一种微弱电流测量仪的设计
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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 2 微弱电流前置放大器模型
图 3 开关调制前置放大器等效模型
当 K 1 断开, K 2 闭合, 此时输出
Uo1 = IsRf + U Io + Ib+ R + Ib- Rf
( 2)
当 K 1 闭合, K 2 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
3. 4 实验数据
表 1 不同电流值的 5次测量结果
pA
I
1
2
3
4
5
100 100. 520 100. 230 99. 890 100. 110 99. 870
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
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 M )的电流为 0. 38 A, 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 V 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.
文献标志码: A
W eak current detector design
PENG J ianxue, MA Y ongjun, TANG T ianhao
( L og istics Eng ineer ing Co lleg e, Shangha iM ar itim e U niv. , Shangha i 200135, Ch ina)
Abstract: In order to design a u ltra w eak current detecto r, w hich has the properties o f higher accuracy and good repetition, the v irtue o f sw itch m odulation d ifferent ial balancing techno logy is used to e lim inate the DC offset of w eak current m easurem ent system. The pow er- frequency no ise and amp lifier noise are suppressed w ith sh ie ld ing and low-pass filters. The Signa-l to-N oise Rat io ( SNR) of the system is enhanced by am p lify ing signa l and suppressing no ise sim ultaneously. M ean tim e, mu lt-i leve l am plif ication and pre- zero adjustm en t are app lied to ach ieve a great m agnificat ion w ithout saturat ion. T he tests show that the m in im um range of th is dev ice is as low as 10 pA, and the m in imum reso lu tion is 0. 5 pA, and the pow er-frequency no ise and DC o ffset on the w eak current m easurem ent have a m aterial influence. It also testif ies the effic iency of the techno logy. K ey words: w eak curren;t w eak signa;l sw itch ing m odu lation; differentia l c ircu i;t pow er- frequency no ise; b ias curren;t offset voltage
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Hale Waihona Puke Baidu果送至单片 机. 饱和判别单元见图 7.
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.
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.
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.
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: TM 930; TN402
第 29卷 第 4期 2008年 12月
上海海事大学学报 Journa l o f Shangha iM aritim e University
V o.l 29 N o. 4 D ec. 2008
文章编号: 1672- 9498( 2008) 04- 0055-05
一种微弱电流测量仪的设计
彭建学, 马永军, 汤天浩
此时输出
Uo = A Is Rf
( 5)
被测微弱电流值
Is
=
Uo ARf
( 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.
第 4期
彭建学, 等: 一种微弱电流测量仪的设计
57
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.
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 11 差分 对消输出波形
图 5 第 1放大阶段
整个阶段分为 8 级 ( V1 ~ V8 ), 框图由上至下,
图 6 第 2放大阶段
58
上海海事大学学报
第 29卷
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.
(上海海事大学 物流工程学院, 上海 200135)
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
1 基于开 关调 制、差分 对消 技术 的 微弱电流测量方法
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 = UI o + 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.
收稿日期: 2008-07-21 修回日期: 2008-09-10 作者简介: 彭建学 ( 1963 ) , 男, 江苏如皋人, 副研究员, 总工程师, 硕士, 研究方向为自动化、精密仪器以及电力电子,
( E-m ail) pengj ianxu e@ 126. com
56
上海海事大学学报
第 29卷
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, UI o 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.
为衰减 50 H z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 50H z以上的信号增益必须 衰减 5. 3倍以上, 以保证每级对 50 H z以上信号的 总增益 G s < 1, 这样工频信号在每级都不能放大.
图 9 无屏蔽且手靠近时放大级输出波形
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 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.
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
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 2 微弱电流前置放大器模型
图 3 开关调制前置放大器等效模型
当 K 1 断开, K 2 闭合, 此时输出
Uo1 = IsRf + U Io + Ib+ R + Ib- Rf
( 2)
当 K 1 闭合, K 2 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
3. 4 实验数据
表 1 不同电流值的 5次测量结果
pA
I
1
2
3
4
5
100 100. 520 100. 230 99. 890 100. 110 99. 870
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
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 M )的电流为 0. 38 A, 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 V 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.
文献标志码: A
W eak current detector design
PENG J ianxue, MA Y ongjun, TANG T ianhao
( L og istics Eng ineer ing Co lleg e, Shangha iM ar itim e U niv. , Shangha i 200135, Ch ina)
Abstract: In order to design a u ltra w eak current detecto r, w hich has the properties o f higher accuracy and good repetition, the v irtue o f sw itch m odulation d ifferent ial balancing techno logy is used to e lim inate the DC offset of w eak current m easurem ent system. The pow er- frequency no ise and amp lifier noise are suppressed w ith sh ie ld ing and low-pass filters. The Signa-l to-N oise Rat io ( SNR) of the system is enhanced by am p lify ing signa l and suppressing no ise sim ultaneously. M ean tim e, mu lt-i leve l am plif ication and pre- zero adjustm en t are app lied to ach ieve a great m agnificat ion w ithout saturat ion. T he tests show that the m in im um range of th is dev ice is as low as 10 pA, and the m in imum reso lu tion is 0. 5 pA, and the pow er-frequency no ise and DC o ffset on the w eak current m easurem ent have a m aterial influence. It also testif ies the effic iency of the techno logy. K ey words: w eak curren;t w eak signa;l sw itch ing m odu lation; differentia l c ircu i;t pow er- frequency no ise; b ias curren;t offset voltage
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Hale Waihona Puke Baidu果送至单片 机. 饱和判别单元见图 7.
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.
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.
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.
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: TM 930; TN402
第 29卷 第 4期 2008年 12月
上海海事大学学报 Journa l o f Shangha iM aritim e University
V o.l 29 N o. 4 D ec. 2008
文章编号: 1672- 9498( 2008) 04- 0055-05
一种微弱电流测量仪的设计
彭建学, 马永军, 汤天浩
此时输出
Uo = A Is Rf
( 5)
被测微弱电流值
Is
=
Uo ARf
( 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.
第 4期
彭建学, 等: 一种微弱电流测量仪的设计
57
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.
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 11 差分 对消输出波形
图 5 第 1放大阶段
整个阶段分为 8 级 ( V1 ~ V8 ), 框图由上至下,
图 6 第 2放大阶段
58
上海海事大学学报
第 29卷
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.
(上海海事大学 物流工程学院, 上海 200135)
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
1 基于开 关调 制、差分 对消 技术 的 微弱电流测量方法
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 = UI o + 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.
收稿日期: 2008-07-21 修回日期: 2008-09-10 作者简介: 彭建学 ( 1963 ) , 男, 江苏如皋人, 副研究员, 总工程师, 硕士, 研究方向为自动化、精密仪器以及电力电子,
( E-m ail) pengj ianxu e@ 126. com
56
上海海事大学学报
第 29卷
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, UI o 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.
为衰减 50 H z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 50H z以上的信号增益必须 衰减 5. 3倍以上, 以保证每级对 50 H z以上信号的 总增益 G s < 1, 这样工频信号在每级都不能放大.
图 9 无屏蔽且手靠近时放大级输出波形
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 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.
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