微电流检测资料
微电流检测资料
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：
目录
1、设计背景 .........................................................
1
2、设计方案选择 .....................................................
1
2.1 典型的微电流测量方法 ..................................................................................................... 1 2.1.1 开关电容积分法 [1] ................................................................................................... 1
3.2.1 前级放大 .................................................................................................................. 5
3.2.2 滤波及后级放大电路 .............................................................................................. 6
微小电流测量
测控电路设计专业：测控技术与仪器班级：07050342姓名：曹青学号：12微小电流测量仪器的设计本系统设计要求：设计一微小电流测量仪，可将较小电流以数字的方式直观、准确的显示出来。
被测信号是石英钟平均功耗电流，是一微小的不规则的电流。
测量范围：0 ~ 200μA。
1.设计分析：被测信号如图1所示。
石英电子钟的整机功耗包括两部分：一部分是石英钟集成电路的功耗；另一部分是步进电机的功耗。
石英钟集成电路包括：振荡器、分频器、窄脉冲形成器、驱动器等。
由驱动电路输出的脉冲信号，输入到步迸电机线圈绕组时，产生转位力矩，推动电机转子转动。
测量一个电路的电流，通常可以用直流或交流电流表直接测量。
但是对于测量石英钟脉动的电流，例如测量石英电子钟整机功耗这样的微安级电流，就不能简单地将电流表串入电路中去测量，而需要一套将被测信号转换成可以直接测量并用数字直观地显示出来的电路。
微小电流测量电路由数据采集转换电路、功能控制系统及显示电路三部分组成。
2.方案论证与设计：微小电流测量电路系统包括三个部分：（1）数据采集转换电路、（2）功能控制系统、（3）显示电路。
整个系统框图如图2。
图2整个系统框图第一部分是数据采集转换电路。
本部分包括的电路有取样电路、电子模拟开关、隔离电路、积分电路、A／D转换电路。
1、取样电路是将被测的电流信号转换成电压信号，并对微小信号进行放大。
该电路应有调零和调增益的功能，以取出的信号不失真为最好。
方案：采用采样保持器LF398AH。
2、电子模拟开关相当于一扇门。
开门时，数据通过；关门时，数据不能通过。
开、关门的控制信号由数据选择端控制。
开门电平为+12V，开门时间为2S，由取样控制电路提供开门时间，采用芯片CD4051BCM，其直流供电电压(VDD)−0.5伏直流电+ 18伏直流电，输入电压−(VIN),每升1级+ 0.5 VDD 0.5 VDC伏直流电。
3、隔离电路将前、后级的电路隔开，提高电路带负载能力，使后一级的输入信号不影响前一级的输出。
微电流测量
微电流测量（nA级交流、直流）一、直流微电流测量基于I-V变换的弱电流测量方法是常用的弱电流检测方法，其中的反馈电流放大型测量电路结构较简单，转换的线性较好，电路频率响应特性较好，在加入有效的硬件和软件抗干扰措施后，可以提高测量精度和稳定性。
因此测量的电路是按照基于反馈式电流放大器型I-V转换原理进行设计，其基本电路如图1所示。
图1 I/V转换原理图假定运放为理想运放，利用运算放大器的虚地概念和结点电流代数和为0的定律得出(1)输出电压V o与测量电流I s成线性比侧关系，比例系数为R f，因此根据放大要求选取R f值即可获得所需的放大倍数。
电流测量电路整体框架如图2，其中反馈电流放大电路采用的是两级放大方式。
图2 电路整体框图由于待测电流信号为10-9A，所需放大倍数较高，若采用一级放大，则需要R f约为1010Ω。
当R f过大时会产生较大的电阻热噪声电流，增大了分布电容，同时要求运放的输入电阻更大以减小分流；根据式(1)，一级放大后信号与输人为反相，所以采用两级放大电路，这样可以通过调整每一级放大倍数，来选择阻值适当的R f，减小由R f引起的误差；并通过两次电压反相，使放大电路的最终输出电压与输入信号同相，两级放大电路如图3。
图3 两级放大电路图为减小噪声干扰和运算放大器负担，通常要求输出电压应比运算放大器的噪声电压值至少大两个数量级或更高；但输出电压太大，必然要增大R f，同时增大对运算放大器性能的要求。
所以第一级放大器输出电压应设计为50～100mV，由式(1)，R f应为100MΩ。
图3中C f表示R f引入的杂散电容，通常为0.5pF。
当R f为100MΩ时，电路的截止频率约为0.3kHz，严重影响放大电路的频率响应特性。
为改进频率响应，可以引入补偿电容C来消除C f的影响。
根据运算放大器以及流入节点电流与流出节点电流相等特性，得出（2）由于R f1为kΩ级电阻，其杂散电容可忽略，可得（3）代入式(2)，拉式变换并消去V x(s)后，得出传递函数为（4）为消除C f影响，取RC=R f C f，得（5）由式(3)可知，截止频率为无穷大，理论上频带已经扩展到整个区域，因此频率响应得到改善。
海尔科技 H12012 微电流测量仪说明书
Q-42ߜ Measures Extremely Low-Level DC, True RMS AC and DC + AC Currents from 100 µA ߜOutputs SignalProportional to Total Current (DC + AC)ߜ Low NoiseߜUltra-Compact Size and Non-Contact, Clamp-On Convenienceߜ Simple Plug-In Operation ߜ Designed for Use With Digital Multimeters and Oscilloscopes ߜ Accurate Display of Wave FormsߜNo Range or Mode (AC/DC)Switching Required ߜ Extended Battery Life ߜ Red LED Indicates Momentary orContinuous Overload ߜGreen LED Indicates Power and Battery ConditionUnlike traditional non-contactcurrent probes, the HHM80 Series AC/DC MicroCurrent probes use the latest current measurement technology to give you accurate readings as low as 100 µA, with clamp-on convenience.Whether you are designing electronic circuits or measuring 4 to 20 mA process loops, there is no room for error. Until now,accurate non-contact, low-current measurements were nearlyimpossible, let alone trying to take them in tight spaces. The HHM80Series features an ultra-compact design that will accurately measure low DC and AC currents in the hard-to-reach places found in today’s circuitry, networks, 4 to 20 process control loops, and control panels. To observe your readings in real time,simply plug the HHM80 into your digital multimeter or oscilloscope and read directly.SpecificationsHHM81Current Range:0 to ±4.5 A DC, 0 to 3 A rms Output:1 mV/mA Accuracy:DC: 1% reading ±200 µA AC: 2% reading ±200 µA Frequency Response:DC to 2 kHz (@ -3 dB sine)HHM82Current Range:0 to ±450 mA DC, 0 to 300 mA rms Output:10 mV/mA Accuracy:DC:AC:0.8% reading ±200 µA Frequency Response:1500 Hz (@ -3 dB sine)HHM81 and HMM82 ElectricalResolution:DC: 50 µA typical AC:100 µA typical Output Noise:<100 µV, DC to 5 kHz Rise Time:<200 µS, 10% to 90% V out Fall Time:<200 µS, 90% to 10% V out Output Impedance:200 Ω<50 µA/AProbe Inductance:<1 µH Influence of Earth’s Field:<120 µA, null to maxSafetyWorking Voltage:IEC 1010-2-31 Cat. II Common Mode Voltage:30 VGeneralConnectors:Two 4 mm banana jacks,19 mm (0.75") spacingMaximum Conductor Diameter:4.5 mm (0.187")Overload LED (Red):For momentary or continuous overloadPower LED (Green):For power on and good batteryOrdering example:HHM81,microcurrent probe and HHM70-CONN1,banana plug to BNC adaptor, $559 + 38 = $597.HHM80 Series $559All ModelsHHM81, $559,shown smaller than actual size.AC/DC MicroCurrent Probes Zero Adjust:±25 mABattery:One 9 V alkaline (included), NEDA 1604 or IEC 6 LF22Dimensions (Probe):111 x 15 x 25 mm (4.4 x 0.6 x 1.0")Dimensions (Module):124 x 64 x 28 mm (4.9 x 2.5 x 1.1")Weight:250 g (9 oz)Cable Length:1.5 m (5')Operating Temperature:-10 to 55°C (-14 to 131°F)Storage Temperature:-40 to 80°C (-40 to 176°F)Humidity:<95% @ ≤35°C, 75% @ 55°CCANADA www.omega.ca Laval(Quebec) 1-800-TC-OMEGA UNITED KINGDOM www. Manchester, England0800-488-488GERMANY www.omega.deDeckenpfronn, Germany************FRANCE www.omega.frGuyancourt, France088-466-342BENELUX www.omega.nl Amstelveen, NL 0800-099-33-44UNITED STATES 1-800-TC-OMEGA Stamford, CT.CZECH REPUBLIC www.omegaeng.cz Karviná, Czech Republic596-311-899TemperatureCalibrators, Connectors, General Test and MeasurementInstruments, Glass Bulb Thermometers, Handheld Instruments for Temperature Measurement, Ice Point References,Indicating Labels, Crayons, Cements and Lacquers, Infrared Temperature Measurement Instruments, Recorders Relative Humidity Measurement Instruments, RTD Probes, Elements and Assemblies, Temperature & Process Meters, Timers and Counters, Temperature and Process Controllers and Power Switching Devices, Thermistor Elements, Probes andAssemblies,Thermocouples Thermowells and Head and Well Assemblies, Transmitters, WirePressure, Strain and ForceDisplacement Transducers, Dynamic Measurement Force Sensors, Instrumentation for Pressure and Strain Measurements, Load Cells, Pressure Gauges, PressureReference Section, Pressure Switches, Pressure Transducers, Proximity Transducers, Regulators,Strain Gages, Torque Transducers, ValvespH and ConductivityConductivity Instrumentation, Dissolved OxygenInstrumentation, Environmental Instrumentation, pH Electrodes and Instruments, Water and Soil Analysis InstrumentationHeatersBand Heaters, Cartridge Heaters, Circulation Heaters, Comfort Heaters, Controllers, Meters and SwitchingDevices, Flexible Heaters, General Test and Measurement Instruments, Heater Hook-up Wire, Heating Cable Systems, Immersion Heaters, Process Air and Duct, Heaters, Radiant Heaters, Strip Heaters, Tubular HeatersFlow and LevelAir Velocity Indicators, Doppler Flowmeters, LevelMeasurement, Magnetic Flowmeters, Mass Flowmeters,Pitot Tubes, Pumps, Rotameters, Turbine and Paddle Wheel Flowmeters, Ultrasonic Flowmeters, Valves, Variable Area Flowmeters, Vortex Shedding FlowmetersData AcquisitionAuto-Dialers and Alarm Monitoring Systems, Communication Products and Converters, Data Acquisition and Analysis Software, Data LoggersPlug-in Cards, Signal Conditioners, USB, RS232, RS485 and Parallel Port Data Acquisition Systems, Wireless Transmitters and Receivers。
超微电流检测
微弱电流信号检测记录(2012-02-14 11:19:12)标签：杂谈目录零、序一、微弱电流测试器的指标二、微弱电流测试所需要的条件三、微弱电流计四、高阻电阻五、微弱电流计放大器的基本电路六、微弱电流标准源七、微弱电流计的测试八、微弱电流测试仪器DIY汇总九、微弱电流测试器DIY十、改进与应用二、微弱电流计放大器的基本电路1、微弱电流放大的基本电路弱电流的基本电路是反向放大器的形式，即I-V转换电路。
先看一个实例，来自ICH8500的数据表。
图片:Amp0.gif放大器接成典型的反向放大器，但没有输入电阻，其实是一个电流-电压变换器，并有几点不同：a、有保护（Guard，作用见下）b、反馈电阻Rfb非常大，为10的12次方欧姆，即1Tc、有个反馈电容Cfb，用来与输入等效电容分压，提高响应时间。
在一个实际采用ICH8500的电路板上，该电容采用了470pF的聚苯乙烯（反馈电阻用了30G）图片:DSCN5966s.jpg反馈电阻Rf（或叫Rfb）的选择。
这是一个关键元件，一方面取决于所要求的灵敏度和噪音，另一方面与其他元件和电阻的来源情况有关。
上述电路的Rfb非常大达到1T，因此1pA的输入电流就会引起1V的输出，即灵敏度是1V/pA，这样用2V的电压表，就可以实现满度2pA的微电流计，甚至可以用200mV的电压表事项满度200fA的超微电流计。
Rfb也与电流噪音密切相关，越大则理论噪音越小，很多静电计选100G，这样理论噪音极限大概是0.25fArms，而K642选择了1000G，噪音就更小了。
当然，Rfb不能取得太大，因为运放的偏置电流Ib是完全流过这个电阻的，产生压降，也产生噪音、温度系数等弊病，所以Rfb要与运放匹配，最好Ib×Rfb小于满度输出的1%，至少<10%。
否则，当没有输入的时候，Ib就要全部流过Rfb，1pA就产生了1V的假输出，这是不允许的。
另一方面，大的电阻不仅价格贵、买不到，而且可能存在性能上的问题。
微电流测量
王文勋13125955 1306班微电流测量在很多有关物理学的部门中, 如电离真室测量、光电流、X射线、核物理等, 都必须测量非常微弱的电流。
在传统意义上的电流测量当中，一般是将电流表串连到被测回路当中去，因此，该回路将被引入两个测试点。
理想状态下，电流表的接入是不会引起任何误差的，但是在实际的测量当中，电流表的接人将改变电路的参数，从而将会带来测量误差。
一、基本测试电路的等效模型下图为基本测试电路的等效模型。
图中，A和B分别为表计串人回路的测试点，理想电压源V和电阻R s构成了被测试信号源的等效电路，而电流表的等效模型可以由图中测试点右边和电路所表示。
其中，R sℎ是由连接到电流表的测试电缆所引起的并联在回路里的等效电阻，I c是由电缆和电流表的非理想连接引起的等效的噪声电流，G是理想的电流计表头，R G是串连在回路中的等效电阻。
当被测的电流在常值范围内时(典型值大于1mA)，由旁路电阻R sℎ、噪声电流I c和串联电阻R G所引起的误差是可以忽略不计的，此时电流表所显示的电流可以认为是实际的电流值加上或者减去表计本身所固有的不确定度。
但是当测量的电流比较微弱时，由上述因素所引起的误差就不能忽略不计了。
二、微电流测量方法一般说来，对于微弱电流测量有两种方法。
一种是取样电阻法，也叫做分流器法，其根本原理是采用在回路中接人取样电阻的方法，把电流转化成电压来测量。
数字万用表和指针式电流表通常使用取样电阻法，老式的静电计电缆分布电容较大，采用反馈原理测量的时候往往会引起很多问题，因此也采用取样电阻法。
新型的皮安表和静电计还增加了另外一种测量方法，即运算放大器电流反馈法。
皮安表和新型静电计的区别在于皮安表只能用来测量电流，而静电计是一种多功能的仪表；而静电计的灵敏度也往往比皮安表要高出几个数量级。
取样电阻法测量电流的原理图如图所示。
电路的输出为：E 0=E 1(R 1+R 2R 2)=I In R s (R 1+R 2R 2) 由于电流很小，为了保证较高的分辨率和灵敏度，通常要求取样电阻的值应该比较大，但是也不是越大越好。
微电流定义
微电流定义微电流是指电流的一种特殊形式，通常指非常微小的电流。
微电流的大小通常在纳安（nA）级别以下，甚至可以达到皮安（pA）级别。
微电流在许多领域具有重要的应用价值，尤其在医学和生物学领域具有广泛的应用。
在医学领域，微电流被广泛应用于生物电检测和治疗。
例如，心电图（Electrocardiogram，简称ECG）就是一种测量心脏电活动的方法，它利用微电流记录心脏肌肉的电信号，从而判断心脏的功能状态。
另外，脑电图（Electroencephalogram，简称EEG）也是一种测量脑电活动的方法，它通过记录头皮上微弱的电信号，可以研究脑电活动与不同脑功能之间的关系。
微电流在生物学研究中也发挥着重要作用。
生物学家们经常使用微电流技术来研究生物体内的电信号，以了解细胞、器官和生物系统的工作原理。
比如，膜片钳技术（Patch Clamp Technique）就是一种利用微电流记录离子通道电流的方法，它可以帮助研究人员研究细胞膜上的离子通道的功能和调控机制。
微电流还在其他领域有着广泛的应用。
在环境监测中，微电流可以被用来检测和测量水体、空气和土壤中的微量污染物。
在材料科学中，微电流可以用来研究材料的电导性和电阻性，从而评估材料的性能和质量。
此外，微电流还可以应用于电化学分析、纳米技术和生物传感器等领域。
虽然微电流在许多领域具有重要的应用价值，但由于微电流的特殊性，其测量和应用也存在一些挑战。
首先，微电流通常非常微小，因此需要高灵敏度的测量设备和技术。
其次，微电流易受到环境干扰和噪声的影响，因此需要采取一系列的信号处理和滤波技术来提高测量的准确性和可靠性。
此外，微电流的应用还需要考虑安全性和生物兼容性等因素，以确保对生物体和环境的影响最小化。
微电流作为一种特殊的电流形式，在医学、生物学和其他领域具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展，微电流的测量和应用技术也在不断创新和完善，将为人类的健康、环境保护和科学研究等方面带来更多的便利和突破。
微电流检测
目录1、设计背景 (1)2、设计方案选择 (1)2.1典型的微电流测量方法 (1)2.1.1开关电容积分法[1] (1)2.1.2运算放大器法 (2)2.1.3场效应管+运算放大器法 (2)2.2总体设计方案 (3)3、具体设计方案及元器件的选择 (4)3.1稳流信号源问题 (4)3.2I/V转换及信号滤波放大 (5)3.2.1前级放大 (5)3.2.2滤波及后级放大电路 (6)3.2.3运算放大器的选取 (6)3.3量程自动转换 (6)3.4信号采集处理 (7)4、软件仿真结果 (8)5、参考资料 (9)微电流测试电路设计1、设计背景微电流是指其值小于-610A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：10 A（本设计要求）的稳流信号源的实现（1）如何获得实验信号，即电流为12问题；（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；（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。
微弱电流检测技术分析
微弱电流检测技术分析摘要：微弱电流有个广为人知的定义，即小于10-6安培的电流。
由于其极易为噪声淹没的特性，如何抵御噪声，如何把有用信号从噪声中提取就成为了微弱电流检测技术中克敌制胜的关键。
总体说来有两种检测方法，一是I-V变换法，另一是I-F变换法。
关键词：微弱电流；检测；噪声；I-V变换法；I-F变换法0 前言微弱电流即为小于10-6安培的电流[1]，在影响国计民生的半导体、微纳加工以及绝缘材料的生产和应用方面有着不可替代的作用。
由于其易被噪声掩盖的特性，如何抵御噪声的干扰并成功提取，就成为了重中之重。
因此，微弱电流检测本质上是一种抑制噪声的技术[2]。
上世纪50 年代，霍夫斯塔德（Hafstad）通过FP-54静电计管，用几分钟时间测出了3×10-19A 的电流[3]。
Chaplin 在1957 年完成了第一台晶体管的载波调制直流放大器，它具有10-9A 的微弱电流检测能力[3]。
在普通放大电路中，McCaslin也做到了把低泄露绝缘栅场效应管灵活运用，最终实测电流达到10-15A [3]。
随着集成电路技术的发展，现在微弱电流检测的仪器已经商业化。
1 微弱电流检测技术的方法在目前条件下，一般用两种方法检测微弱电流。
其一为先令微弱电流通过高值电阻，从而转化成电压，接着测量相对较大电压的电流，即I-V变换；其二是通过把微弱电流转化成频率的方法得到电流信息，即I-F变换。
1.1 I-V变换法由于转换方式的不同，本方法可以分为：其一高输入阻抗法，该方法是将输入电流转换成高值电阻两端的电压；另一种是积分法，该方法是将输入电流对放大器连接的电容充电，在放大器的输出端产生电压。
高输入阻抗法也被称为直放式。
此时运算放大器转换后，输出电压与输入电流的关系则为：V0=-Ii×Rf噪声和漂移问题影响着微弱电流检测的分辨率和灵敏度，为此降噪降漂是测量技术的核心。
众所周知再波放大线性组件技术虽然不能有效的降低噪声，但是解决漂移问题还是不错的。
微电流检测
微弱电流检测
摘要
本设计制作的微电流检测电路,是以STC89C51芯片为核心实现对微电流信号进行检测并显示,利用三个斩波稳零式高精度运放ICL7650组成的放大模块电路,实现I/V转换,将微电流信号转换成为电压信号,而两个相同高精度运放可以实现对电压信号的一二级放大,经两级放大后将信号通过低通滤波器，将低通滤波器输出的电压经过AD603程控增益放大器实现增益可调。
最后将电压通过TLC1549采样、A/D转换后传送给单片机STC89C51,之后单片机经过一些运算编程后控制,将所要测得弱电流信号在LCD1602显示出来。
关键词：弱电流检测 STC89C51 ICL7650 TLC1549。
微电流测量电路设计
摘要一、 引言在材料测试，静电研究等应用与研究中，常常需要测量一些uA 、nA 级的微弱电流（小于10-6A 电流的测量称为微电流的测量），对于微电流的测量一般有两种方法：取样电阻法和运算放大器电流反馈法。
取样电阻法的原理是在回路中接入取样电阻，根据欧姆定律，将电流测量直接转换成电压测量，但要求取样电阻的值很大，而通常要求测量电压的仪器输入电阻要比取样电阻大上1000倍以上，指针式电流表和静电计通常使用这种方法。
我们在实用电路中通常使用放大器电流反馈法，本文就介绍一种简单的I/V 转换电路，实现对微电流的测量。
二、 测量原理最基本的电流电压转换电路如下图所示，假定运算放大器是理想的运放，利用“虚短虚断”的概念，可以得出：O S f V I R =-输出电压O V 与测量电流S I 成线性比例关系，比例系数为f R ，因此只要适当选择f R 就可得到所需的放大倍数。
但在实际应用中，完全理想的运算放大器是没有的，由于集成电路制造技术及工艺的影响，必然存在会产生诸如输入失调电压，偏置电流等，放大器的开环增益也不可能无穷大，故实际的输入输出关系为：()O O S f OS B f V V I R V I R A=-+-+ 其中OS B V I A 分别为运算放大器的失调电压、输入偏置电流和开环增益。
实际放大器的误差为O O OS B V V V I R A∆=-+ 因此，只有满足被测电流远远大于运算放大器的偏置电流；被测电流所转换成德电压远远大于运放的失调电压；所选的运算放大器有足够大的开环增益,这也正是电流电压转换电路实现微电流的测量所要关注的。
三、电路分析根据测量电路原理分析可知，对微电流的测量既要选择合适参数的运算放大器，又要设计好电路的结构等。
1、元件选择运算放大器应该近似为理想的运算放大器，才能满足测量要求，这就要求其开环放大倍数和输入电阻为无穷大，才能保证输入端工作电流为零，也要求输出电阻为无穷小，保证输出电压不随下级负载而变，同时还要选择零点偏移小、温度漂移小、噪声电压小的运算放大器。
一种微电流测量方法
一种微电流测量方法作者：庄所增来源：《电子技术与软件工程》2019年第05期摘要;;; 为进一步提升微电流数据信号测量的准确性、科学性和实际效益，本论文在运用开关调制、多级放大、差分、状态辨别等多样化工具构成微电流测量方法体系的基础上，解决了多级放大和运放电路饱和的重要难题，在提升微电流测量系统信噪比的同时加强了对微电流测量方法的研究，对当代社会微电流测量方法的深入探讨有着重要的现实意义和理论意义。
【关键词】微电流测量方法设计随着我国经济社会的快速发展和科技水平的进一步提升，弱磁、弱声、弱光和弱振动等一系列极限条件下的试验测量已成为当代科学家和相关人士进一步认识大自然的重要技术手段，然而，在实际试验过程中，此类微弱的信号大多是通过相应传感器进行电量转化，从而使待测弱信号转化为电信号以便相关研究人员探讨。
因此，相关工作人员在实际测量时不可避免地会受到相应噪声和干扰的影响，进而降低整个试验测量的准确度和科学性。
在此背景下，本文从微电流测量的相关内涵出发，在探讨微电流-电压转化原理和差分调制电路原理的基础上，深入研究了微电流测量方法系统设计的相关理论知识及其校准试验结果，旨在为优化我国微电流测量方法的科学性带来更多的思考和启迪。
1 微电流测量相关内容概述众所周知，微弱信号的检测需要相关工作人员利用科学仪器等尽可能地过滤掉相关干扰信号，最大限度地还原原有待测信号，从而提升微弱信号的信噪比。
也就是说，有效地抑制噪声对微弱电流的干扰是微电流测量的重要及关键内容，科学合理的微电流检测方法的研究和提出以及微电流测量仪器的研制是目前微电流测量行业的核心热点。
就我国目前常用的微电流检测方法而言，取样积分法、相关检测法、噪声分解法、光电耦合法以及计算机程序控制法等都是微电流测量常用的科学方法。
由于噪声干扰是微电流测量过程中不容忽视的压制性干扰信号，有关工作人员根据噪声种类及特点将其分为了两大类：首先是来自电子信息系统内部固有的噪声，包括相关设备运放的偏置电流、失调电压以及有关元件发热产生的热噪声等。
微弱电流信号检测记录
微弱电流信号检测记录(2012-02-14 11:19:12)标签：杂谈目录零、序一、微弱电流测试器的指标二、微弱电流测试所需要的条件三、微弱电流计四、高阻电阻五、微弱电流计放大器的基本电路六、微弱电流标准源七、微弱电流计的测试八、微弱电流测试仪器DIY汇总九、微弱电流测试器DIY十、改进与应用二、微弱电流计放大器的基本电路1、微弱电流放大的基本电路弱电流的基本电路是反向放大器的形式，即I-V转换电路。
先看一个实例，来自ICH8500的数据表。
放大器接成典型的反向放大器，但没有输入电阻，其实是一个电流-电压变换器，并有几点不同：a、有保护（Guard，作用见下）b、反馈电阻Rfb非常大，为10的12次方欧姆，即1Tc、有个反馈电容Cfb，用来与输入等效电容分压，提高响应时间。
在一个实际采用ICH8500的电路板上，该电容采用了470pF的聚苯乙烯（反馈电阻用了30G）反馈电阻Rf（或叫Rfb）的选择。
这是一个关键元件，一方面取决于所要求的灵敏度和噪音，另一方面与其他元件和电阻的来源情况有关。
上述电路的Rfb非常大达到1T，因此1pA的输入电流就会引起1V的输出，即灵敏度是1V/pA，这样用2V的电压表，就可以实现满度2pA的微电流计，甚至可以用200mV的电压表事项满度200fA的超微电流计。
Rfb也与电流噪音密切相关，越大则理论噪音越小，很多静电计选100G，这样理论噪音极限大概是0.25fArms，而K642选择了1000G，噪音就更小了。
当然，Rfb不能取得太大，因为运放的偏置电流Ib是完全流过这个电阻的，产生压降，也产生噪音、温度系数等弊病，所以Rfb要与运放匹配，最好Ib×Rfb 小于满度输出的1%，至少<10%。
否则，当没有输入的时候，Ib就要全部流过Rfb，1pA就产生了1V的假输出，这是不允许的。
另一方面，大的电阻不仅价格贵、买不到，而且可能存在性能上的问题。
从目前情况看，Rfb最大选择100G比较合适，除非你想PK吉时利，可以选1T或更大。
第一章 电阻、电阻率及微电流的测量
U / h EV 体积电阻率： V IV / A J V
JV：绝缘体内的电流密度(A/m2） ρV：体积电阻率(Ω)
绝缘体内的直流电场强度与体内泄漏电流密度之比，等于单位
立方体的绝缘电阻值
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电阻、电阻率及微电流的测量
正比：导体间绝缘体表面上的距离
d：导体间的距离(m) l： 导体的长度(m2) ES：表面电场强度(V/m)
4. 导电橡皮电极：使用方便，但导电性能差，对有弹性的试样应注意因加
压力而影响实际厚度
5. 胶体石墨电极：必须有一定厚度，保证整个电极面积是连续的导电层。
便宜，但导电性能不如银漆，且受潮或浸在变压器油中易脱落
6. 导电液体电极：
• • 水银电极：倾注水银时，避免气泡或表面氧化层夹在试样与水银之间， 水银对人体有害，不能长时间或高温下使用 水电极：可用于测量电线绝缘电阻
试样：
测ρS：——厚度不超过4mm，超厚切削后原表面测量 大小：试样比电极的最大尺寸最少每边大7mm 规定：方形： 边长50mm或100mm
圆形：直径50mm或100mm
管形：长50mm或100mm 预处理：无污染，无损伤，无残余电荷
残余电荷处理：酒精清洗，或放臵于湿度大的环境中
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电阻、电阻率及微电流的测量
充电电流 极化电流 净化电流 稳定的电流(2) 泄漏电流
随时间衰减
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电阻、电阻率及微电流的测量
绝缘电阻 施加于绝缘体上两个导体之间的直流电压 U 与
流过绝缘体的泄漏电流 I 之比，即：
U R I
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电阻、电阻率及微电流的测量
体积电阻RV 绝缘电阻
U 施加的直流电压U与通过绝缘体 RV IV
微电流测量电路设计
摘要一、 引言在材料测试，静电研究等应用与研究中，常常需要测量一些uA 、nA 级的微弱电流（小于10-6A 电流的测量称为微电流的测量），对于微电流的测量一般有两种方法：取样电阻法和运算放大器电流反馈法。
取样电阻法的原理是在回路中接入取样电阻，根据欧姆定律，将电流测量直接转换成电压测量，但要求取样电阻的值很大，而通常要求测量电压的仪器输入电阻要比取样电阻大上1000倍以上，指针式电流表和静电计通常使用这种方法。
我们在实用电路中通常使用放大器电流反馈法，本文就介绍一种简单的I/V 转换电路，实现对微电流的测量。
二、 测量原理最基本的电流电压转换电路如下图所示，假定运算放大器是理想的运放，利用“虚短虚断”的概念，可以得出：O S f V I R =-输出电压O V 与测量电流S I 成线性比例关系，比例系数为f R ，因此只要适当选择f R 就可得到所需的放大倍数。
但在实际应用中，完全理想的运算放大器是没有的，由于集成电路制造技术及工艺的影响，必然存在会产生诸如输入失调电压，偏置电流等，放大器的开环增益也不可能无穷大，故实际的输入输出关系为：()O O S f OS B f V V I R V I R A=-+-+ 其中OS B V I A 分别为运算放大器的失调电压、输入偏置电流和开环增益。
实际放大器的误差为O O OS B V V V I R A∆=-+ 因此，只有满足被测电流远远大于运算放大器的偏置电流；被测电流所转换成德电压远远大于运放的失调电压；所选的运算放大器有足够大的开环增益,这也正是电流电压转换电路实现微电流的测量所要关注的。
三、电路分析根据测量电路原理分析可知，对微电流的测量既要选择合适参数的运算放大器，又要设计好电路的结构等。
1、元件选择运算放大器应该近似为理想的运算放大器，才能满足测量要求，这就要求其开环放大倍数和输入电阻为无穷大，才能保证输入端工作电流为零，也要求输出电阻为无穷小，保证输出电压不随下级负载而变，同时还要选择零点偏移小、温度漂移小、噪声电压小的运算放大器。
微弱电流检测技术
微弱电流检测技术摘要：随着科学技术的不断发展，微电流检测技术在许多领域具有广泛的应用前景，对推动相关领域的发展具有重要意义。
通过研究分析发现，使用负反馈运放放大法测量出的电流信号较为准确，且电路结构简单，容易实现，电路成本低廉。
测试发现，测试电路对待测电路影响很小，测量误差小于0.5μA。
由此得出，该方法可以用于测量微安电流。
关键词：微电流；模数转换；数字滤波；运算放大器1.前言微弱电流的测量已经成为当代的需要，就目前国内外发展来看，虽然高精度的电流测量仪器已经面世，测量数量级已经达到皮安，甚至突破飞安级别。
但大多数为高科技研究所、军事研究所所用。
普通高校和研究机构很少有这种高精密度的仪器。
其昂贵的价格是我们无法接受的。
可是当今科学技术水平的发展，微电流信号的测量显得越来越重要。
研制低成本的微电流测量仪器具有重要的价值。
2.电流负反馈放大法电流负反馈放大法采样原理是一种I-V变换。
它是采用大阻值电阻作为运算放大器的反馈电阻，利用电流型反馈电路，反馈电阻上流过的电流与输入电流相等，并且电流信号通过反馈电阻转化为电压信号。
根据运算放大器的虚短特性可知，运放的VP=VN。
根据运放的虚断特性可知，流过反馈电阻的电流与输入电流相等。
假设运放为理想运放条件下输入输出关系为VO=-IiRf，这样可以通过测量VO的值计算出待测电流值的大小。
3.微电流测量电路硬件设计3.1 I-V 变换电路微安测量电路采用OP07运算放大器构成的负反馈放大电路进行测量，采样电路如图(a)所示，根据运放的虚短特性可知，OP07的反相输入端电压等于同相输入端电压0V。
根据运放的虚断特性可知，运放输入端流过的电流为零。
待测电流流过1KΩ电阻，反馈电阻两端电压为VO=RF II。
通过I-V变换电路将待测电流信号转换为电压信号。
通过检测电压信号即可计算出待测电流大小。
3.2 模数转换器单片机是数字信号处理器，不能直接处理模拟信号，需要模数转换器将模拟信号转换为数字信号。
微电流测量
微电流测量（nA级交流、直流）一、直流微电流测量基于I-V变换的弱电流测量方法是常用的弱电流检测方法，其中的反馈电流放大型测量电路结构较简单，转换的线性较好，电路频率响应特性较好，在加入有效的硬件和软件抗干扰措施后，可以提高测量精度和稳定性。
因此测量的电路是按照基于反馈式电流放大器型I-V转换原理进行设计，其基本电路如图1所示。
图1 I/V转换原理图假定运放为理想运放，利用运算放大器的虚地概念和结点电流代数和为0的定律得出(1)输出电压V o与测量电流I s成线性比侧关系，比例系数为R f，因此根据放大要求选取R f值即可获得所需的放大倍数。
电流测量电路整体框架如图2，其中反馈电流放大电路采用的是两级放大方式。
图2 电路整体框图由于待测电流信号为10-9A，所需放大倍数较高，若采用一级放大，则需要R f约为1010Ω。
当R f过大时会产生较大的电阻热噪声电流，增大了分布电容，同时要求运放的输入电阻更大以减小分流；根据式(1)，一级放大后信号与输人为反相，所以采用两级放大电路，这样可以通过调整每一级放大倍数，来选择阻值适当的R f，减小由R f引起的误差；并通过两次电压反相，使放大电路的最终输出电压与输入信号同相，两级放大电路如图3。
图3 两级放大电路图为减小噪声干扰和运算放大器负担，通常要求输出电压应比运算放大器的噪声电压值至少大两个数量级或更高；但输出电压太大，必然要增大R f，同时增大对运算放大器性能的要求。
所以第一级放大器输出电压应设计为50～100mV，由式(1)，R f应为100MΩ。
图3中C f表示R f引入的杂散电容，通常为0.5pF。
当R f为100MΩ时，电路的截止频率约为0.3kHz，严重影响放大电路的频率响应特性。
为改进频率响应，可以引入补偿电容C来消除C f的影响。
根据运算放大器以及流入节点电流与流出节点电流相等特性，得出（2）由于R f1为kΩ级电阻，其杂散电容可忽略，可得（3）代入式(2)，拉式变换并消去V x(s)后，得出传递函数为（4）为消除C f影响，取RC=R f C f，得（5）由式(3)可知，截止频率为无穷大，理论上频带已经扩展到整个区域，因此频率响应得到改善。
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目录1、设计背景 (1)2、设计方案选择 (1)2.1典型的微电流测量方法 (1)2.1.1开关电容积分法[1] (1)2.1.2运算放大器法 (2)2.1.3场效应管+运算放大器法 (2)2.2总体设计方案 (3)3、具体设计方案及元器件的选择 (4)3.1稳流信号源问题 (4)3.2I/V转换及信号滤波放大 (5)3.2.1前级放大 (5)3.2.2滤波及后级放大电路 (6)3.2.3运算放大器的选取 (6)3.3量程自动转换 (6)3.4信号采集处理 (7)4、软件仿真结果 (8)5、参考资料 (9)微电流测试电路设计1、设计背景微电流是指其值小于-610A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：10 A（本设计要求）的稳流信号源的实现（1）如何获得实验信号，即电流为12问题；（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；（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，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。
I i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。
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。
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：外屏蔽层图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。
6VB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。
3.2I/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。
C1图5 I/V转换及信号滤波放大电路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。
图6 T型网络在理想特性条件下，放大器增益：(1)A f BR G R R =-⨯+ （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+ABR R )的放大作用，可适当降低f R 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B I 、输入失调电流OS I 及输入失调电压OS V 小；噪声(N e 、N i )小；共模抑制比(CMRR)大；输入阻抗IN R 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： （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。
图7量程转换电路量程转换程序流程图如图8所示。
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。
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。
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；（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.。