一種小型高精度微電流測量模塊設(shè)計(jì)

殷少軒，蘇 葉，王澳輝，何孟軒，劉明輝

應(yīng)用研究

一種小型高精度微電流測量模塊設(shè)計(jì)

殷少軒，蘇 葉，王澳輝，何孟軒，劉明輝

（海軍工程大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430033）

針對現(xiàn)場測試中需要測量納安級或者更小微電流的情況，本文設(shè)計(jì)一種可通過微控制器程控的高精度、高穩(wěn)定性的小型微電流測量模塊。該測量模塊由I/V轉(zhuǎn)換模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和基準(zhǔn)源等電路組成。微控制器可通過6根數(shù)據(jù)線與ADC通信，從而實(shí)現(xiàn)對測量模塊的控制。測量模塊的量程是-1000 nA到1000 nA，精度可達(dá)0.1 nA級。

納安級 微電流測量 程控 高精度

0 引言

儀控領(lǐng)域低失真、低成本遠(yuǎn)距離傳輸微電流的信號傳輸方式已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)[1~2]。但高精度小型微電流測量一直是難點(diǎn)問題[3~5]。在工控系統(tǒng)和儀控系統(tǒng)的現(xiàn)場測試中，會(huì)遇到許多微電流信號測量問題[6~7]。但精度高而體積過大的測量儀器無法帶到現(xiàn)場；而小體積測量儀器往往精度又達(dá)不到要求。本文基于小型化、高精度、高穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)理念，提出了一種小型化精密微電流測量模塊的設(shè)計(jì)方法。

1 總體設(shè)計(jì)

微電流測量模塊電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。模塊由I/V轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊和2.5 V基準(zhǔn)源四大部分組成。微電流由屏蔽導(dǎo)線傳輸，并在電流轉(zhuǎn)換過程中設(shè)置了電流環(huán)保護(hù)，以防漏電流而影響模塊的測量精度。通過LMC6001和高精度低溫漂的2 MΩ電阻，將微弱電流轉(zhuǎn)換成0.5 V到4.5 V的電壓，然后通過ADC7705采集，完成AD轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，最后由單片機(jī)計(jì)算、校準(zhǔn)并顯示測量值。

圖1 總體設(shè)計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 I/V轉(zhuǎn)換電路

在電流傳輸過程中，傳輸線路和周圍電路之間，不可避免的會(huì)存在一定的漏電阻，從而會(huì)存在一定的漏電流，如果不對其做相應(yīng)的防護(hù)，則會(huì)極大的降低測量精度，甚至?xí)苯訉?dǎo)致測量失敗。為了防止漏電流的產(chǎn)生，在微電流由被測模塊到處理電路的傳輸過程中，模塊采用屏蔽線進(jìn)行傳輸，在電路板上，則如圖2中紅框所示，添加了一個(gè)電流保護(hù)環(huán)。電流保護(hù)環(huán)相當(dāng)于一個(gè)電磁屏蔽套，其對內(nèi)部微電流流過的部分起到電磁屏蔽和防止漏電流的效果。另外微電流還需要有一根屏蔽導(dǎo)線傳輸[9,10]。

圖2 I/V轉(zhuǎn)換電路

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

AD7705是一款應(yīng)用于低頻測量的雙通道模擬前端，可直接采集傳感器的低電平輸出信號，轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)串行數(shù)字輸出。它擁有兩個(gè)全差分輸入通道，并利用∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了16位無丟失碼性能。另外，AD7705與多種串行接口，如SPI、DSP等兼容，與控制系統(tǒng)有良好的相容性。又因?yàn)槠鋯坞娫垂╇婋妷簽?.7～3.3 V或4.75～5.25 V，因此廣泛應(yīng)用于智能控制系統(tǒng)中。

AD7705的引腳圖如圖3所示，與控制系統(tǒng)相連的主要的邏輯電平輸入輸出引腳有SCLK、CS、DRDY、DIN、DOUT。其中SCLK用于串行時(shí)鐘的輸入；CS是片選信號，低電平有效的邏輯輸入，同時(shí)可作為幀同步信號；DRDY指示片內(nèi)數(shù)據(jù)寄存器是否更新，更新時(shí)輸出低電平；DIN是串行數(shù)據(jù)輸入端口，用于向片內(nèi)可寫寄存器寫數(shù)據(jù)；DOUT是串行數(shù)據(jù)輸出端。另外，MCLKIN與MCLKOUT時(shí)鐘信號輸入和輸出端口；REFIN（+）與REFIN（-）是基準(zhǔn)源輸入端口。AD7705片內(nèi)有8個(gè)寄存器，與控制密切相關(guān)的是8位通信寄存器、8位時(shí)鐘寄存器、8位設(shè)置寄存器、16位數(shù)據(jù)寄存器。

根據(jù)AD7705的實(shí)際應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)出了滿足該電流源模塊需求的原理圖，如圖4。在A/D轉(zhuǎn)換電路中，為了實(shí)現(xiàn)0.5-4.5 V電壓的測量，將AD7705配置為雙極性，且將負(fù)輸入端接到基準(zhǔn)源2.5 V上，那么AD7705的電壓測量范圍為0-5 V。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路

為防止模擬地和數(shù)字之間存在電壓，影響芯片的性能，故采用模擬地和數(shù)字地分開并單點(diǎn)接地，AD7705的6、11等沒有使用的引腳懸空處理。由于模擬電源不穩(wěn)定時(shí)，容易燒毀AD7705，因此A/D模塊的電源輸入端并聯(lián)0.1 uF陶瓷電容和10 uF鉭電容濾波，防止電源電壓變化幅度過大使芯片燒毀。

2.3 基準(zhǔn)源電路

A/D轉(zhuǎn)換電路和I/V轉(zhuǎn)換電路都需要穩(wěn)定性極高的基準(zhǔn)電壓，而對于模數(shù)轉(zhuǎn)換，參考電壓的干凈程度直接影響芯片的性能，因此要求參考電壓具有極低的噪聲和溫漂，以得到最佳的轉(zhuǎn)換結(jié)果。為解決該問題，在A/D轉(zhuǎn)換模塊中，需設(shè)計(jì)獨(dú)立可靠的參考電源模塊。2.5 V參考電壓通過AD780芯片生成，該芯片溫度漂移低至3ppm/℃、微功耗、低壓差、性能穩(wěn)定，能很好的滿足采集芯片對參考電壓的要求[11,12]。參考電壓電路如圖5所示。如果需要，還可以使用兩個(gè)外部電容來進(jìn)一步降低噪聲。且其在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的誤差極低，無需使用外部元件。

圖5 基準(zhǔn)源電路

3 ADC7705程序設(shè)計(jì)

3.1 讀時(shí)序與寫時(shí)序

AD7705的讀時(shí)序如圖6所示，當(dāng)DRDY變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，指示數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)已經(jīng)更新，可以讀取數(shù)據(jù)。讀數(shù)據(jù)時(shí)，CS要置為低電平，SCLK輸入的串行時(shí)鐘信號控制輸出速率。

圖6 讀時(shí)序圖

寫時(shí)序如圖7所示。在讀寫AD7705的時(shí)候應(yīng)該嚴(yán)格控制各個(gè)信號之間的時(shí)間差與SCLK的頻率，防止讀寫失敗。

圖7 讀時(shí)序圖

3.2 程序流程

AD7705的程序流程圖如圖8所示。在AD7705每次上電時(shí)會(huì)自動(dòng)復(fù)位，在每次需要讀寫寄存器時(shí)，必須先寫通信寄存器。由于使用的是4.9152MHz的晶振，因此時(shí)鐘寄存器的CLKDIV=1，CLK=0。而在寫設(shè)置寄存器時(shí)，由于使用了雙極性輸入，因此B/U=0。另外每次上電復(fù)位后，都應(yīng)該對器件進(jìn)行校準(zhǔn)。這里使用的是自校準(zhǔn)，即器件自動(dòng)進(jìn)行零標(biāo)度和滿標(biāo)度校準(zhǔn)，并在校準(zhǔn)完畢后返回正常運(yùn)行模式。

在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，必須嚴(yán)格按照步驟，等待DRDY輸出低電平后才能進(jìn)行讀操作，否則數(shù)據(jù)會(huì)損毀，得到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。而且要保證在DRDY返回高電平前，本次的讀操作要結(jié)束。

圖8 程序流程圖

3.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

表1 AD7705輸入、輸出轉(zhuǎn)換表

4 主要性能測試

4.1 精度測試

經(jīng)過滿量程和零點(diǎn)校準(zhǔn)后，程序會(huì)自動(dòng)修正誤差。為了微電流測量精度，模塊的輸入端接一個(gè)六位半的精密微電流源B2901A，測量值由單片機(jī)LCD屏幕顯示。在量程-1000 nA到1000 nA范圍內(nèi)，選擇步進(jìn)為100 nA，共測量21組數(shù)據(jù)，并計(jì)算誤差，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 精度測試數(shù)據(jù)(單位：nA)

從結(jié)果可以看出絕對誤差在0.1 nA以下的數(shù)量級，相對誤差可以在0.01%的數(shù)量級，說明此臺精密微電流測量模塊具有高精準(zhǔn)，高線性，滿足預(yù)定要求。

4.2 穩(wěn)定性、可靠性測試

為測試微電流測量模塊的穩(wěn)定性與可靠性，在經(jīng)過校準(zhǔn)后，設(shè)定任意電流值，連續(xù)測量五小時(shí)以上，并每隔一小時(shí)測量一次誤差。試驗(yàn)表明，在長時(shí)間的測量下，模塊的測量精度未受到影響，且模塊無明顯溫升?？梢?，此微電流測量模塊的可靠性和穩(wěn)定性良好。

5 結(jié)論

基于小型化、智能化、高精度等設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了一種可測量直流微電流的測量模塊。該測量種模塊由I/V轉(zhuǎn)換模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和基準(zhǔn)源模塊組成。微控制器可通過六根數(shù)據(jù)線與模塊連接，從而實(shí)現(xiàn)程控可調(diào)。硬件方面運(yùn)用了高性能的運(yùn)算放大器LMC6001AIN、高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7705和高穩(wěn)定性的AD780，提高了整體的測量精度。軟件方面，利用Stm32F407單片機(jī)作為主控器件，將ADC傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、修正和顯示。最終，利用六位半的數(shù)字可調(diào)電流源檢驗(yàn)了模塊的測量精度，說明了測量模塊的精度、穩(wěn)定性和可靠性滿足要求。

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Design of a Small Micro-current Measurement Module with High Precision

Yin Shaoxuan, Su Ye, Wang Aohui, He Mengxuan, Liu Minghui

(Naval University of Engineering Nuclear Science and Technology，Wuhan 430033，China)

TM933.1

A

1003-4862（2021）04-0039-04

2020-10-16

殷少軒（2000-），男，本科。研究方向：核反應(yīng)堆維修與管理。E-mail: 1057704612@qq.com