4系统设计 - 一种微电流测量方法研究与实现

　　4系统设计

　　4.1测量电路构成

　　本测量电路由3部分组成。

　　1）前置放大阶段，对信号进行调制放大，同时将微电流信号转化成微压信号；

　　2）信号放大阶段，分别由低通滤波电路、调零电路、开关选择电路、状态判别电路构成；

　　3）微电流输出，由采样保持、差分电路等构成，由调制开关对放大后的电压信号分别进行采样保持，通过差分电路去除系统误差，最后输出与被测微电流成正比的电压信号。测量电路构成如图3所示。

　　图3测量电路系统构成

　　4.2第1级放大电路原理

　　放大过程分为8小级（V1～V8）完成，框图由上至下，逐渐放大如图4所示。前置放大电路输出的微压信号在第l级进行放大时，由中央处理器控制放大级数。级数的确定先由多路开关依次闭合，由状态判别电路做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，级数倒退1级，并送往中央处理器。为避免工频干扰信号数次被放大，每级放大电路都设置低通滤波器。调零电路设置在放大电路的末级，以避免测量电路本身失调信号被数次放大后，可能超出其工作的线性范围。

　　图4第1级放大电路原理

　　4.3第2级放大电路原理

　　共分4级放大，每级放大倍数不宜过大，以不超过运放的饱和电压且输出信号最大为准，如图5所示。

　　图5第2级放大电路原理

　　依据调制开关的不同时态，将信号放大阶段输出的结果存储在2个寄存器中，利用差分电路，使得前置放大电路，主放大电路中伴随着的杂质直流信号得以消除。

　　4.4状态判别电路原理

　　采用供电电源为3 V的前置放大电路，J/U转换后的信号输出给1号状态判别电路，由判别电路做出判断将结果送至中央处理器；中问主放大电路均采用电源为15 V的运算放大器，电路输出给2号状态判别电路，将结果送至中央处理器如图6所示。

　　图6状态判别电路原理

　　5安装注意事项

　　除电路结构设计外，在元器件选择、电路安装及工艺上也要采取一定的措施。为达到pA级微电流测量，必须注意以下几点：

　　1）为了尽量避免干扰，应将输入接线端用屏蔽环完全环绕，并将屏蔽层与外壳、衬底及信号地连接口］，将保护环设置在印刷板的正反两面。

　　2）电路的各条回路都应以地作为电流返回的通道，鉴于地线上的阻抗不是零而形成电位差，地线与信号线间的电容耦合会进一步增加噪声干扰，因此，要尽量设置少的接地点或减小接地点间的距离。

　　3）PCB布线时，要注意各种器件的摆放，每个芯片必须配置去耦电容，功率大的元器件要求靠近电源位置，尽量减小电线长度，在电源和放大器的输出部分大面积敷铜。在进行线路板的走线时，先走地线及电源线。

　　6试验仿真

　　6.1工频干扰试验

　　工频噪声可以通过空间辐射、传导进入，通过对测量仪器加装金属屏蔽层，测试者手接触仪器外壳时，测试电路输出波形如图7所示；撤掉金属屏蔽层，测试者手接近仪器外壳时，测试电路输出波形如图8所示，从两图对比中可以看出50 Hz噪声得到有效抑制。

　　图7屏蔽时电路输出波形

　　图8无屏蔽时电路输出波形

　　6.2验证调制采样电路、差分电路的有效性

　　为过滤掉电路失调等直流杂质信号，采用调制电路、差分电路。为验证电路的有效性，用示波器分别测量采样保持输入端波形和差分电路输出端波形，如图9所示。很明显，直流杂质被有效过滤。

　　图9差分电路后输出波形

　　6.3测试数据

　　测试数据，如表1所示不同值的5次测量结果。

　　对于100 pA，测量平均值：

　　=100.156 pA，测量误差为0.16%，测量重复性s=0.24 pA；

　　对于10 pA，测量平均值：

　　=9.993 pA，测量误差为- 0.07%，测量重复性s=0.04 pA.

　　测量准确度、重复性达到预期目的，符合0.5级要求。

　　7结论

　　随着电子测量技术的进一步发展，pA级别的电流测量在众多领域具有极其重要的地位，微电流测量极易受到环境条件和测量仪器自身噪声的影响。依据提出的测量方法设计的测量仪器经高、低温、电磁干扰等试验，对于10 pA电流，仪器准确度可达0.5级，具有较高的准确度和较好的测量重复性、稳定性。试验数据表明，去除工频干扰和直流误差的影响是减小微电流测量误差的主要因素。