一種新型微電流測試儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種新型微電流測試儀，所述新型微電流測試儀的系統(tǒng)構(gòu)成主要由單片機(jī)，開關(guān)調(diào)制前置放大電路，信號放大電路，采樣保持電路，差分解調(diào)電路，測量信號輸出顯示模塊，濾波抗干擾電路組成。還包括飽和判別單元，調(diào)零電路。本實用新型的開關(guān)調(diào)制前置放大電路保證微電流信號的采集與轉(zhuǎn)換；本實用新型中差分解調(diào)電路可以消除微電流測量過程中儀器本身電路產(chǎn)生的干擾，提高測量儀的準(zhǔn)確性；本實用新型還具有飽和判別單元和調(diào)零電路。狀態(tài)判別功能是判別出電路狀態(tài)和確定放大級數(shù)，保持輸出信號不超過運放工作的線性范圍。而且調(diào)零電路設(shè)置用以避免測量電路本身失調(diào)，從而提高可靠性。
【專利說明】
一種新型微電流測試儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及微電流測量，特別涉及一種新型微電流測試儀。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著對自然的認(rèn)識，科學(xué)家要常常要面對大自然中微弱的物理量。這些微弱的信號通過傳感器進(jìn)行電量轉(zhuǎn)換。例如測量電流信號無法直接測量需要進(jìn)行I/U轉(zhuǎn)換，為測量微小信號就需要測量儀有放大捕捉的環(huán)節(jié)，但是實際操作時卻無法避免噪聲與干擾的放大。實現(xiàn)新型微電流測試儀的主要目的:一是通過采用調(diào)制電路與差分電路過濾掉這些雜質(zhì)直流信號能測量得微電流。二是提供一種準(zhǔn)確度為0.5級、測量的最小范圍為10 PA的新型微電流測試儀。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]本實用新型目的是:提供一種智能微電阻測試儀。
[0004]本實用新型的技術(shù)方案是:
[0005]—種新型微電流測試儀，所述新型微電流測試儀包括依次連接的開關(guān)調(diào)制前置放大電路，信號放大電路，采樣保持電路，差分解調(diào)單元，取絕對值電路，AD轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī);所述開關(guān)調(diào)制前置放大電路通過第一飽和判別單元連接到單片機(jī)，信號放大電路通過第二飽和判別單元連接到單片機(jī)，單片機(jī)分別連接控制開關(guān)調(diào)制前置放大電路和信號放大電路的放大級選擇，并發(fā)送時鐘信號到采樣保持電路，控制器采樣頻率，所述單片機(jī)還連接有通信模塊，對外發(fā)送測量信息。
[0006]優(yōu)選的，所述信號放大電路包括依次連接的第一階段放大電路和第二階段放大電路。
[0007]優(yōu)選的，所述第一階段放大電路和第二階段放大電路均采用逐級放大的形式，在一定范圍內(nèi)使輸出信號最大。
[0008]優(yōu)選的，所述第一階段放大電路由8級放大器和8路選擇開關(guān)構(gòu)成，單片機(jī)通過控制8路選擇開關(guān)的狀態(tài)，控制放大級數(shù);第一階段放大電路的末級設(shè)置調(diào)零電路，避免失調(diào)信號的數(shù)次放大超過器件工作的線性范圍。
[0009]優(yōu)選的，所述第二階段放大電路分由4級放大器和4路選擇開關(guān)構(gòu)成，單片機(jī)通過控制4路選擇開關(guān)的狀態(tài)，控制放大級數(shù);每級放大器倍數(shù)以不超過其所采用運放的飽和電壓且輸出信號最大為準(zhǔn)。
[0010]優(yōu)選的，第二飽和判別單元通過多路選擇開關(guān)接受第一階段放大電路和第二階段放大電路的輸出信號。
[0011]優(yōu)選的，所述差分解調(diào)電路用于消除前置放大電路，信號放大電路中伴隨著的雜質(zhì)直流信號，得到與待測信號成比例關(guān)系的微壓信號。
[0012]優(yōu)選的，還包括濾波抗干擾電路，所述波抗干擾電路在每級放大電路后都設(shè)置低通濾波器，避免工頻干擾信號數(shù)次被放大而產(chǎn)生的誤差。
[0013]本實用新型的優(yōu)點是:
[0014]1.本實用新型所提供的新型微電流測試儀系統(tǒng)，通過開關(guān)前置放大電路將待測弱信號放大，其在微弱信號檢測過程之時從信號源中過濾掉干擾信號，最大限度地還原有用的待測信號，提高信噪比。
[0015]2.本實用新型可以檢測微電流的電流數(shù)值，設(shè)計關(guān)鍵在于抑制電路雜質(zhì)直流信號和工頻干擾。保證測量的準(zhǔn)確性、可靠性。
[0016]3.本實用新型采用鋰電池供電，將電能存儲于鋰電池中便于整個系統(tǒng)使用，體積小巧，供電持久。
【附圖說明】
[0017]下面結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進(jìn)一步描述:
[0018]圖1為新型微電流測試儀的微電流-電壓轉(zhuǎn)換原理示意圖；
[0019]圖2為本實用新型的微弱電流差分、調(diào)制前置放大器示意圖；
[0020]圖3為本新型微電流測試儀的具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖4為本新型微電流測試儀的第一階段放大電路原理圖；
[0022]圖5為本新型微電流測試儀的第二階段放大電路原理圖；
[0023]圖6為本新型微電流測試儀的飽和判別單元原理圖。
【具體實施方式】
[0024]實施例:
[0025]為了更清楚說明本發(fā)明，下面將結(jié)合實施原理進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)方案，顯而易見地，下面描述中的系統(tǒng)方案僅僅是本發(fā)明的一種實施方案，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些具體實施方案獲得其他實施方案。
[0026]本實用新型新型微電流測試儀的微電流電壓轉(zhuǎn)換原理。如圖1所示，由戴維南定理可知，任何一個兩端網(wǎng)絡(luò)都可看成一個等效電壓源Us與等效電阻Rs串聯(lián)，S卩Rs=Us/Is。使用運放反饋電流法來進(jìn)行測量。其中Rf為反饋電阻;R'為平衡電阻;U1為運放失調(diào)電壓；Ib-、Ib+為運放偏置電流;Is為待測微電流;Uo為輸出電壓。理想電路輸出為Uo= -1sRf0
[0027]由于運放存在失調(diào)電壓、偏置電流，所以實際電路輸出為:U'o=-1sRf+U1+Ib+R'+Ib-Rf
[0028]另有電壓輸出誤差為:AUo=U1+Ib+R/+Ib-Rf。
[0029]本實用新型的差分、調(diào)制電路由單片機(jī)控制，對微電流進(jìn)行調(diào)制，得到與待測信號成比例關(guān)系的微壓信號。提出運用差分、調(diào)制電路過濾掉電路中直流雜質(zhì)信號的測量方法，徹底消除微電流測量過程中測量儀器本身電路產(chǎn)生的干擾。測量結(jié)果送往儀器的單片機(jī)，最后通過顯示電路顯示出來。
[0030]如圖2所示，當(dāng)Kl斷開，K2閉合，即輸出:
[0031]UOl= IsRf+U10+Ib+R;+Ib-Rf(I)
[0032]當(dāng)Kl閉合，K2斷開，即輸出:
[0033]U02= U1+Ib+R'+Ib-Rf(2)
[0034]由式(I)減式(2)，即可消除系統(tǒng)誤差，SP:
[0035]Uo=UOl- U02= IsRf(3)
[0036]通過式(3)得知，直流雜質(zhì)信號被消除，可見，Uo與Is成正比。但Uo信號極其弱，設(shè)總的放大倍數(shù)為K，則輸出為:Uo=KIsRf，則被測微電流為:
[0037]Is=Uo/(KRf)(4)
[0038]如圖3所述，本實用新型公開了新型微電流測試儀的系統(tǒng)設(shè)計圖，所述新型微電流測試儀包括依次連接的開關(guān)調(diào)制前置放大電路，第一階段放大電路、第二階段放大電路，采樣保持電路，差分解調(diào)單元，取絕對值電路，AD轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī);所述開關(guān)調(diào)制前置放大電路通過第一飽和判別單元連接到單片機(jī)，第一階段放大電路和第二階段放大電路通過第二飽和判別單元連接到單片機(jī)，單片機(jī)分別連接控制開關(guān)調(diào)制前置放大電路、第一階段放大電路和第二階段放大電路的放大級選擇，并發(fā)送時鐘信號到采樣保持電路，控制器采樣頻率，所述單片機(jī)還連接有通信模塊，對外發(fā)送測量信息。
[0039]本實用新型微電流測試儀的第一階段放大電路原理圖，如圖4所示，放大過程分為8小級完成，采用由上至下，逐漸放大的方式。前置放大電路輸出的微壓信號在第I級進(jìn)行放大時，由單片機(jī)控制放大級數(shù)。級數(shù)的確定先由多路開關(guān)依次閉合，由飽和判別單元做出判斷，當(dāng)輸出信號首次超過運放工作的線性范圍時，級數(shù)倒退I級，并送往單片機(jī)。為避免工頻干擾信號數(shù)次被放大，每級放大電路都設(shè)置低通濾波器。調(diào)零電路設(shè)置在放大電路的末級，以避免測量電路本身失調(diào)信號被數(shù)次放大后，可能超出其工作的線性范圍。
[0040]本實用新型微電流測試儀的第二階段放大電路，如圖5所示，共分4級放大，每級放大倍數(shù)不宜過大，以不超過運放的飽和電壓且輸出信號最大為準(zhǔn)。依據(jù)調(diào)制開關(guān)的不同時態(tài)，將信號放大階段輸出的結(jié)果存儲在2個寄存器中，利用差分電路，使得前置放大電路，主放大電路中伴隨著的雜質(zhì)直流信號得以消除。
[0041]本實用新型的信號放大部分的飽和判別單元原理。如圖6所示，采用供電電源為3V的前置放大電路，J/U轉(zhuǎn)換后的信號輸出給飽和判別單元I，由判別電路做出判斷將結(jié)果送至單片機(jī)；中問主放大電路均采用電源為15 V的運算放大器，電路輸出給飽和判別單元2，將結(jié)果送至單片機(jī)。
[0042]本實用新型系統(tǒng)采用單片機(jī)測量控制系統(tǒng)結(jié)合開關(guān)前端控制電路能對于轉(zhuǎn)換后的電壓信號需進(jìn)行進(jìn)一步的放大，否則待測信號會被運算放大器的失調(diào)電壓、偏置電流干擾。低通濾波抗干擾電路消除工頻干擾無端放大而產(chǎn)生的誤差。為使供電模塊能供電持久便于攜帶，選擇了質(zhì)量輕且體積小鋰電池。
[0043]上述實施例只為說明本實用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人能夠了解本實用新型的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本實用新型的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本實用新型主要技術(shù)方案的精神實質(zhì)所做的修飾，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種新型微電流測試儀，其特征在于:所述新型微電流測試儀包括依次連接的開關(guān)調(diào)制前置放大電路，信號放大電路，采樣保持電路，差分解調(diào)單元，取絕對值電路，AD轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī);所述開關(guān)調(diào)制前置放大電路通過第一飽和判別單元連接到單片機(jī)，信號放大電路通過第二飽和判別單元連接到單片機(jī)，單片機(jī)分別連接控制開關(guān)調(diào)制前置放大電路和信號放大電路的放大級選擇，并發(fā)送時鐘信號到采樣保持電路，控制器采樣頻率，所述單片機(jī)還連接有通信模塊，對外發(fā)送測量信息。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型微電流測試儀，其特征在于:所述信號放大電路包括依次連接的第一階段放大電路和第二階段放大電路。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型微電流測試儀，其特征在于:所述第一階段放大電路由8級放大器和8路選擇開關(guān)構(gòu)成，單片機(jī)通過控制8路選擇開關(guān)的狀態(tài)，控制放大級數(shù);第一階段放大電路的末級設(shè)置調(diào)零電路，避免失調(diào)信號的數(shù)次放大超過器件工作的線性范圍。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型微電流測試儀，其特征在于:所述第二階段放大電路分由4級放大器和4路選擇開關(guān)構(gòu)成，單片機(jī)通過控制4路選擇開關(guān)的狀態(tài)，控制放大級數(shù);每級放大器倍數(shù)以不超過其所采用運放的飽和電壓且輸出信號最大為準(zhǔn)。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型微電流測試儀，其特征在于:所述第一階段放大電路和第二階段放大電路均采用逐級放大的形式，在一定范圍內(nèi)使輸出信號最大。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型微電流測試儀，其特征在于:第二飽和判別單元通過多路選擇開關(guān)接受第一階段放大電路和第二階段放大電路的輸出信號。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型微電流測試儀，其特征在于:所述差分解調(diào)電路用于消除前置放大電路，信號放大電路中伴隨著的雜質(zhì)直流信號，得到與待測信號成比例關(guān)系的微壓信號。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型微電流測試儀，其特征在于:還包括濾波抗干擾電路，所述波抗干擾電路在每級放大電路后都設(shè)置低通濾波器，避免工頻干擾信號數(shù)次被放大而產(chǎn)生的誤差。
【文檔編號】G01R19/25GK205484537SQ201620210784
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】顧涵, 夏怡婷
【申請人】常熟理工學(xué)院