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-6

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。

6V

B

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