微电流的测量与研究

I摘要随着科学技术的不断提高，人们对微电流检测的需要越发迫切，它的检测技术在很多领域具有非常广泛的应用前景、对推动相关领域的发展进步具有非常重要的意义。而这次课题的目标是通过对微电流测量方法的研究，并且设计实用电路来实现对PA级微电流的测量。对于非常微弱的电流测量，虽然测量电路无法直接捕获到电流信号，但是可以用足够高的输入阻抗I/U变换器从而测量PA级微电流。关键词：PA级电流，I/U变换器IIAbstractAsscienceandtechnologycontinuetoimprove,peopleneedtomicrocurrentdetectionbecomesmoreandmoreurgent,detectiontechnology,ithasverybroadapplicationprospectsinmanyfieldsandhasveryimportantsignificanceforpromotingthedevelopmentandprogressofrelatedfields.Thistopicgoalisthroughthestudyofmicrocurrentmeasurementmethod,andthedesignofpracticalcircuittorealizethemeasurementofthePAlevelmicrocurrent.Forcurrentmeasurementisveryweak,althoughthemeasuringcircuitcannotdirectlycapturethecurrentsignal,butcanthusmeasurePAlevelI/Uconverterwithinputimpedancehighenoughmicrocurrent.Keywords:PAcurrent,I/UconverterIII目录摘要.1Abstract.2前言.3第一章绪论.41.1开发背景.41.2关于国内外同类系统的分析.41.3微电流测量的任务与目标.41.4本文所作的工作.5第二章系统硬件电路分析.62.1实验原理.62.2滤波器与放大电路的设计.72.3单片机的选择.82.3.18052的简要介绍.82.3.2ADC0809芯片的简要介绍.92.4元件的选择.11第三章系统软件设计与调试.133.1开发环境的选择.133.2系统软件总体设计.133.2.1设计电路方案的比较.133.2.2系统硬件总体框架图.153.2.3系统的基本构成和实现的功能.153.2.4系统软件程序框图.163.2.5二进制转换十进制程序.16第四章电路仿真.184.1仿真图.184.27段数码管和LCD1602的显示.194.3测试结果与分析.204.4误差分析.20第五章改进措施.21参考文献.22致谢.230前言在材料测试，静电研究，医疗领域等应用中，常常需要测量一些uA、nA级的微弱电流（10-6A以下的电流的测量被称为微电流的测量），微电流的测量方法一般有运算放大器电流反馈法以及取样电阻法两种。取样电阻法的原理是根据欧姆定律，将电流测量转换成电压测量，在回路中接入取样电阻，但要求取样电阻的值很大，而通常要求测量电压的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。1第一章绪论1.1开发背景随着科技发展，极限测量已成为认识大自然的重要手段，因此试验主要都是测量非常弱的物理量，由于这些微弱的信号不能直接得到，需要将模拟信号转换为电信号，再将电信号转变为数字信号。但很多因素是无法回避的例如噪声和干扰，在测量是我们要尽量使他们的影响变小。因为PA级的电流太小，无法直接捕获电流信号，必须进行I/U转换。然后转换后的电压信号还不能满足需求，需要进一步的放大，否则运算放大器的失调电压、偏置电流等直流信号会对测量的结果产生干扰。现在的问题是放大捕获待测信号的同时，噪声、电路失调等干扰也同时会被放大，所以需要对后续电路干扰进行过滤和清除。通常通过采取屏蔽和滤波的方法对于工频干扰进行过滤和清除。而对于电路失调等这些直流杂质信号的消除，这是本文所要阐述的核心所在，即通过采用调制电路、差分电路过滤掉这些杂质直流信号。1.2关于国内外同类系统的分析国内微电流的研究精度为10-16，代表产品为257121型数字超高阻、微电流测量仪。而国外的微电流研究精度为10-17，也已经形成系列产品。微电流检测技术用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关特性，检测被噪声淹没的微弱有用信号。微弱信号检测的主要目标是研究如何从噪声中提起有用的微弱信号，而任务是研究微弱信号的理论、探索新的方法和新的技术，从而将其应用于各个学科领域中。1.3微电流测量的任务与目标本课题需要解决的是设计过程中对各个元器件的合理选择，使得检测结果在所需要的指标范围内；电路板的设计合理布局，减少一些不必要的干扰，减少干扰对微电流的放大是很有必要的，其干扰来源来自于各个方面，有的来自于元器件本身，有的来自于外部干扰。除了选择稳定性好、噪声小的器件外，在电路上和工艺上采取相应的措施。有效的提高了检测灵敏度，采取的措施包括电路板绘制、硬件电路和软件设计等方面。经过选择特定的放大电路参数，从而实现微电流信号的放大。21.4本文所作的工作“微弱电流”是指被噪声淹没的信号，“微弱”是相对于噪声而言的。微弱信号，主要指声信号、光信号或电信号等消息强度低，既小又弱，不易被接收、感觉到或设备接收。微弱信号是指深埋在背景噪声中的极其微弱的有用信号。随着科学技术的不断发展,被噪声掩盖的各种微弱信号的检测(如、弱光、微温差、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视。微弱信号的检测是一门转门抑制噪声的一门技术，它的主要任务是提高信噪比。这是因为只靠放大器是无法将微弱信号检测出来的。只有在有效的抑制噪声的条件下增大微电流的幅度，才能提取出有用信号。因此，必须熟悉噪声的种类、特性以及有关器件的噪声模型和噪声的传播机理。3第二章系统硬件电路分析2.1实验原理理论值假设运算放大器是理想的，我们可以利用“虚短虚断”的概念，可以得出：RUI输出电压U与测量电流I具有线性关系，比例系数R，因此放大倍数我们可以通过改变R的大小得到的。实际值在实际应用中，没有理想的运算放大器，因为集成电路制造技术，产生诸如输入失调电压，偏置电流等是必然的，况且放大器的开环增益不可能达到无穷大的，因此实际的输入和输出关系应该为：)(11AURI误差值在实际应用中，没有理想的运算放大器，因为集成电路制造技术，产生诸如输入失调电压，偏置电流等是必然的，况且放大器的开环增益不可能达到无穷大的，因此实际的输入和输出关系应该为：IU11因此，只有偏置电流只有满足远远地小于运算放大器被测电流的和失调电压满足所转换成的电压远远小于运放的被测电流以及所选的开环增益足够大。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。42.2滤波器与放大电路的设计滤波能够将信号中特定波段频率滤除出来的操作，是减少和避免干扰的重要措施之一。是通过某一随机过程的结果对另外一个与其相关的随机过程进行估计。滤波分为两种，分别是经典滤波是现代滤波。经典滤波是根据傅立叶变换提出的一个工程概念。以高等数学为理论基础，任何满足条件的信号都可以看成是由无限个正弦波叠加而成的。滤波器只有在一定频率范围内的信号成分才能通过并且阻止频率范围以外的成分通过的电路，叫做经典滤波器。实际上，所有的电子系统都具有自己的带宽。滤波器是根据电路参数影响电路频带宽度从而设计的工程电路。现代滤波是利用频率滤波特性从而实现对信号频率的选择的方法。它可以在滤波时将信号看成由不同频率波叠加而成的模拟信号，同时通过频率选择的不同最终实现信号的滤波。1、只允许较高频率信号通过的滤波器叫做高通滤波器。2、只允许较低频率信号通过的滤波器叫做低通滤波器。3、设低频段的截止频率为fp1,高频段的截止频率为fp2:1)只能允许在fp1与fp2之间的信号通过而其它频率的信号被衰减的滤波器叫做带通滤波器。2)频率在fp1到fp2的范围之外能通过，范围之间的被衰减的滤波器叫做带阻滤波器。通常用幅度-频率特性图来描述理想滤波器特性，这也叫做滤波器滤波电路的幅频特性。小信号放大器选型的重要指标有：电源电压、放大器精度、增益带宽积、电压噪声、输出偏置电流和转换速率。首先我们要根据实际需求选择电压合适的放大器；同时放大小信号我们需要采用高密度的运算放大器；因为电源反馈型运算放大器的增益带宽积决定了它的有效带宽，所以需选择大带宽/转换速率的运算放大器，能够实现更低的失真，更卓越的线性度、更佳的增益准确度；因为放大器产生的噪声会对系统最大动态范围、准确度和分辨率产生影响，所以我们要选择低电压噪声的放大器，从而改善精确度；当于电源阻抗或者反馈阻抗相互作用的时候将会产生偏置误差。当遇到具有阻抗较高的应用时，需要选择较低的输入偏置电流。能够提供很低的输入偏置电流的通常用场效应输入及CMOS运算放大器。52.3单片机的选择2.3.18052的简要介绍随便用什么芯片都可以，8051也可以，因为8052是8051的扩展型单片机，内部资源比8051多了128B的内部RAM（地址80H-FFH）、C/T2及1个中断源，管脚没什么区别，只是其内部结构有区别而且，8052的资源更加丰富点。所以选了8052芯片。如图2.1所示。8052具有高速、低功耗以及高密度技术等特征，并且集时钟输出的功能以及计数器向上下计数等功能于一身。另外，80C52还可以在低功耗模式下工作，分为空闲和掉电模式。空闲模式下，CPU停止工作但RAM定时器、串行口和中断系统却能维持其功能。掉电模式下，RAM数据被保存，而时钟停止振荡，同时芯片内其它功能停止工作。图2.180C52图62.3.2ADC0809芯片的简要介绍ADC0809是美国的半导体公司所生产的CMOS工艺8通道A/D模数转换器。它的内部有一个8通道的多路开关，它是根据锁存译码后的信号，从而选通8路模拟输入的一个信号进行A/D转换。ADC0809单片机的主要有具有单个正5V电源供电，低功耗等特性。A/D转换四个步骤：采样、保持、量化、编码。A/D转换器的工作原理主要有逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法三种方法。ADC0809的内部结构：ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它是由8位电路模拟开关、锁存器和译码器、比较器、8位开关A/D转换器、逻辑控制以及定时电路组成的。ADC的外部特性：ADC0809芯片具有28个引脚，采用双列直插式封装。ADD、ADDB和ADDC的意思是3位地址输入，它们能够选通8位模拟的一条输入；START代表开始信号，当输入一个正脉冲，START将会自动运行；ALE代表着高电平有效的地址锁存信号；EOC代表输出端的结束信号；OE代表着高电平有效的输入允许信号，它通过输入一个高电平用来控制三态门的开闭情况，还可以对三态门的开闭情况进行转换，并且输出数字量；REF代表着基准电压；Vcc和GND分别代表着电源和接地。单片机输入部分：当测量ADC、EOC即输出就绪引脚，若输出就绪则采集ADC输出的值，通过getdat=P0输入。如图2.2所示：图2.2ADC0809内部结构图工作过程：首先我们先输入3位地址，同时使ALE=1，然后将地址存入地址锁存器中。经过译码，将地址输入到比较器。START如果是上升沿将复位。如果是下降沿则会启动A/D转换，之后EOC的输出信号会变低，且指示转换正在进行。直到A/D转换完成后，EOC就会变为高电平，从而指示A/D转换结束，结果已经存入锁存器中。当OE输入高电平时，输出三态门将会处于打开状态，转换结果的数字量最终输出到数据总线7上。转换后得到的数据应当立刻传送给单片机进行数据处理。然而如何确认A/D转换是否完成是数据传送的问题所在，这是因为只有确认A/D完成后，才能进行数据传送的。因此我们可以采用以下三种方式。数据传送有三种方式：定时传送方式、查询方式、中断方式。A/D转换器的转换时间作为一项技术指标而它是已知的和固定的。E0C代表着A/D转换有表明转换是否完成的状态。因此可以试着测试EOC的状态，便可以确认是否完成转换，然后进行数据传送。中断把表明转换完成的EOC状态信号作为中断请求信号，利用中断方式来进行数据传送。一旦确定转换完成后，便可以通过指令来进行数据的传送。首先送出口地址信号并当OE信号有效时，把转换后的数据传送到数据总线上，最终使单片机接受到。823421)1(RlinVOUT1562)(VOUTRVOUT2.4元件的选择R1可以随意设置不影响系统性能，但是为了测量更为精准选择比较大的电阻会减小电路消耗，若电阻太大则精度无法保证，故选20K。R2至R6则遵循电路设计计算公式：;据比例得出，所有满足此比例的电阻理论上都是可以的。U3是第一阶输出电压，U4代表第二阶输出电压。运算放大器的选型：运算放大器由于早期主要是应用于模拟计算机中，用来实现数学运算，故得名“运算放大器”。它是具有放大能力的的电路单元，不仅可以由分立的器件实现，而且还可以实现在半导体中。随着半导体技术的发展，大部分的放大器都是以单芯片的形式存在的。运放放大器的种类多种多样，在电子行业有着广泛的应用。图2.3运算放大器运放有a，b两个输入端和一个输出端o。当电压U加在a端和公共端之间，并且它的实际方向是a端高于公共端的时候，输出电压U的实际方向则是公共端指向o端的，方向正好相反。当输入电压U加在b端和公共端之间的时候，U与U+的实际方向相对公共端相同。为了区别起见，a端和b端分别用-和+号标出，并不代表正负极性。运放是具有一个输出端口和两个高阻抗输入端的高增益放大单元。因此我们可采用运放的特性制作出同相、反相以及差分放大器。只有理想的运算放大器，才能满足测量要求，这就要求其放大器的放大倍数和输入电阻接近无穷大，只有才能保证输入端工作电流接近零，同时也要求输出电阻为无穷小，并且要保证输出电压不变，同时还要选择温度漂移小、电压噪声小的运算放大器。1011第三章系统软件设计与调试3.1开发环境的选择Multisim是以Windows为基础，适用于模拟和数字电路板的的仿真工具。它包含了电路原理图、电路硬件描述，并且还具有丰富的仿真分析能力。它能够轻松、快速、高效地完成对电路的设计和验证。我们可以使用Multisim的绘制电路原理图，并对电路进行捕获、仿真和分析。Multisim软件的使用有利于培养学生的电路分析能力也有利于提高他们对仿真软件的的操作能力，相较于书本知识他们能够更加容易接受Multisim软件，此外还提高了学生的动手能力，容易激发学生的兴趣。3.2系统软件总体设计3.2.1设计电路方案的比较弱点流检测电路的设计实现方案如下：方案一：采用16位DSP作为系统核心来控制芯片。通过DSP内部的A/D转换直接采集信号，然后通过DSP控制12864液晶显示电流值。如图3.1所示：图3.1DSP控制液晶显示方案二：运算放大器利用高精度的放大器进行I/U转换，R0作为限流保护电阻；R1和C1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，其放大系数为（1+R3/R2）*R1,与C组成低通滤波器，用以滤除运放的高频噪声，包含AD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综合性能而定，但是一般不能精确放大PA级及更加微弱的信号。如图3.2所示：12图3.2运算放大的流程方案三：利用51单片机作为系统的核心，将弱电流信号经过I/U变换以及差分放大转变成为有用的电压信号，之后通过ADC0809进行采集信号和A/D转换，在经过一系列运算，算出对应的电流值，最后通过LED显示出来。系统框图3.3如下：图3.3ADC0809采集信号和A/D转换电压放大单元（包含A/D）Vout单片机数量VoutU1OPAMPR110kR210kR310kR410kR510kC11nFC21nF13方案三与前两个相比，不仅能实现设计的要求，每一部分都是现在比较常用的电器元器件，加上我们对51单片机比较熟悉，而且芯片价格也不高，比较合适。方案一很好，功能很强大，缺点就是技术含量太高，DSP应用还不广泛。因此经过比较审核，最后决定采用方案三来设计电路。143.2.2系统硬件总体框架图本系统原理硬件框图主要由单片机最小系统硬件电路、7段数码管、A/D转换电路和放大电路组成。如图3.4所示：图3.4硬件总体框架图3.2.3系统的基本构成和实现的功能设计电路包含由电流-电压转换电路、运算放大电路、驱动电路、A/D转换和显示电路组成，最终将弱电流测量并显示出来。A/D转换器的精确度是指对于给定模拟输入，实际数字输出与理论预期数字输出之间的接近度。A/D转换器实质就是通过一定的电路将模拟信号转变为数字信号。这些模拟信号不能直接转变为数字信号，它必须在输入到A/D转换器之前转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以分为8位、10位、12位、14位和16位等。而本文的A/D转换精度的输出数字信号是8位，分别对应着数码管的各个引脚。153.2.4系统软件程序框图图3.5系统软件程序框图3.2.5二进制转换十进制为了检测AD输出值，引入了X1-X9九个灯，其排列为二进制码亮代表1，灭代表0。关于如何把AD输出的二进制数转换为十进制数显示出来。16第四章电路仿真4.1仿真图仿真图如图4.1所示：图4.1仿真图174.27段数码管数码管的一种是半导体发光器件，数码管可分为七段数码管和八段数码管，不同之处在于八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元DP。它是用于显示小数点的，它的基本单元就是发光二极管。8位数码管的驱动方式分为直流驱动和动态显示驱动。直流驱动是指单片机的I/O端口驱动着数码管的一个段码。直流驱动的又有优点又有缺点，优点是显示的亮度高并且编程简单，缺点是占用I/O端口比较多。动态驱动是指通过控制数码管的COM端，并且每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，而这些位选通各自独立控制I/O端。当单片机输出字形码的时候，所有的数码管都收到该字形码。无论哪个数码管显示出波形，该选通的的数码管将会显示字形，而没有选通的数码管就不会亮。改变电流源输出，等待3秒观察数码管输出，见图4.4图4.4数码管显示读数184.3测试结果与分析理论值和实际值的数据分析，如图表4.1所示：输入电流（nA）实际电流（nA）误差（nA）4401515030311444514950156571676928486296993表4.1理论值和实际值的数据4.4误差分析理论可以测量0255nA数据但是单片机引脚不够未能连接第三位，只能显示099nA数据。首先因为选用的8位的A/D转换，8位ADC，5V基准，每LSB为5/255=0.0195V约等于0.02V每LSB。其与对输入电流对应关系为0nA，ADC输出0；1nA，ADC输出为1；2nA，ADC输出为2；3nA，ADC输出为3，以此类推。造成单片机的精度读取不是很高，经计算单片机电流源每改变1nA输出电压步进0.02V，这个是引起的必然的误差，其实是程序算法进位溢出的问题造成的误差，所以当电流越来越大的时候，误差也会越来越大，最后还跟测量的时候电阻、电流、电压的稳定性也有关系。19第五章改进措施减小干扰对微弱电流的放大是很必要的，其干扰源来自多方面，有的来自器件本身，有的来自外部。除了选择稳定性好、噪声小的器件外，在电路、安装技术和工艺上也要采取一定的措施。电阻要选用高精度、低噪声的铂金电阻，电容选用低噪声的钽电容，电路板须选用高绝缘材料板如复合型覆铜箔板。为了尽量减小干扰，输入信号最好要接屏蔽线。要选用绝缘性能好的电路板，在PCB布线时，要注意在规划各种器件摆放时,应根据保证PCB可靠性原则设定各个元件在电路板上的安装位置，每个芯片应就近配置去耦电容，功率大的器件要求靠近电源,尽量减小走线长度。在电源部分和放大器的输出部分大面积敷铜。在进行电路板的走线时,先走地线与电源线,通道的走线要尽量短等。20参考文献1陆祖光.电测与仪表1990.5微电流测量技术的探讨，上海元件五厂2王立新，傅崇刚.仪表技术1999年第4期PA级微电流的测量技术研究.聊城师范学院3沙振舜.电测与仪表，1993年第3期4王卫勋.微电流检测方法的研究,西安理工大学，20075胡军.国外电子测量技术，2014年第4期6王月娥.微电流检测方法的研究，西安理工大学，20057晏双龙，王少年，钱忠仁.化学传感器，1998年04期8于海洋，袁瑞铭，王长瑞，杜玉蕾.华北电力技术，2006年第11期9童诗白模拟电子技术基础第三版北京：高等教育出版社，2001，510林伟,付昌伟.nA级电流检测电路和抗干扰技术研究.微纳电子技术2008,711管建明.微弱电流信号的前置放大和分析.电测与仪表1994,312严成义.测量系统的抗干扰技术,仪表技术1996,620致谢本课题在选题及研究过程中得到魏老师的悉心指导。魏老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。魏老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽然只有几个月的时间，却使我受益无穷。对魏老师的感激之情是无法用言语表达的。在这几个月里我明白了很多事情，毕业设计并不是可以像平时的考试一样简单的应付过去，而必须投入大量的时间和精力去了解它。开始的几个月我没怎么把它当回事，可是当时在魏老师你的提醒下我知道了它的重要性。这论文并不是随