基于nA級電流信號的多通道高精度采集系統(tǒng)設(shè)計

閆靜純，富 帥，蘇浩航，榮 鵬，申一偉

基于nA級電流信號的多通道高精度采集系統(tǒng)設(shè)計

閆靜純，富 帥，蘇浩航，榮 鵬，申一偉

（北京空間機電研究所，北京 100094）

在大氣成份和含量探測的傅里葉變換光譜探測技術(shù)中，紅外探測器輸出的電流信號一般極其微弱。本文針對電流信號頻率為kHz級、電流強度在nA級的多元型紅外探測器，通過分析系統(tǒng)噪聲來源，選取高精度、低噪聲的精密集成運算放大器，合理選取電路參數(shù)，設(shè)計了一種多通道微弱電流信號高精度采集電路。通過對電路性能進行分析，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以精確采集到nA級的1kHz微弱電流信號，系統(tǒng)的噪聲低，滿足設(shè)計要求。

微弱電流信號；高精度；低噪聲；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

0 引言

隨著對大氣成份和含量的探測需求越來越大，要求越來越高，基于干涉型的傅里葉變換光譜探測技術(shù)由于具有光通量大、譜段范圍寬、光譜分辨率高等諸多優(yōu)勢，已成為國內(nèi)外紅外光譜探測技術(shù)的發(fā)展熱點。

在傅里葉變換光譜探測技術(shù)[1-2]中，大氣紅外輻射信號具有信號幅值低、動態(tài)范圍大、探測精度要求高的特點，對探測系統(tǒng)的抗干擾能力、噪聲抑制水平、量化位數(shù)等有很高要求。目前微弱信號探測的研究多集中在微弱電壓信號檢測，杜沂東[3]、王建宇[4]、李軍雨[5]等針對微弱電壓信號的放大電路設(shè)計進行了分析。李輝[6]等針對單路信號帶寬百赫茲以內(nèi)的pA級微電流檢測系統(tǒng)設(shè)計進行了研究。本文針對電流信號頻率為kHz級、電流強度在nA級的多元型紅外探測器[7-8]，設(shè)計了一種多通道微弱電流信號高精度采集電路，并分析了電路性能，進一步完善了微弱電流信號探測的研究。

1 采集系統(tǒng)總體方案設(shè)計

多通道微弱電流信號高精度采集電路總體方案設(shè)計如圖1所示。探測器輸出的微弱電流信號經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過二級放大濾波將混雜在電壓信號中的高頻噪聲進行濾波去除，并將有效信號放大到AD器件的最大輸入范圍，后經(jīng)過A/D器件進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后生成相應(yīng)的數(shù)字信號，再傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理部分進行數(shù)據(jù)處理編排，最后上傳到上位機進行數(shù)據(jù)處理及分析。

為了擴大電路的動態(tài)范圍，模擬部分均采用高壓供電芯片，且均為正負(fù)雙電源供電，以保證零點附近的信號可有效采集，并能降低電源噪聲。

圖1 微弱電流信號采集系統(tǒng)的總體方案

2 電路分析設(shè)計

2.1 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

電流-電壓轉(zhuǎn)換電路（即轉(zhuǎn)換電路）是將待采集的微弱電流信號轉(zhuǎn)換并放大到一個較大的電壓信號，后續(xù)系統(tǒng)再對此電壓信號進行濾波放大采集處理。由于探測器輸出的電流信號非常微弱，極易受到噪聲的干擾，此環(huán)節(jié)的噪聲水平直接影響了整個采集系統(tǒng)，所以需要進行精細的設(shè)計。

1）方案選取

電流電壓轉(zhuǎn)換電路[9]一般有兩種。一種如圖2(a)所示，電阻s作為采樣電阻，直接與探測器輸出相連，將電流信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，然后再通過放大電路進行二次放大。

此電路中采樣電阻承擔(dān)電流電壓轉(zhuǎn)換的任務(wù)，但實際上有效的電阻是s與探測器內(nèi)阻d的并聯(lián)值，此時需要探測器內(nèi)阻遠遠大于采樣電阻s。在微弱信號采集系統(tǒng)中，有效電阻需要很大，至少為MΩ級，但探測器內(nèi)阻很少能達到很高的阻值，故此方法不適用于nA級微弱電流信號采集。

另一種是利用高輸入阻抗運放的跨阻放大電路，如圖2(b)所示，由于運放的輸入阻抗很高，輸入運放的電流幾乎為0，電流基本都會流過反饋電阻F，實現(xiàn)輸出電壓信號o＝p×F。這個電路可以將微弱的電流信號精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號。

2）器件選擇

電流電壓轉(zhuǎn)換的典型電路如圖3所示，該電路主要包括4種噪聲源：運放電壓噪聲密度、運放電流噪聲密度、反饋電阻的熱噪聲以及探測器體電阻的熱噪聲。若想獲得低噪聲電路需要降低這4種噪聲。

圖3 典型IV轉(zhuǎn)換電路原理圖

在選擇運放時，選用低電壓噪聲密度、低電流噪聲密度、低偏置電流、低溫漂的高精度運放，從而降低運放的噪聲。本文選用的精密運放的電壓噪聲密度為1.8nV/rtHz，電流噪聲密度為1.2pA/rtHz，輸入偏置電流僅為5pA，且溫度特性良好（＜1mV/℃）。供電電壓最大為±15V，且為小封裝，可節(jié)省電路板面積。

在選擇反饋電阻時，由于轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓o＝P×F，反饋電阻F直接影響著輸出電壓的幅值。在微弱電流采集系統(tǒng)里，為了得到大轉(zhuǎn)換增益，反饋電阻應(yīng)盡量大，以便放大到適合后端AD的輸入電壓范圍。但電阻會產(chǎn)生熱噪聲，熱噪聲n2＝4bW，以V2/Hz為單位，其中n是噪聲電壓；b是玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10－23J/K；是溫度，K；是電阻；W是帶寬。當(dāng)電阻阻值越大，熱噪聲越大。故需要在電壓放大及熱噪聲大小之間折中處理，且需要選擇低溫漂低噪聲的高精度電阻。

政治經(jīng)濟學(xué)批判視域中法與市場經(jīng)濟內(nèi)生關(guān)系的生成——兼論社會主義市場經(jīng)濟的法治向度 …………………………………………………… 王 程（3．61）

在選取反饋電容時，由于轉(zhuǎn)換電路負(fù)端直接與探測器輸出相連，探測器的輸出電容、布線的分布電容以及運放負(fù)端的電容會與反饋電阻引起輸出電壓相位滯后，并且過大的反饋電阻還會造成運算放大器的不穩(wěn)定。加入反饋電容后，會對電路進行一個相位補償，并會使電路更加穩(wěn)定，還可以降低反饋電阻上的等效噪聲帶寬，起到抑制電路噪聲的作用。

3）抗干擾設(shè)計

由于微弱電流信號的放大電路前端更容易拾取干擾，會引入很多噪聲，影響輸出信號的質(zhì)量，所以在實際電路中需要做更多的抗干擾屏蔽措施。

在PCB設(shè)計時，轉(zhuǎn)換電路輸入端信號走線盡量短，且在中間層走線，在信號線的上下參考層均設(shè)計為地參考層，起到屏蔽干擾的作用，減少運放前端引入的干擾。

采用等電位的漏電流噪聲抑制技術(shù)對轉(zhuǎn)換電路進行屏蔽保護，即在敏感引腳外圍設(shè)置保護環(huán)，且保護環(huán)的偏置電壓與敏感引腳相同，這樣漏電流就會通過保護環(huán)流向模擬地，因而不會對輸入產(chǎn)生干擾，降低轉(zhuǎn)換電路外部波動電壓經(jīng)電路板引入的微小電流波動，從而提高系統(tǒng)的電流分辨力。并在每片芯片的電源管腳處添加濾波電容，以減少電源噪聲的影響。

2.2 二級放大濾波及高精度AD數(shù)據(jù)采集

由于待采集的電流信號非常微弱，所以整個采集系統(tǒng)的總增益是非常大的，而單個運放增益又不宜過大，所以系統(tǒng)采用二級放大的方式，放大濾波[9]電路如圖4所示。根據(jù)系統(tǒng)要求，二級放大倍數(shù)為1000倍。該環(huán)節(jié)主要根據(jù)系統(tǒng)帶寬設(shè)定電路參數(shù)，從而實現(xiàn)對信號帶通濾波，濾除帶外噪聲，保證系統(tǒng)信噪比。

圖4 放大濾波電路

設(shè)計多通道高精度信號同步采集系統(tǒng)，必須對待測信號進行高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC: analog-to-digital conversion），且選擇多通道器件。本文選用的是8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，量化位數(shù)為16bits，可支持8通道同步采樣。供電電壓最大為＋15V，差分輸入電壓范圍：±20.48V（最大值），電壓范圍大，有利于提高動態(tài)范圍；片內(nèi)具有采樣保持功能，滿足同步采集的要求。

其芯片功能框圖如圖5所示。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換器件功能框圖

3 系統(tǒng)性能分析測試

3.1 交流傳輸特性分析

為了更好地分析系統(tǒng)的交流傳輸特性，使用Multisim14.1對設(shè)計電路進行仿真，圖6所示為電流電壓轉(zhuǎn)換電路中F分別為100MΩ、10MΩ、1MΩ，反饋電容C＝0pF的情況下得到的采集系統(tǒng)交流傳輸特性曲線。從圖中可以看出，在一定頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)計要求將電流放大，但隨著頻率升高，由于運放的開環(huán)增益的限制使得放大倍數(shù)在某一頻率c開始下降。

從圖6中可以看到在c附近有個尖峰，這是由于運放的輸入端寄生電容與反饋電阻在傳遞函數(shù)中構(gòu)成極點，導(dǎo)致頻率特性發(fā)生變化，影響放大電路的穩(wěn)定性。

通常采用相位補償?shù)姆椒ǎ诜答侂娮鐵兩端并聯(lián)一個小電容F，構(gòu)成零點使得相位超前來補償輸入端寄生電容所帶來的相位變化。

選擇F＝1MΩ并在其兩端并聯(lián)不同的反饋電容F（0pF、1pF、5pF、10pF），得到仿真結(jié)果如圖7所示。從仿真圖中可以看出，只需要很小的電容量就會對頻率特性產(chǎn)生很大影響。電容越大，－3dB帶寬越小。根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇1pF反饋電容。

圖6 不同反饋電阻下的系統(tǒng)交流傳輸特性

圖7 不同反饋電容下的系統(tǒng)交流傳輸特性

3.2 輸入輸出信號測試

本文實驗中采用信號源與電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的方式產(chǎn)生微弱電流信號來初步驗證采集系統(tǒng)的性能，具體方案是：信號發(fā)生器輸出正弦電壓信號，經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)后，產(chǎn)生待測的微弱正弦電流信號（電流信號幅值為4nA、頻率為1kHz），經(jīng)過轉(zhuǎn)換，二級放大，AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)合成后，在圖采接收端采集到的raw格式圖像如圖8所示?？梢钥闯?，采集系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的采集到1kHz的nA級微弱電流信號。

3.3 采集系統(tǒng)的噪聲測試：

為驗證采集系統(tǒng)電路的噪聲性能，在不加探測器的情況下對整個采集系統(tǒng)的噪聲進行了測試。將采集系統(tǒng)的最前級即轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接器使用銅箔紙屏蔽起來，防止引入干擾，采集經(jīng)過轉(zhuǎn)換，二級放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)合成后的數(shù)據(jù)，對上位機圖采設(shè)備采集后的raw格式圖像進行統(tǒng)計分析，并計算其標(biāo)準(zhǔn)差即整個采集系統(tǒng)的電路噪聲。圖9所示為系統(tǒng)的放大倍數(shù)為109時，上位機圖采設(shè)備采集到的48通道噪聲情況，其中橫坐標(biāo)表示系統(tǒng)的48路通道，縱坐標(biāo)表示采集到的電路噪聲。從圖中可看出電路噪聲為30mV左右。

3.4 加探測器的干涉信號測試

在對采集系統(tǒng)電路進行了充分的輸入輸出信號測試及噪聲測試后，加上電流型探測器，并配上前置光學(xué)系統(tǒng)及高靈敏度干涉儀系統(tǒng)，進行了紅外輻射干涉信號的采集。圖10為黑體輻射源溫度為300K時，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電流電壓轉(zhuǎn)換后測得的干涉信號波形圖。從測得的波形分析，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以正確地探測到紅外輻射干涉信號。

圖8 接收端采集到的1kHz信號

圖9 48通道噪聲情況

圖10 干涉信號波形圖

4 結(jié)論

本文利用低噪聲的高精度運放、高分辨率的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，合理選擇電路參數(shù)，設(shè)計了一種多通道微弱電流信號高精度采集電路，并進行抗干擾設(shè)計。通過對電路性能進行分析，可知該電路可以精確采集到nA級的1kHz微弱電流信號，系統(tǒng)的噪聲低，滿足設(shè)計要求，對微弱電流信號探測電路設(shè)計具有實際指導(dǎo)意義。

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Design of Multi-channel High Precision Data Acquisition System Based on nA Level Current Signal

YAN Jingchun，F(xiàn)U Shuai，SU Haohang，RONG Peng，SHEN Yiwei

(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)

In the Fourier transform spectrum detection technology of atmospheric composition and content detection, the output current signal of infrared detector is generally very weak. In this paper, a multi-channel weak current signal high-precision acquisition circuit is designed by analyzing the source of system noise, using high-precision and low-noise integrated operational amplifier, and reasonably selecting circuit parameters. An analysis of the circuit performance shows that the system can accurately acquire the nA level 1kHz current signal, and meet the requirements of weak signal detection.

weak signal, high-precision, low noise, data acquisition system

TN23

A

1001-8891(2021)05-0417-05

2020-08-26；

2020-12-25.

閆靜純（1986-），女，河北衡水人，工程師，主要從事空間紅外視頻電子學(xué)方面的研究工作。E-mail: yanjingchun_12@163.com。

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFB0500703）。