一种微弱电流测量仪的设计

摘 要：为设计1种具有较高精度和较好重复再现性的微弱电流测量仪器,采用开关调制、差分对消技术,消除微弱电流测量系统的直流误差；通过屏蔽、低通滤波有效抑制工频噪声和放大电路的噪声；边放大信号边衰减噪声提高系统的信噪比；多级放大和预调零解决高放大倍数与运算放大器饱和的矛盾.对设计的微弱电流测量仪进行测试，仪器最小量程达10 pA，最小分辨率达0.5 pA；结果显示工频噪声和直流失调对微弱电流测量有重要影响，表明设计所采用的技术有效.

关键词：微弱电流；微弱信号；开关调制；差分电路；工频噪声；偏置电流；失调电压

中图分类号：TM930；TN402 文献标志码：A

Weak current detector design

PENG Jianxue, MA Yongjun, TANG Tianhao

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)

Abstract： In order to design a ultra weak current detector, which has the properties of higher accuracy and good repetition, the virtue of switch modulation differential balancing technology is used to eliminate the DC offset of weak current measurement system. The power-frequency noise and amplifier noise are suppressed with shielding and low-pass filters. The Signal-to-Noise Ratio (SNR) of the system is enhanced by amplifying signal and suppressing noise simultaneously. Meantime, multi-level amplification and pre-zero adjustment are applied to achieve a great magnification without saturation. The tests show that the minimum range of this device is as low as 10 pA, and the minimum resolution is 0.5 pA, and the power-frequency noise and DC offset on the weak current measurement have a material influence. It also testifies the efficiency of the technology.

Key words： weak current；weak signal；switching modulation；differential circuit；power-frequency noise；bias current；offset voltage

0 引 言

对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动以及微温差等，一般都通过相应的传感器将其转换成微电流或微电压，再经放大器放大其幅度以指示被测量的大小.^［1］因此，微弱电流测量在科学研究、加工和制造等领域有非常重要的现实意义，但放大电路和测量仪器系统本身的固有噪声以及外界干扰往往比微弱电流信号的幅度大许多，例如380 V交流电压通过干燥绝缘木(阻值达1000 MΩ)的电流为0.38 μA，大大超过被测微弱电流信号.

本设计以微弱电流为测量对象，最小量程可达10 pA，最小分辨率可达0.5 pA.微弱电流测量首先将待测微弱电流转变为微电压信号，对于一般运放，其失调电压在μV级以上，偏置电流在pA级以上，会淹没待测微弱电流信号；此外，需要对微电压信号放大到后续电路能进行处理的程度，但同时也放大了测量系统的噪声和直流误差，因此需要抑制噪声和消除直流误差.^［1-2］微弱电流测量的主要问题是工频干扰和各种直流误差源的影响.^［3］前者可通过屏蔽和低通滤波电路解决，后者可通过开关调制、差分对消技术加以消除.

1 基于开关调制、差分对消技术的微弱电流测量方法

1.1 测量系统直流误差模型

微弱电流测量系统中，待测微弱电流可能被各种噪声和直流误差信号所淹没，需要测量系统自身可以消除各种直流误差并尽可能地衰减各种噪声.对于本设计来说，直流误差源主要是运算放大器的偏置电流和失调电压等^［2］，运算放大器模型见图1.

图1 运算放大器模型

图1中，Ib+，Ib-是运算放大器的偏置电流，UIo是运算放大器的失调电压.常见的电流/电压转换电路即电流前置放大器模型见图2.

图2 微弱电流前置放大器模型图2中，Is是被测电流，Rf是反馈电阻(采样电阻)，R′是平衡电阻.前置放大器的输出误差^［3］Uo=UIo+Ib+R′+Ib-Rf(1)这些主要的直流误差源产生的直流误差须通过特殊的电路处理来消除.

1.2 开关调制、差分对消原理

本文提出开关调制、差分对消微弱电流测量法，从根本上消除直流误差对测量微弱电流信号的影响.所谓开关差分电路，指由CPU控制的调制开关对测量信号进行调制，通过采样保持与差分电路消除信号中所含的直流误差，最终输出与被测微弱电流信号幅值成正比的电压信号.开关调制电路等效模型见图3.

图3 开关调制前置放大器等效模型

当K1断开，K2闭合，此时输出Uo1=IsRf+UIo+Ib+R′+Ib-Rf(2)当K1闭合，K2断开，此时输出^［3］Uo2=UIo+Ib+R′+Ib-Rf(3)式(2)和(3)包含相同的直流误差部分，若两式差分，便可消去系统主要直流误差，输出Uo=Uo1-Uo2=IsRf(4)由式（4）可知，差分后的输出结果消除了运放的直流误差成分，与被测电流Is幅值成正比.由于被测量为微弱电流，所以Uo仍可能很微弱，需要经多级放大，再进行差分.设多级放大总倍数为A，则此时输出Uo=AIsRf(5)被测微弱电流值Is=UoARf(6)最终，测得结果由单片机根据式(6)通过串口通信在PC机上显示.

2 电路设计

2.1 系统结构

系统结构见图4.图4 系统结构

系统由3部分组成：第1部分为开关调制前置放大阶段，共设计4级，对信号进行调制，同时将微弱电流信号转化为电压信号；第2部分是主通道放大阶段，分2个阶段进行放大，由多路选择电路、低通滤波电路、饱和判别单元和调零电路组成；第3部分是微弱电流测量输出阶段，由采样保持电路和差分电路等构成，根据调制开关的不同状态对放大后的电压信号分别采样保持，再通过差分电路消除系统直流误差，最终输出与被测电流幅值成正比的电压.

整个测量系统采用单片机作为控制中心，对调制开关、放大级选择以及电路时序进行控制.

2.2 第1阶段放大

第1放大阶段见图5.

图5 第1放大阶段

整个阶段分为8级（V1～V8），框图由上至下，级级相串，总放大倍数逐渐增大.第1放大阶段对前置放大阶段输出的低电压信号进行选级放大，选择的依据是多路选择开关由上至下依次选通闭合，输出电压第1次超出运放的线性工作范围时，所选的放大级向后倒退1级，即为所需的放大级.由饱和判别单元判断电路输出是否超出运放的线性工作范围.由于本设计采用开关调制、差分对消技术去除微弱电流测量中的直流误差，要保证调制开关处于不同状态时，同一放大级饱和判别结果均为不饱和，即均工作在线性范围内.

为衰减50 Hz工频及其高频谐波噪声，每个放大级包含1个低通滤波环节.第1阶段放大级差较大，相当于对信号进行粗放大，每级的放大倍数设计为5.3，所以对低通滤波50 Hz以上的信号增益必须衰减5.3倍以上，以保证每级对50 Hz以上信号的总增益Gs<1，这样工频信号在每级都不能放大.

系统的直流误差信号经数级放大后，输出可能超出运放的线性范围，因此在第1放大阶段末级设置调零电路，使末级失调输出预先调整在零点附近.

2.3 第2阶段放大

第2放大阶段共4级，为充分利用A/D转换器的分辨率，每级放大倍数较小，选择依据仍然是使信号输出为最大且不超过运算放大器的饱和电压，见图6.

图6 第2放大阶段根据调制开关的不同状态，将第2放大阶段输出的2次结果分别存储在2个采样保持器中，通过差分可以消除前置放大阶段、第1放大阶段和第2放大阶段的直流误差.

2.4 饱和判别单元

本设计前置放大阶段采用运放的供电电源为±3 V，电流/电压变换后的电压送往饱和判别单元1，判别结果送至单片机；第1和第2放大阶段采用运放的供电电源均为±15 V，放大后的结果经多路选择开关送至饱和判别单元2，判别结果送至单片机.饱和判别单元见图7.

图7 饱和判别阶段

3 实验结果与分析

3.1 微弱电流测量系统

微弱电流测量系统实物见图8.

图8 微弱电流测量系统

3.2 工频噪声影响

工频噪声可以通过环境杂散阻抗进入测量系统，也可以通过静电耦合和电磁耦合进入测量系统.无屏蔽且手靠近时放大级输出波形见图9.在为微弱电流测量仪盖上屏蔽板并将手贴在屏蔽板上后，放大级输出波形见图10.此时，工频干扰被有效屏蔽.图9 无屏蔽且手靠近时放大级输出波形

图10 手贴在屏蔽板上时放大级输出波形

3.3 采样保持及差分对消电路的验证

采样保持及差分对消电路的作用是消除本系统的直流误差和漂移.为进行验证，用双踪示波器分别跟踪采样保持前电路输入波形与差分对消电路后的输出波形，得到如图11所示波形.

图11 差分对消输出波形

3.4 实验数据

表1 不同电流值的5次测量结果pAI12345100100.520100.23099.890100.11099.870109.96310.0549.9829.93210.0114 结 论

本文介绍的微电流测量仪经高温、低温、工频传导和射频干扰等不同环境条件下的试验，结果达到最小量程10 pA，最小分辨率0.5 pA，具有较高的精度和较好的重复再现性.试验表明，噪声和直流误差源的抑制和消除是微电流测量仪设计的核心^［4］；此外，屏蔽和保护环及合理的PCB布线对微电流测量有着重要影响.^［5-6］仪器的结构工艺、装配工艺和PCB布局布线有待改进，减小工频泄漏电流和高频噪声以及直流泄漏电流^［7］，此外调制开关的热电势是影响最小分辨率的主要因素之一^［8］.

参考文献：

［1］高晋占. 微弱信号检测［M］. 北京: 清华大学出版社, 2004： 7-12.

［2］曾庆勇. 微弱信号检测［M］. 杭州: 浙江大学出版社, 2003： 29-36.

［3］陈新, 何坚, 王春芳. 一种微电流直流放大器的研制［J］. 集美航海学院学报, 1998, 16(3): 22-24.

［4］KULAH H, AKIN T. A current mirroring integration based readout circuit for high performance infrared FPA applications［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅱ: Analog and Digital Signal Processing, 2003, 50(4): 181-186.

［5］LIANG Junli, YANG Shuyuan, TANG Zhifeng. Weak signal detection based on stochastic resonance［J］. J Electron & Inform Technol, 2006, 28(6): 1068-1072.

［6］MARTIN S M, GEBARA F H, STRONG T D, et al. A low-voltage, chemical sensor interface for systems-on-chip: the fully-differential potentio-stat［J］. IEEE Int Symp on Circuits & Systems, 2004, 4(23): 892-895.

［7］温世仁. 微弱信号检测系统中的接地与屏蔽技术分析［J］. 宇航计测技术, 2005, 25(2): 46-49.

［8］JIANG Hongkai, WANG Zhongsheng, HE Zhengjia. Early identification of weak-signal fault features under very unfavorable environment using adaptive lifting scheme packet［J］. J Northwestern Polytechnical Univ, 2008, 26(1): 99-103.

(编辑 陈锋杰)

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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