微小電流測量儀器的設(shè)計(共5頁)

1、微小電流測量儀器的設(shè)計本系統(tǒng)設(shè)計要求：設(shè)計一微小電流測量儀，可將較小電流以數(shù)字的方式直觀、準確的顯示出來。被測信號是石英鐘平均功耗電流，是一微小的不規(guī)則的電流。測量范圍：0 - 200A。1 設(shè)計分析：被測信號如圖1所示。石英電子鐘的整機功耗包括兩部分：一部分是石英鐘集成電路的功耗；另一部分是步進電機的功耗。石英鐘集成電路包括：振蕩器、分頻器、窄脈沖形成器、驅(qū)動器等。由驅(qū)動電路輸出的脈沖信號，輸入到步迸電機線圈繞組時，產(chǎn)生轉(zhuǎn)位力矩，推動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。測量一個電路的電流，通常可以用直流或交流電流表直接測量。但是對于測量石英鐘脈動的電流，例如測量石英電子鐘整機功耗這樣的微安級電流，就不能簡單地將電

2、流表串入電路中去測量，而需要一套將被測信號轉(zhuǎn)換成可以直接測量并用數(shù)字直觀地顯示出來的電路。圖 1 被測信號微小電流測量電路由數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路、功能控制系統(tǒng)及顯示電路三部分組成。2 方案論證與設(shè)計：微小電流測量電路系統(tǒng)包括三個部分：（1）數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路、（2）功能控制系統(tǒng)、（3）顯示電路。整個系統(tǒng)框圖如圖2。被測信號數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路顯示電路功能制系統(tǒng)圖2整個系統(tǒng)框圖圖 2 整個系統(tǒng)框圖第一部分是數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路。本部分包括的電路有取樣電路、電子模擬開關(guān)、隔離電路、積分電路、AD轉(zhuǎn)換電路。1、取樣電路是將被測的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并對微小信號進行放大。該電路應有調(diào)零和調(diào)增益的功能，以取出的信

3、號不失真為最好。方案：采用采樣保持器LF398AH。2、電子模擬開關(guān)相當于一扇門。開門時，數(shù)據(jù)通過；關(guān)門時，數(shù)據(jù)不能通過。開、關(guān)門的控制信號由數(shù)據(jù)選擇端控制。由取樣控制電路提供開門時間，采用芯片CD4051BCM，其直流供電電壓(VDD)0.5伏直流電+ 18伏直流電，輸入電壓(VIN),每升1級+ 0.5 VDD 0.5 VDC伏直流電。3、隔離電路將前、后級的電路隔開，提高電路帶負載能力，使后一級的輸入信號不影響前一級的輸出。方案：采用電壓跟隨器電路，顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低即可以起到隔離的作用。4、積分電路其作用是取2秒內(nèi)被測信號的平均值，要求有調(diào)零功能，輸出信號電壓應小于

4、2V。方案：可以采用集成運放的積分電路。該電路和反相比例放大電路的不同之處在于用電容代替反饋電阻，利用“虛地”概念，可知輸出信號與輸入信號成積分關(guān)系。理想積分器表達式為：積分之后，應保持一定時間，以供A/D轉(zhuǎn)換只用，然后再將積分器上的電壓放掉，以備下一次測量之用。第二部分功能控制系統(tǒng).時序信號發(fā)生器要求產(chǎn)生方波信號，即時序信號發(fā)生器輸出f=0.25Hz、T=4s的信號。采用石英晶體振蕩器輸出頻率穩(wěn)定性好，精度高。因為積分電路的信號要送到A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換器需要轉(zhuǎn)換時間，然后延遲一段時間顯示數(shù)據(jù)，最后將積分器的電壓放掉，準備下一次積分，所以設(shè)置了時序電路。時序電路包括：T1模數(shù)轉(zhuǎn)換時間、T2

5、延時顯示時間和T3清除時間,A/D轉(zhuǎn)換器選用AD0809。第三部分顯示電路。顯示器件用LED，將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的信號輸入用單片機，通過驅(qū)動LED來顯示。被測信號取樣電路電流，電壓隔離電路電壓跟隨積分電路電子模擬開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換電路單片機顯示電路3 系統(tǒng)原理框圖：圖 3 微小電流測量儀電路的原理框圖4 安裝、調(diào)試電路41 單元電路安裝調(diào)試電路設(shè)計好之后，便可進行安裝、調(diào)試。通常應該是插接一個單元的電路、檢查無誤、通電調(diào)試，通過之后再進行下一個單元電路的插接、檢查和調(diào)試。在面包板上安裝集成電路芯片時要注意管腳上網(wǎng)排列方向、管腳不能彎曲；外界元器件要注意根據(jù)電路原理圖各部分的功能，確定其在面包板上的

6、位置，按照信號的流向，將元器件順序連接，以易于調(diào)試；連接導線要求緊貼在面包板上，避免接觸不良，裸線部分大約0.5毫米左右，直接插入面包板的插孔中；器件和導線不允許跨接在接觸芯片上，一般從芯片周圍通過，盡量做到橫平豎直，這樣便于檢查和更換元器件；還要特別注意的是，各組電源之間要共地。42 整機調(diào)試全部電路調(diào)通之后要進行整機調(diào)試，進行電路性能、參數(shù)的測試。一般分為3步：第一步系統(tǒng)調(diào)零。方法是：將取樣電路輸入端懸空，不接輸入信號，用示波器觀察積分電路的輸出信號或者通過數(shù)字電壓表測量輸出信號。若電路輸入為零，輸出不為零，應該調(diào)整調(diào)零電路，使其輸出為零。第二步是定標，將一個已知電路輸入到取樣電路的輸入端

7、，測量積分電路的輸出或者通過數(shù)字電壓表觀察輸出信號。方法是：取一個10K標準電阻，一端接在1.5V電壓上，另一端接入取樣電路的輸入端，根據(jù)歐姆定律，可知被測電流應為150uA，所以電路的輸出應顯示150uA。若測量值不是150uA，應該調(diào)整測量電路的放大倍數(shù)。第三步是測量并且記錄各點波形。將被測石英鐘信號接入測量電路的輸入端，此時電路的輸出顯示即是被測信號的準確值，循著信號的流向，用示波器分別測量各點波形。注意觀察波形的幅值、形狀、相位關(guān)系5 提高性能的措施要測量微電流，放大器必須降低噪聲、提高性能，除了選擇高性能運算放大器，我們采取了以下措施。51 降低運算放大器的工作溫度由運算放大器的溫度

8、特性可知，溫度每升高1O，運算放大器的偏置電流將增加3倍，從而降低微電流測量的靈敏度和準確度。為此，盡可能降低電源電壓，增大負載電阻(大于10k)，以減小運算放大器的工作電流，降低工作溫度。52 不接運算放大器的平衡電阻實驗證明，在高內(nèi)阻電流源的微電流放大器中，運算放大器接平衡電阻不僅很難使輸入電阻平衡，反而增加電路噪聲，運算放大器同相端不接平衡電阻，而是直接接地53 減小PCB漏電流在微電流測量中，提高PCB的絕緣強度和減少漏電流非常重要。假設(shè)運算放大器的同相端與反相端的絕緣電阻為1OQ，通常認為該絕緣電阻已相當大了，但當輸入電壓為1V時，運算放大器同相端與反相端的漏電流將達到10pA，是I

9、CL7650偏置電流的7倍，嚴重影響電流的測量。為了減少PCB的漏電流，我們采取以下措施：選用漏電流遠小于pA級的高絕緣電路板，如環(huán)氧玻璃板；輸入信號采用絕緣好、不產(chǎn)生靜電，吸濕性小的聚四氟乙烯接線柱；在電路板上用接地屏蔽環(huán)將運算放大器的同相、反相輸入端被包圍起來，使其等電位，保證它們之間漏電流為零；電路安裝好后，清除殘留雜質(zhì)，元件、電路板作清潔、干燥、防潮處理。54 提高信噪比電阻選低噪聲的1 精度金膜電阻；電容選低噪聲的瓷介、云母或鉭電容；電源兩級LC濾波，降低噪聲；電源線盡量遠離輸入信號線；信號輸入線用盡量短的屏蔽電纜；在電源部分和放大器的輸出部分大面積敷銅，放大器的輸入部分大面積敷銅，與電源一點接地；整個微電流放大器用金屬屏蔽。6 小結(jié)本次設(shè)計了一個微小電