微弱电流检测技术

微弱电流检测技术

樊希壮杜西亮

（黑龙江大学，黑龙江哈尔滨150000）

摘要：随着科学技术的不断发展，微电流检测技术在许多领域具有广泛的应用前景，对推动相关领域的发展具有重要意义。通过研究分析发现，使用负反馈运放放大法测量出的电流信号较为准确，且电路结构简单，容易实现，电路成本低廉。测试发现，测试电路对待测电路影响很小，测量误差小于0.5μA。由此得出，该方法可以用于测量微安电流。

关键词：微电流；模数转换；数字滤波；运算放大器

1.前言

微弱电流的测量已经成为当代的需要，就目前国内外发展来看，虽然高精度的电流测量仪器已经面世，测量数量级已经达到皮安，甚至突破飞安级别。但大多数为高科技研究所、军事研究所所用。普通高校和研究机构很少有这种高精密度的仪器。其昂贵的价格是我们无法接受的。可是当今科学技术水平的发展，微电流信号的测量显得越来越重要。研制低成本的微电流测量仪器具有重要的价值。

2.电流负反馈放大法

电流负反馈放大法采样原理是一种I-V变换。它是采用大阻值电阻作为运算放大器的反馈电阻，利用电流型反馈电路，反馈电阻上流过的电流与输入电流相等，并且电流信号通过反馈电阻转化为电压信号。根据运算放大器的虚短特性可知，运放的VP=VN。根据运放的虚断特性可知，流过反馈电阻的电流与输入电流相等。假设运放为理想运放条件下输入输出关系为VO=-IiRf，这样可以通过测量VO的值计算出待测电流值的大小。

3.微电流测量电路硬件设计

3.1I-V变换电路

微安测量电路采用OP07运算放大器构成的负反馈放大电路进行测量，采样电路如图(a)所示，根据运放的虚短特性可知，OP07的反相输入端电压等于同相输入端电压0V。根据运放的虚断特性可知，运放输入端流过的电流为零。待测电流流过1KΩ电阻，反馈电阻两端电压为VO=RFII。通过I-V变换电路将待测电流信号转换为电压信号。通过检测电压信号即可计算出待测电流大小。

3.2模数转换器

单片机是数字信号处理器，不能直接处理模拟信号，需要模数转换器将模拟信号转换为数字信号。模数转换器即AC-DC变换器，是一个能够将模拟电压信号转化为数字电压信号的电子元件。模数转换器主要参数有转换精度、转换速率等。

本次设计采用了亚德诺公司生产的AD7799型号模数转换器，如图(b)所示。该模数转换器有三个输入通道，内部集成了高增益、高精度、低输入失调电压的仪表放大器。内部应用了24bit高分辨率Σ-δ型模数转换器。

3.3单片机系统

单片机系统是该设计的控制核心，它负责与各个芯片进行通信，同时处理从模数转换器发来的测量数据。对采样来的数据进行滤波处理，最后驱动显示单元进行显示。该设计使用了Atmega128单片机。单片机系统原理图如图(c)所示，单片机的PA0-PA6用于驱动继电器和蜂鸣器，PB0-PB3为SPI串行接口，用于与AD7799进行数据交换。PC0-PC7为数码管段选线，用来驱动数码管的八段。PE0-PE7作为数码管的位选线，用于选通数码管的八个位。

3.4显示电路

仪表测量输入电流后要显示出来，该设计显示输出采用两个4位八段数码管拼成的8位八段数码。本次设计采用了共阴数码管。假设每个LED工作电流为10mA，那么八段同时点亮时的总电流为80mA，所以不能直接用单片机的I/O口同时驱动8个LED。该设计采用了ULN2803达林顿管作为八段数码管的位驱动器，最大输出电流500mA。通过达林顿管的放大作用，只需要很小的输入电流便可以得到很大的输出电流。

3.5辅助电源电路

供电电源的稳定性会直接影响仪表的测量精度，在电网中存在着大量的尖峰电压，所以在电源的输入一定要加EMI滤波器。本设计采用REF192-2.5V电压基准源作为模数转换器AD7799的参考电压源。电路原理图如图(b)所示，AD7799的模拟电源由REF192输出的2.5V经运放搭建的同相比例放大器放大2倍至5V所提供。

4.性能测试结果

采用安捷伦34401a型六位半数字万用表对该电路进行标定。从上表分析可知，最大测量误差为0.3μA，满足设计要求小于0.5μA。

5.结语

通过分析电流负反馈放大法工作原理，将电流负反馈放大法应用于微安电流的测量，进行了微电流测量仪的制作，并对该电路进行了误差分析和计算。采用安捷伦34401a型六位半数字万用表进行了校准。通过数据分析得出：测量误差小于0.5μA，并且测量仪对待测电路的影响很小。分析结果表明，该电路可以用于微安电流的测量。

参考文献

[1]李方方.微弱信号检测与采集技术的研究[D].哈尔滨工业大学.2006:20-35.

[2]王月娥.微电流测量方法的研究[D].西安理工大学.2005:5-20.

[3]张继东.一种全新的直流电流检测方式[J].仪表技术与传感器.2010,09:81-83.

[4]汪小婷.微电流测量方法探讨[J].计量与测试技术.2016,12:65-68

作者简介：樊希壮（1994.04—），男，黑龙江省黑河市人，哈尔滨市南岗区黑龙江大学，微电子学与固体电子学专业2017级，在读硕士，研究方向为传感器技术。

杜西亮（1970.06—），男，黑龙江省哈尔滨市人，黑龙江大学微电子学与固体电子学专业在职教授，研究方向为传感器技术、集成电路等。