信号放大后，通过模数转换芯片对转换放大后的电压信号进行数据采集，最后将数据送至单片机控制单元，并通过数码显示单元的数码管显示测量数据。微电流计的量程为0.1uA-0.1mA，放大倍数连续可调，在保证精度的情况下去除了量程切换开关，为排除环境影响，电流计设置了软件清零功能，可以有效的排除环境影响。

本实用新型电流计设计中ICL7135模数转换器使用其BUSY信号端作为信号输出端。BUSY端口输出的信号的高电平的宽度等于积分和反积分时间之和。ICL7135内部规定积分时间固定为10001个时钟脉冲时间，反积分时间长度与被测电压的大小成比例。利用这个特点可以用单片机对高电平的长度进行测量，从而计算出模拟信号的电压。采用的ICL7135的时钟信号是由单片机的ALE引脚信号经过74HC161的16分频得到的。单片机内部定时器的计时脉冲频率为单片机片内振荡频率的1/12，而ALE引脚输出信号是单片机片内振荡频率的1/6。ICL7135时钟信号是定时器计时脉冲频率是ICL7135时钟信号的1/8。

电压计算公式：

count为单片机内部定时器的计时脉冲的个数。

本实用新型微电流计进行测量时单片机控制单元的运行方法为：开机进行初始化，显示初始值，等待信号到来，检测到有信号以后，启动定时器，计算由模数转换模块送来的信号的高电平长度，通过计算公式计算电压值，然后将电压值转化为四位的数字编码，送到数码管进行动态扫描显示，同时还要继续扫描信号端口，以便于随时显示实时数值。

清零采用中断方式处理，在光电流为零时，按下清零按钮，通过单片机内部计算，改变需要显示的数值，达到清零的目的。再次按下清零可以恢复原来的显示。需要注意，每次改变增益旋钮都要进行重新清零。

本实用新型的创新之处在于，采用了单片机进行控制，有利于维护和进一步的升级，放大倍数连续可调，可以使仪器具有更大的灵活性，使在量程范围内，数据结果与实际结果成正比，能够保证用于定性分析的精度，使用数字清零，比模拟清零更有效地减小外界杂光的干扰，电路结构简单。

附图说明

图1为本实用新型微电流计的电路结构示意图。其中：1、微电流放大单元，2、模数转换模块，3、单片机制单元，4、数码显示单元，5、直流电源。

图2为本实用新型微电流计中微电流放大单元的电路图。

图3为本实用新型微电流计中模数转换模块的电路图。

图4为本实用新型微电流计中的单片机控制单元的电路图。

图5为本实用新型微电流计中数码显示单元的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但不限于此。

实施例1：

本实用新型实施例1如附图1所示，包括微电流放大单元1、模数转换模块2、单片机控制单元3、数码显示单元4和直流电源5，其特征在于微电流放大单元1的输入端和光电转换器相连接，输出端和模数转换模块2的输入端相连接；模数转换模块2的输出端连接到单片机控制单元3上，单片机控制单元3和数码显示单元4相连接以显示所检测的微电流值；单片机控制单元3上连接了清零开关能够实现清零功能；直流电源5连接到微电流放大单元1、模数转换模块2、单片机控制单元3和数码显示单元4为其提供所需的直流电。

图2为本实用新型实施例1微电流计中微电流放大单元的电路图，它是用三个芯片a、b和OP07构成，其中芯片a、b为两个相同的LF353运算放大器，都是双运放，即包括A，B两个单元。a放大器的3脚接地，2脚微输入电流信号，并通过电阻R1接到1脚，经过a放大器的A单元，微电流信号经过放大并转换为电压信号从1脚输出，8脚和4脚分别接正负电源，并通过电容C1，C2耦合接地，1脚接到a放大器B单元的5脚，6脚与7脚短接，7脚将输出信号。a通过7脚与OP07相连，OP07构成巴特沃斯二阶低通滤波器，OP07的4脚和7脚分别接正负电源，并通过电容C7，C9耦合接地，a放大器的7脚通过两个串联电阻R2和R3接到OP07的3脚，OP07的3脚通过1000pF电容C8接地，OP07的2脚通过1K电阻R4接地，并通过1K电阻R5接到OP07的6脚，6脚通过1000pf电容C6接到两个串联电阻R2、R3的接点处，OP07的6脚作为输出信号接到b放大器的3脚。b放大器是双运放，也包括A，B两个单元，8脚和4脚分别接正负电源并通过电容C10，C11耦合接地，2脚接到1脚，1脚通过1k电阻R(6)接到B单元的6脚，5脚接地，6脚通过1K电阻R7和变阻器W1接到7脚，7脚作为输出端接ICL7135的7135_INPUT信号端。其中芯片集成运算放大器芯片是LF353。

图3：模数转换模块，包括ICL7135模数转换电路和74HC161分频电路。ICL7135电路连接情况如下，1脚接-5V电源，5V电源通过稳压管D1和分压电阻W2得1V的基准电压接到2脚，3脚接模拟地，4脚为积分器输入端，接积分电容C11；5脚为积分器和比较器反相输入端，接自零电容C12；6脚为缓冲器输出端，接积分电阻R12；7脚接基准电容C13正端；8脚为基准电容C13负端；9脚为被测信号负输入端此处接地，10脚位被测信号正输入端接图2微电流放大单元的b的7脚，11脚接+5V电源端，21脚：busy忙状态输出端，通过非门74LS04输出，22脚为时钟信号输入端，24脚接数字地端，其他脚空接。74HC161为分频器，为ICL7135提供时钟信号，图3中74HC161的CLK接单片机ALE接口，为74HC161提供基频信号，然后Q3脚输出16分频信号，接ICL7135的CLKIN端，为ICL7135提供时钟信号。

图4：单片机电路，1脚和20脚分别接电源和地，P0口均通过1K欧的上拉电阻RP1接电源，同时P0口作为数据信号和译码信号输出端，图3中的7135_BUSY信号接图4中7135_BUSY信号输入管脚即P10口，清零按键S1接P3^3，单片机31脚接高电平，18，19脚接晶体振荡器Y，9脚接复位电路，其他管脚不接。

图5：数码显示单元电路，采用CD4511驱动4位数码管。图4中单片机的P0^0-P0^3分别接数码管的ABCD四个位选端，P0^4-P0^7分别接CD4511的7，1，2，6四个数据端口，CD4511的13，12，11，10，9，15，14分别接数码管的a，b，c，d，e，f，g七个端口。

光电转换采用的是实验室的硅光电池。硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件，其性能稳定，光谱响应范围宽，转换效率高，线性相应好，使用寿命长，耐高温辐射光谱灵敏度和人眼的灵敏度相近等，它在分析仪器，测量仪器光电技术，自动控制，计量检测，计算机输入输出，光能利用等领域用作探测元件，得到广泛应用。

电源采用双电源正负5V供电。采用双路变压器，220V市电经变压器降压然后经整流桥和电容整流滤波，分别通过稳压芯片7805，7905，再通过电容滤波输出稳定正负5V电压。

放大单元包括一级跨导放大电路，二阶巴特沃斯低通滤波电路以及可调二级放大电路。电路结构见图2。

一级跨导放大电路，采用LF353运算放大器通过跨导放大将微弱光电流信号转为电压信号，同时将信号的大小提高五个数量级，即扩大10000倍。在放大后要加一级射极跟随器，以避免前后级放大的相互干扰。二阶巴特沃斯低通滤波电路，R＝100K，C＝0.1uf，截止频率设为

$f=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}}=50\mathrm{Hz},$

可以有效滤除高频干扰，而且对于50Hz工频也有一定的抑制作用。

二级放大电路，同样采用LF353运算放大器，反馈电阻为精确可调的多圈电阻器，可以实现放大倍数的连续可调，放大倍数在1到10倍之间，可根据实际情况进行调节。

模数转换模块电路结构见图3，采用ICL7135模数转换芯片将经过放大的微电压信号转为可用于单片机处理的数字信号。ICL7135精度高、抗干扰性能好、价格低，应用十分广泛。ICL7135的“BUSY”输出端(ICL7135的21脚)，高电平的宽度等于积分和反积分时间之和。ICL7135内部规定积分时间固定为10001个时钟脉冲时间，反积分时间长度与被测电压的大小成比例。如果利用单片机内部的计数器对ICL7135的时钟脉冲计数，利用“BUSY”作为计

数器门控信号，控制计数器只能在busy为高电平时计数，将这段“BUSY”高电平时间内计数器的内容减去10001，其余数便等于被测电压的数值。

该电流计采用的ICL7135的时钟信号是由单片机的ALE引脚信号经过74HC161的8分频得到的。电压计算公式：

count为单片机内部计数器的计数脉冲数。

采用AT89S52作为控制芯片，此芯片价格便宜，且技术成熟，能够满足本仪器的需求。虽然ICL7135本身可以支持数码管显示，但是在系统中加入了单片机能够让系统进一步的升级，而且使用数字偏置清零，简化了模拟部分的电路。单片机为ICL7135提供时钟脉冲，同时实时采集模数转换模块的数据，经过内部计算转化为电流值，通过数码管显示出来。

数码管采用四位的共阴数码管，由单片机通过CD4511译码器控制并进行动态扫描显示。CD4511可以直接将单片机送的数字译码成为数码管显示的数字，只需要对数码管的共阴极进行动态扫描就可以显示四位数字。

Claims (1)

1.一种用于光电流检测的微电流计，包括微电流放大单元、模数转换模块、单片机控制单元、数码显示单元和直流电源，其特征在于微电流放大单元的输入端和光电转换器相连接，输出端和模数转换模块的输入端相连接；模数转换模块的输出端连接到单片机控制单元上，单片机控制单元和数码显示单元相连接以显示所检测的微电流值；单片机控制单元上连接了清零开关能够实现清零功能；直流电源连接到微电流放大单元、模数转换模块、单片机控制单元和数码显示单元为其提供所需的直流电。

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