微電流測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與制作

孟繁昌 孔志勇 劉雨軒 張秀新 胡浩然

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微電流的測(cè)量，設(shè)計(jì)了T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)I-V轉(zhuǎn)換電路，利用3個(gè)運(yùn)算放大器組成的精密線性放大電路以及壓控電壓源二階低通濾波電路，三部分為主要結(jié)構(gòu)的測(cè)量電路。同時(shí)利用Multisim進(jìn)行電路仿真、PCB板制作、表盤(pán)制作以及實(shí)物焊接等，完成實(shí)物制作。采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后運(yùn)用Matlab進(jìn)行精密度分析，最終測(cè)試結(jié)果，具有穩(wěn)定性好、低漂移、制作價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：微電流低漂移I-V轉(zhuǎn)換濾波電路運(yùn)算放大器

中圖分類號(hào)：TH122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract：In order to realize measurement of micro electric current，a T-type resistance feedback network is designed to realize the I-V conversion circuit，using a precision linear amplifying circuit composed of three operational amplifiers and a second-order low-pass filter circuit of a voltage-controlled voltage source. These three parts are the measurement of the main structure， the circuit simulation at the same time， PCB production， material welding， etc.， and the experimental data obtained， the use of Matlab precision analysis， the final test results， has a good stability， low drift， production price is low wait for an advantage.

Key Words： Micro electric current;Low driftr ;I-V conversion circuit;Filter;Operational amplifier

電流作為基本物理量之一，在科學(xué)研究及工程應(yīng)用中有重要作用，電流的測(cè)量在基礎(chǔ)研究和工程實(shí)際中必不可少，1 μA級(jí)別以下的微弱電流在經(jīng)典研究、材料測(cè)試、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、電力系統(tǒng)等中有重要應(yīng)用[1-2]，傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器難以實(shí)現(xiàn)1 μA以下的電流測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)微安級(jí)別以下的電流測(cè)量，采用精密運(yùn)算放大器電流反饋法，通過(guò)改進(jìn)電流設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)電路設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)、實(shí)物制造，最終測(cè)得1 μA以下的電流，經(jīng)過(guò)測(cè)試，儀器具有良好的精確度，且相對(duì)其它設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單易行，成本低，精度高的優(yōu)勢(shì)[3]。

1 ?總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)共分為3個(gè)部分，如圖1所示，第一部分是將微弱電流轉(zhuǎn)換為小電壓的轉(zhuǎn)換電路[4]，采用T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)。第二部分采用線性放大電路，將小電壓放大為大電壓由于第一級(jí)獲得的為較小的差模信號(hào)且內(nèi)含有較大的共模信號(hào)干擾，這就要求放大器除了必須具有一個(gè)足夠大的放大功率倍數(shù)外，還需要具有高的輸入電阻與共模抑制比。因此，選擇由3個(gè)運(yùn)放組合而成的精密放大器。第三部分為濾波電路，能夠具有良好的輸入信噪比，采用了一個(gè)壓控電壓源二階低通濾波電路[5]。

2 ?電路設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)

2.1 I-V轉(zhuǎn)換電路

由于需要測(cè)量10-6A以下的電流，所以采用一種T型反饋網(wǎng)絡(luò)方式來(lái)進(jìn)行反向使用比列進(jìn)行運(yùn)算?？梢詼p小由于儀器制造商和工藝的各種原因電阻值不穩(wěn)定及電阻值過(guò)大帶來(lái)的噪聲，另一方面，可以減小因多個(gè)電阻不同數(shù)量級(jí)帶來(lái)的頻率變化[6-7]。如圖1所示。

通過(guò)原理圖布線圖對(duì)線路板進(jìn)行設(shè)計(jì)，并做出電路板，根據(jù)電路圖及電路板，同時(shí)焊接得到最終成品[10]。

4 ?成品測(cè)試

（1）基于以上各部分設(shè)計(jì)，得到實(shí)物圖具體見(jiàn)圖8。

根據(jù)圖8可知，最終儀表由外殼、改裝電流表、焊接完成的PCB電路板、外部引線構(gòu)成。

（2）數(shù)據(jù)分析。啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，觀察并記錄多組有效數(shù)據(jù)，并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到輸入電壓與輸出電壓關(guān)系式[11]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具體見(jiàn)表1。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到圖9數(shù)據(jù)圖。

將數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘法直線擬合得到以下函數(shù)：Vo=0.4931Vi-0.0960

非線性誤差為z=-4.7985e-04，誤差相對(duì)于測(cè)量范圍及精確度均較小，具有很好的線性度，由輸入電壓與輸出電壓關(guān)系圖可知，兩者具有很好的線性關(guān)系.

5 ?結(jié)語(yǔ)

該文介紹了一種用于微弱電流測(cè)量的電路設(shè)計(jì)、仿真以及實(shí)現(xiàn)的方法。電路設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了較高準(zhǔn)確度的運(yùn)算放大器構(gòu)成I-V轉(zhuǎn)換電路、三級(jí)運(yùn)算放大器、二階低通濾波從而最終實(shí)現(xiàn)高性能微弱電流的放大，經(jīng)過(guò)Multisim對(duì)各個(gè)電路的組成部分分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最后我們使用PCB板完成了整個(gè)設(shè)計(jì)的制作，經(jīng)過(guò)對(duì)裝置進(jìn)行封裝處理，得到了完整的儀表。該裝置的測(cè)量精度達(dá)到10-6A，同時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻可達(dá)到10-12A的微電流測(cè)量。該儀表具有測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。此設(shè)計(jì)獲得2020年第六屆全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽中榮獲三等獎(jiǎng)。

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