微电流检测

目录

1、设计背景......................................................... 1 2、设计方案选择..................................................... 2

2.1典型的微电流测量方法 ................................................................................................................................................ 2

2.1.2运算放大器法 ..................................................................................................................................................... 2 2.1.3场效应管+运算放大器法 ................................................................................................................................... 3 2.2总体设计方案 ................................................................................................................................................................ 4 3、具体设计方案及元器件的选择....................................... 5

3.1稳流信号源问题 ............................................................................................................................................................ 5 3.2 I/V转换及信号滤波放大 ............................................................................................................................................. 6

3.2.1前级放大 ............................................................................................................................................................. 7 3.2.2滤波及后级放大电路 ......................................................................................................................................... 8 3.2.3运算放大器的选取 ............................................................................................................................................. 8 3.3量程自动转换 ................................................................................................................................................................ 8 3.4信号采集处理 .............................................................................................................................................................. 10 4、软件仿真结果.................................................... 11 5、参考资料........................................................ 13

微电流测试电路的设计

微电流测试电路设计

1、设计背景

微电流是指其值小于10A的电流,微电流检测属于微弱信号检测的一个分支，是一门针

-6对噪声的技术,它注重的是如何抑制噪声和提高信噪比。该技术在军事侦察、物理学、化学、电化学、生物医学、天文学、地学、磁学等许多领域具有广泛的应用。我们所研究的微电流检测主要针对电力系统中的绝缘材料，因为现代国民经济对电力供应的依赖性日益增大，电力系统的规模、容量也在不断扩大。而电气设备的绝缘材料往往是电力系统中的重要组成部分，绝缘材料的漏电流情况严重会造成电力系统的重大损失。微电流检测是通过对泄漏电流的测量来评估绝缘材料状况的有效方法。近年来,针对微弱电流的信噪改善比SNIR已能达到1了，目前国内做得比较好的单位是南京大学,其独家生产的ND-501型微弱信号检测实验综合装置己被国内至少76家高等院校使用。但其产品价格昂贵,少则几千元,多则几万元，例如HB-831型pA级电流放大器、HB-834型四通道pA级电流放大器、HB-838型八通道pA级电流放大器的售价分别为4100元/台、13000元/台、22000元/台。所以，研制高精度、寿命长、成本低、电路简单的微电流检测仪具有重要的现实意义及理论参考价值。为了达成目标，我们需要重点考虑以下几个问题：

（1）如何获得实验信号，即电流为10A（本设计要求）的稳流信号源的实现问题；

12（2）如何将微弱电流信号转换成易于操作的信号；

（3）怎样将微弱信号提取放大；

（4）如何实现量程的自动转换问题；

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（5）将实际中的模拟信号转换成数字信号；

（6）实现对数字信号的处理和显示。

2、设计方案选择

2.1典型的微电流测量方法

2.1.1开关电容积分法[1]

开关电容式微电流测量方法的前级是在利用开关电容实现电流向电压转换的同时对电压信号进行调制和放大，达到微伏级；后级电路通过选频放大电路实现微伏级电压的放大，再利用开关式相敏检波电路解调得到与被测微电流有一定比例关系的伏特级电压。

但文献[1]在选择器件时有以下不足之处：①目前开关的泄漏电流较大(作者所选用的MAX4052开关的泄漏电流为2pA)，致使开关电容式微电流测量方法的测量精度难以再提高；②所选用的运算放大器为普通运放F3140,其失调电压为5mV，偏置电流为l0pA，难以保证测量精度。

2.1.2运算放大器法

此类测量方法的前级都是运用较高精度的运算放大器直接进行I-V转换，其转换原理如图1所示。在图1中，R0为运算放大器的输入限流保护电阻：R1与Cl组成反馈补偿网络，降低带宽，防止R1、R2、R3与Q移相产生自激振荡；R1与R2、R3组成T型电阻网络，用以对微电流进行进一步的放大，其放大系数表达式为(1+R3/R2)Rl；R4与C2组成低通滤波器，

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用以滤除运放的高频噪音；包含A/D转换的电压放大单元，有用模拟电路放大的，也有用程控电压放大器(专用电压放大芯片)放大的，此时它受单片机的控制；单片机主要担任控制与计算任务，可以实现自换量程、自动校零等功能。此种方法可以放大的微电流的级别视运算放大器的综合性能而定，但一般不能精确放大pA级及更微弱的电流信号。

C1R3R1R2IiR0电压放大-+R4单元C2（包含A/D）单 数 片 机显

图1 运算放大器法原理图

2.1.3场效应管+运算放大器法

通常的集成电路（IC）内部的半导体器件由于受制造条件的制约，其性能往往低于分立器件。因此，使用分立器件能够制造出比IC性能更优良的电路。

与晶体三极管相比，场效应管的低频噪声系数要小得多；场效应管的等效输入电流噪声也相对很小，而其等效输入电压噪声与晶体三极管相当或略高，这使得场效应管的最佳源电阻较大；而且，场效应管的低频1/f噪声只出现在等效输入电压噪声中，而不出现在等效输入电流噪声中。这些特点使得场效应管用作低噪声前置放大器比晶体三极管更为合适。

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一般地，金属氧化物场效应管（M0SFET）的1/f噪声要大于结型场效应管（JFET），所以，微弱信号检测的前置放大器通常选用跨导高、输入电阻大、栅源电容小的结型场效应管。

前置放大器选用结型场效应管的电路，通常都是使用低噪声结型场效应管组成差动放大电路，并结合高精度运算放大器，实现前置级的I-V转换并有一定程度的放大。该类型的前置级放大电路如图2所示。

+6VC1C2C5R0R9R3-+R1R6R2R4R8R5VOUTOPA128LMC3C4R7-6V

图2 结型场效应管测量微电流的前置级放大器原理图

2.2总体设计方案

综合考虑以上三种方法，本设计采用第二种测量方法，并对其做出简化和改进，总体设计方案如图3所示：

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外屏蔽层内屏蔽层模拟转化开关I/V转换及前级滤波放大后级滤波放大量程转换结果微电流模拟发生器电压输出A/D转换数显单片机 图3 微电流检测总体设计方案

3、具体设计方案及元器件的选择

3.1稳流信号源问题

信号源采用如图4所示的电阻分压原理。图中B点悬空，接运算放大器的反相输入端，地线接运算放大器的同相输入端。若图中A点电压为1mV(实验中在线检测仍为lmV)，则可得到lpA的输入电流。同理，A点电压为2mV，则可得到2pA的输入电流。分压电阻均采用普通电阻。

10kΩ10kΩ10kΩA10kΩB6V10kΩ1kΩ1kΩ1kΩ

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图4 信号源电路图

本实验的信号源和电路板的供电电源均采用电池供电。检测电路所采用的运算放大器的最低供电电压均为5V，实验采用6V小型锌锰干电池。在实验前用万用表测量正负极电源电压绝对值基本相同，但在较长试验时间后发现运算放大器的正极消耗的电能比其负极要多一些，所以长时间运行后，运算放大器正负电源的电压绝对值差值增大，这将影响运算放大器的正常工作。因此改用8节1号干电池组成±6V电池组，而且在使用一段时间后，将正负极各四节电池进行整体交换，这样可以减少运算放大器正负供电电源电压绝对值的差值，有利于提高测量结果的准确度。

3.2 I/V转换及信号滤波放大

电流信号极易受到干扰的影响且在传递过程中需要很多电容进行滤波，不便于操作。因此对微弱电流的检测，需要先将其转化为电压信号。为了实现从pA量级到V级的高增益放大，本部分由前级放大电路、滤波和后级放大电路组成，电路原理图如图5所示。

C1R4R9R3R7R2R1-+OPA128LMR5R6-+ICL7650C2C3R8-+ICL7650R10 图5 I/V转换及信号滤波放大电路

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3.2.1前级放大

由于被测量信号pA量级, 很容易淹没在噪声中, 因此前级放大成为整个放大电路的关键。本设计采用电阻反馈式电路, 原理图如图5前级放大电路所示。被测电流信号通过放大电路时, 转化为反馈电阻R1两端的电势。同时前级放大所用的电阻的精度和温漂性能也决定放大电路的可用性。由于放大倍数决定其阻值较大，这会带来温漂误差。采用T型电阻网既可以采用小阻值电阻减小漂移误差，又能获得较大的输入电阻和放大倍数以满足信号处理的要求，T型网络如图6所示。

RBRfRAIs-+U0 图6 T型网络

在理想特性条件下，放大器增益：

GRf(1RA)RB （1）

由式（1）知：放大器增益仅与外部T型电阻网络有关，而与放大器本身参数无关，选用不同T型网络电阻比值，即可得到不同增益扩展。由于电阻比值精度较高、稳定性较好，闭环增益精度和稳定性也会很高。此外，与负反馈电流/电压转换原理相比较，由于因子(1+

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RARB)的放大作用，可适当降低Rf的放大作用，从而使T型电阻网络避免采用高值电阻，减少

了电阻热噪声的影响。

3.2.2滤波及后级放大电路

由于前级放大电路的放大倍数有限，为了使输出电压信号能够满足采集范围要求，需要通过后级放大电路对前级放大得到的信号进一步放大。同时，为了抑制系高频噪声，在前后级放大电路之间加入一阶有源低通滤波器，由一个电阻和一个电容组成，如图5所示。

3.2.3运算放大器的选取

为了减小运算放大器偏置电流对测量信号的影响，选取合适的运算放大器。具体选择原则就是：输入偏置电流IB、输入失调电流IOS及输入失调电压VOS小；噪声(eN、iN)小；共模抑制比(CMRR)大；输入阻抗RIN大；漂移小。经大量搜索，决定前级放大采用OPA128JM运算放大器，后两级采用ICL7650运算放大器。

3.3量程自动转换

为了保证测量数据的准确性，在测试时可以根据不同的测试电流进行量程的切换，本设计选择每pA为一个档位。先把测量电压进行衰减（1:8），电压负反馈运算放大器对衰减信号进行放大。由模拟开关进行通道的选择，模拟开关控制端由AT89C52的P1口提供，从而实现放大倍数的控制。

模拟集成开关是一种由数字信号来控制电路导通与截止以控制模拟信号传输的器件，又称电子开关。选择开关时主要考察以下几个指标：

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（1）通道数量；

（2）泄漏电流；

（3）导通电阻。

除此之外，开关速度和电源电压范围也是很重要的参数，在应用时要根据实际情况灵活选择。本设计中我们选取了8通道模拟开关HCF4051。量程转换电路如图7所示。

5VR1R3R4XX7R6X5R7X3R8X1+-R2HCF4051R5

图7量程转换电路

量程转换程序流程图如图8所示。

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开始量程标志初始化设置最大档量程信号采集存储YK1量程 比较NK1量程 比较欠量程K2量程 比较欠量程YYN该开关地址代码N该开关地址代码K3量程 比较欠量程N该开关地址代码依次比较，选择合适量程信号采集计算信号采集计算信号采集计算N该开关地址代码信号采集计算Kn量程 比较欠量程返回 图8 量程转换程序流程图

3.4信号采集处理

电流信号经过放大转换后，得到V级电压信号，由ADC0832进行A/D转换, 并传输给单片机做相应的数据处理和显示，信号采集电路如图9所示。且采样时间应包含多个噪声周期，采样频率应高于噪声频率，这样采集到的大量数据才能反映出噪声的统计规律。I-V转换电路和低漂移直流放大器都具有低通特性，影响电路工作的主要是低通噪声，其频率范围为0.016-1.6Hz，周期相当于60-0.6s。经试验，采样时间取50-60s，采样频率取50-100Hz，这在几十秒内可采集到数千个数据，足以形成谱线，数据采集程序的结构为：设定5000个循环；启动A/D变换；将A/D转换后所得数据分高、低字节依次存入RAM。

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图9 信号采集电路图

4、软件仿真结果

根据以上分析可知，本文所设计的微电流测量电路主要由稳流源、前级放大电路、后级放大电路、量程转换、信号显示等几部分组成。搭建仿真电路，并输入不同量程内信号进行检测，软件仿真效果图分别如图10，11，12所示。

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图10 0-1pA量程内仿真效果图

图11 1-2pA量程内仿真效果图

图12 3-4pA量程内仿真效果图

可见，在软件仿真中，已实现以下目标：

（1）将微弱电流信号转换成易于操作的信号且提取放大；

（2）将实际中的模拟信号转换成数字信号；

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（3）实现量程的自动转换；

（4）实现对数字信号的处理显示。

5、参考资料

[1] 王月娥. 微电流测量方法的研究[D]. 西安: 西安理工大学, 2005.

[2] 王卫勋. 微电流检测方法的研究[D].西安理工大学,2007.

[3] 闫书江,唐飞,王晓浩,王帆,杨涛. 用于FAIMS系统的微电流检测电路[J]. 电子测量与仪器学报,2011,08:711-715.

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