一種用于檢測(cè)微弱電流的電流積分型i-f變換電路

一種用于檢測(cè)微弱電流的電流積分型i-f變換電路

事實(shí)上，我們通常需要檢測(cè)一些不充滿(mǎn)的電壓。這些信號(hào)是na和u級(jí)弱電流信號(hào)，以及具有m和iv級(jí)弱電壓信號(hào)的電壓信號(hào)，如電氣裝置中的弱電壓信號(hào)。這些信號(hào)不能被普通的測(cè)量工具識(shí)別。因此，有必要對(duì)測(cè)量信號(hào)的操作進(jìn)行放大或更改，然后測(cè)量。在本文中，我們介紹了幾種傳統(tǒng)的檢測(cè)方法和弱電流的優(yōu)點(diǎn)，然后詳細(xì)介紹了i-f轉(zhuǎn)換電路的工作原理和電路設(shè)計(jì)。1一般測(cè)量法的弱電流檢測(cè)1.1輸出電壓檢測(cè)算法反饋式電流放大型,其過(guò)程是先將輸入電流通過(guò)運(yùn)放轉(zhuǎn)換成與電流成正比的電壓,再將直流電壓轉(zhuǎn)換成與之稱(chēng)正比的頻率信號(hào),其核心是I/V變換,原理如圖1所示,電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單但由于輸出電壓VO=-IiRf,當(dāng)電流過(guò)小時(shí),為了能檢測(cè)出輸出電壓,Rf,取值必然會(huì)很大,Rf過(guò)大會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題:第一,電阻值過(guò)大,穩(wěn)定性差、老化系數(shù)大、噪聲大,容易產(chǎn)生干擾信號(hào),當(dāng)這些干擾信號(hào)同樣被放大后,可能造成有用信號(hào)無(wú)法從輸出信號(hào)中正確的提取出來(lái).第二,理想運(yùn)放的輸入電阻認(rèn)為是無(wú)窮大,這樣流入運(yùn)放的電流IB=0,由于運(yùn)放的輸入電阻并不是無(wú)窮大,當(dāng)Rf過(guò)大的時(shí)候,這樣就不能認(rèn)為IB=0,即這時(shí)Ii會(huì)被分流,與測(cè)量原理相悖,第三,過(guò)大的反饋電阻近似使運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)放大狀態(tài),這樣線(xiàn)性范圍變小,使得調(diào)零很困難.1.2積分電容種類(lèi)對(duì)電路工作特性的影響電流積分型I/F變換是在反饋回路中接了高穩(wěn)定的積分電容,構(gòu)成了一個(gè)密勒積分器.輸入電流通過(guò)對(duì)電容充電,將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成鋸齒波型的電壓信號(hào),再將電壓轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào),該電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,調(diào)試?yán)щy,但是由于電路中采用的是積分電容,其溫度系數(shù)為0.02/℃,比高阻值電阻的溫度系數(shù)低一個(gè)數(shù)量級(jí),因此其穩(wěn)定性比電流放大型要好,另外由于積分器是是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)電流的積分,所以對(duì)噪聲和外在干擾有很好的抑制能力.2放電放電回路復(fù)位式I-F轉(zhuǎn)換電路的組成框圖如圖2所示,電路由積分器和比較器組成,K為模擬電子開(kāi)關(guān),可以由三極管或場(chǎng)效應(yīng)管組成.由于輸入電流可能是雙極性電流,所以比較器的參考電壓可以通過(guò)跳線(xiàn)設(shè)置成可正可負(fù)的電壓.設(shè)輸出電壓V3為高電平時(shí)模擬電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi),V3為低電平時(shí)K閉合,當(dāng)電源接通時(shí),電容C上電壓為零,假設(shè)此時(shí)比較器的UREF為負(fù),則V2輸出為低電平觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器,輸出具有一定寬帶T和幅度的脈沖V3使模擬開(kāi)關(guān)K處于斷開(kāi)狀態(tài),積分器對(duì)電流I積分,V1逐漸減小(此時(shí)認(rèn)為電流是流進(jìn)集成運(yùn)放,V1為負(fù)值),當(dāng)減小到低于UREF時(shí),V2將從低電平轉(zhuǎn)換到高電平,此時(shí)單穩(wěn)輸出狀態(tài)V3由高電平變?yōu)榈碗娖?模擬開(kāi)關(guān)K處于閉合狀態(tài),此時(shí)對(duì)C來(lái)說(shuō)形成放電回路,C迅速放電至零,V1=0;V2又變?yōu)榈碗娖接|發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器,輸出具有一定寬帶T和幅度的脈沖V3使模擬開(kāi)關(guān)K處于斷開(kāi)狀態(tài),開(kāi)始重復(fù)上述過(guò)程.電路產(chǎn)生振蕩波形如圖3所示.I越大,V1從零變化到UREF所需的時(shí)間越短,振蕩頻率越高.因此,f的高低就表示了I的大小當(dāng)輸入電流為負(fù)時(shí)(I流出集成運(yùn)放方向),通過(guò)跳線(xiàn)將UREF設(shè)置為正電壓即可,所以該電路可完成雙極性電流的放大轉(zhuǎn)換.3電路設(shè)計(jì)3.1電壓比較器擔(dān)保積分器電路設(shè)計(jì)如圖4所示,當(dāng)輸入電流I=0,且模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi),輸出IK=0時(shí),積分器的輸出V1電壓,V1=0;當(dāng)輸入電流I不為零,由于所選擇的運(yùn)放的輸入電阻足夠大,運(yùn)放不對(duì)輸入電流I分流,電流全部經(jīng)過(guò)積分器電容C,此時(shí),積分器輸出端電壓V1隨時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng),即V1=It/C(t為積分時(shí)間)輸入電流對(duì)電容積分器的電容正向充電,輸出電壓V1逐漸增加,當(dāng)V1達(dá)到電壓比較器的閾值電壓時(shí)候,電壓比較器輸出狀態(tài)V2會(huì)發(fā)生改變(由高電平到低電平,或者由低電平到高電平),此時(shí)當(dāng)輸出電平于單穩(wěn)有效時(shí),單穩(wěn)觸發(fā)并開(kāi)始工作,單穩(wěn)輸出具有一定寬帶T和幅度的脈沖V3,該脈沖控制模擬電子開(kāi)關(guān),使其產(chǎn)生電流IK,電流IK對(duì)積分電容反向充電,V1下降,從而使得使電壓比較器恢復(fù)到初始狀態(tài).即新的積分周期重新開(kāi)始,積分周期由正向充電時(shí)間和電流源電流的反向充電時(shí)間決定,由于反向充電電流比輸入電流大很多,所以,反向充電時(shí)間近似由反向充電電流決定(IK>>I),反向充電時(shí)間比正向充電時(shí)間短的多.要讓電壓比較器回到初始狀態(tài),必須讓反向充電的電量和正向充電的電量相等.在正常工作條件下,電容C的充放電應(yīng)保持平衡.即每秒鐘給C的充電電荷等于C*UREF(UREF為電壓比較器的閾值電壓)即輸入電流I;單穩(wěn)輸出的脈沖幅度為V3,寬度為T(mén),則在一個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)所帶的電荷Q=T*IK(IK=V3/R7為模擬開(kāi)關(guān)中的電流),即每次放電Q,故在平衡時(shí),有C*UREF=IC*UREF=T*IK=T*V3/R7由上式可得f=1/T=V3/(C*UREF*R7)=V3/(I*R7)3.2特性u(píng)ref電壓比較器的電路組成如圖5所示.圖中VCC和-VCC為極性選擇所需,由于輸入電流可能是正極性,也可能是負(fù)極性,比如說(shuō)電離室如果采用正高壓供電時(shí),其輸出電流為正,采用負(fù)高壓供電時(shí),輸出電流為負(fù),為了滿(mǎn)足這種需要,比較器的參考電壓UREF設(shè)置為可正可負(fù),這個(gè)可以保證比較器的輸出狀態(tài)為一個(gè)極性,有利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì).圖中UREF為參考電壓,DZ為輸出保護(hù)電路,由背靠背的兩個(gè)穩(wěn)壓值相同的穩(wěn)壓二極管組成,防止輸出V2電平過(guò)大,對(duì)下級(jí)電路產(chǎn)生影響,R6為限流電阻,保證穩(wěn)壓管能工作在穩(wěn)壓狀態(tài).當(dāng)輸入電壓V1增到UREF,時(shí),電壓比較器的輸出V2電平為低,此時(shí)單穩(wěn)觸發(fā)器產(chǎn)生一脈沖使開(kāi)關(guān)閉合,積分電容放電,導(dǎo)致V1下降,當(dāng)V1下降至UREF時(shí),電壓比較器的輸出V2電平變?yōu)楦唠娖?單穩(wěn)觸發(fā)器輸出狀態(tài)改變使開(kāi)關(guān)斷開(kāi).比較器的UREF為UREF=R4*k+R5R3+R4+R5*VCCUREF=R4*k+R5R3+R4+R5*VCC或者UREF=R4*k+R5R3+R4+R5*(?VCC)UREF=R4*k+R5R3+R4+R5*(-VCC)(k為電阻R4的接入系數(shù))3.3下降沿沿發(fā)力單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖6所示采用集成電路,使用時(shí)候只需要很少的外接元件和連線(xiàn),而且器件內(nèi)部電路還附加了上升沿與下降沿觸發(fā)的控制和置零等功能使用方便.當(dāng)下降沿來(lái)臨時(shí)觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器,觸發(fā)器輸出一定脈寬的電壓去控制模擬電子開(kāi)關(guān).3.4單穩(wěn)觸發(fā)器被觸發(fā)開(kāi)關(guān)電路由PNP三極管T和R7組成,電路如圖7所示.當(dāng)V2輸出低電平時(shí),單穩(wěn)觸發(fā)器被觸發(fā),輸出一定脈寬的脈沖高電壓V3,T飽和導(dǎo)通相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合,積分電容通過(guò)T、R7放電,當(dāng)V2輸出高電平時(shí),單穩(wěn)觸發(fā)器輸出V3為低電平,此時(shí)三極管T處于截止?fàn)顟B(tài),相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi),輸入電流對(duì)電容充電.4性能試驗(yàn)1特性t脈沖電壓的測(cè)量μA,取C=10pF,當(dāng)電容兩端電壓V1到達(dá)電壓比較器的上限閾值U+(取300mV)時(shí),比較器輸出一個(gè)負(fù)跳變脈沖,由V1=It/C(t為積分時(shí)間),可算出t=16μs.同時(shí)比較器產(chǎn)生的負(fù)跳變脈沖觸發(fā)了單穩(wěn)觸發(fā)器,觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)正脈沖,此時(shí)模擬開(kāi)關(guān)T飽和導(dǎo)通相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合,積分電容通過(guò)T、R7放電,積分電容兩端的電壓開(kāi)始下降,當(dāng)下降到電壓比較器的閾值電壓以下時(shí),電壓比較器回到了起始狀態(tài),整個(gè)過(guò)程中電容器兩端電壓的變化應(yīng)該為:V1=△UC=△Q/C=(I-IT)tk/C取I=5μA,C=10pF,模擬開(kāi)關(guān)輸出的電流IT=15μA,△UC為電容器兩端電壓的變化,△V1=-300mV,代入上式可以求得脈沖作用時(shí)間或者電容器放電的時(shí)間tk=4μs,所以整個(gè)脈沖電壓周期為T(mén)=t+tk=16μs+4μs=20μs,這樣被測(cè)電流I(5μA)就被變換為頻率f=50kHz的脈沖電壓(觸發(fā)器產(chǎn)生的電壓脈沖),在此電路參數(shù)下,當(dāng)I=0.5μA時(shí),可以得到頻率f=5kHz的脈沖電壓.按照同樣的方法,不同的輸入電流能轉(zhuǎn)換成不同的頻率信號(hào).2積分器輸出電壓的線(xiàn)性關(guān)系電容積分器兩端的電壓變化也是對(duì)于弱電流轉(zhuǎn)換的的關(guān)鍵元素,只有當(dāng)積分器兩端的電壓變化成很好的線(xiàn)性關(guān)系時(shí)候,后續(xù)電壓比較器、單穩(wěn)觸發(fā)器才能穩(wěn)定的工作,積分器的輸入電流和輸出電壓的線(xiàn)性關(guān)系如下圖所示:從所得數(shù)據(jù)來(lái)看,基本成線(xiàn)性關(guān)系,如果將積分電容和電阻選的更精確,線(xiàn)性度會(huì)更好.3溫度設(shè)定的影響把整個(gè)系統(tǒng)放在加熱恒溫器中,將溫度控制在(50±1)℃,將輸入端連接至電離室時(shí),從示波器上能看到穩(wěn)定頻率波形,但將溫度升高到(70±1)℃時(shí),示波器上的頻率波形開(kāi)始出現(xiàn)不規(guī)則的抖動(dòng),分析其原因是因?yàn)榉e分電容在此溫度時(shí)其數(shù)值開(kāi)始不太穩(wěn)定.因此該系統(tǒng)適合使用在常溫下使用,最高溫度不能超過(guò)70℃.5濾波電容的選用1)電源去耦.通常情況下,儀器的直流供電是公用電源.這樣各單元電路之間通過(guò)公用直流電源會(huì)產(chǎn)生一些寄生耦合、干擾等,因此,設(shè)計(jì)中在每個(gè)單元的正負(fù)電源端串接了RC退耦濾波電路,濾波電阻要適當(dāng)?shù)倪x取,大阻值電阻退耦濾波效果好,但是也消耗了大部分電源電壓,降低了器件的供電電壓,從而影響了動(dòng)態(tài)范圍和輸出,因此,選用的器件工作電壓比輸出的額定電壓值高3~5V.濾波電容選用的時(shí)100pF電解電容,對(duì)低頻、中頻、高頻的濾波效果都比較理想.2)噪聲處理.本設(shè)計(jì)中,運(yùn)放的同相端對(duì)地接了一平衡電阻.理論上,該電阻的阻值等于反饋電阻與微弱電流源內(nèi)阻的并聯(lián)值,但是由于電流源的內(nèi)阻很大而且隨被測(cè)物的變化而變化,因此,平衡電阻很難達(dá)到真正的平衡,同時(shí)大阻值電阻也增加了電阻的噪聲,故在設(shè)計(jì)中,去掉了平衡電阻,直接將同相端接地,實(shí)際使用的效果比有平衡電阻時(shí)更好.另外,反饋電容C起積分的作用,也有抑制或平滑噪聲干擾的作用.C越大,抑制噪聲的能力越好,但也增大了輸入時(shí)間常數(shù),降低了測(cè)量的速度.設(shè)計(jì)時(shí),經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)踐來(lái)選擇反饋電容.3)該設(shè)計(jì)中所用的集成運(yùn)放都是選擇精密儀表放大器INA114,其偏置電壓只有50μV,具有高輸入阻