微小电流测量仪器的设计

微小电流测量仪器的设计本系统设计要求：设计一微小电流测量仪，可将较小电流以数字的方式直观、准确的显示出来。被测信号是石英钟平均功耗电流，是一微小的不规则的电流。测量范围：0-200μA。1设计分析：被测信号如图1所示。石英电子钟的整机功耗包括两部分：一部分是石英钟集成电路的功耗；另一部分是步进电机的功耗。石英钟集成电路包括：振荡器、分频器、窄脉冲形成器、驱动器等。由驱动电路输出的脉冲信号，输入到步迸电机线圈绕组时，产生转位力矩，推动电机转子转动。测量一个电路的电流，通常可以用直流或交流电流表直接测量。但是对于测量石英钟脉动的电流，例如测量石英电子钟整机功耗这样的微安级电流，就不能简单地将电流表串入电路中去测量，而需要一套将被测信号转换成可以直接测量并用数字直观地显示出来的电路。图1被测信号微小电流测量电路由数据采集转换电路、功能控制系统及显示电路三部分组成。2方案论证与设计：微小电流测量电路系统包括三个部分：（1）数据采集转换电路、（2）功能控制系统、（3）显示电路。整个系统框图如图2。图2整个系统框图图2整个系统框图被测信号数据采集转换电路显示电路功能制系统1第一部分是数据采集转换电路。本部分包括的电路有取样电路、电子模拟开关、隔离电路、积分电路、A／D转换电路。1、取样电路是将被测的电流信号转换成电压信号，并对微小信号进行放大。该电路应有调零和调增益的功能，以取出的信号不失真为最好。方案：采用采样保持器LF398AH。2、电子模拟开关相当于一扇门。开门时，数据通过；关门时，数据不能通过。开、关门的控制信号由数据选择端控制。由取样控制电路提供开门时间，采用芯片CD4051BCM，其直流供电电压(VDD)−0.5伏直流电+18伏直流电，输入电压−(VIN),每升1级+0.5VDD0.5VDC伏直流电。3、隔离电路将前、后级的电路隔开，提高电路带负载能力，使后一级的输入信号不影响前一级的输出。方案：采用电压跟随器电路，显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低即可以起到隔离的作用。4、积分电路其作用是取2秒内被测信号的平均值，要求有调零功能，输出信号电压应小于2V。方案：可以采用集成运放的积分电路。该电路和反相比例放大电路的不同之处在于用电容代替反馈电阻，利用“虚地”概念，可知输出信号与输入信号成积分关系。理想积分器表达式为：01UUidtRC积分之后，应保持一定时间，以供A/D转换只用，然后再将积分器上的电压放掉，以备下一次测量之用。第二部分功能控制系统.时序信号发生器要求产生方波信号，即时序信号发生器输出f=0.25Hz、T=4s的信号。采用石英晶体振荡器输出频率稳定性好，精度高。因为积分电路的信号要送到A/D转换，A/D转换器需要转换时间，然后延迟一段时间显示数据，最后将积分器的电压放掉，准备下一次积分，所以设置了时序电路。时序电路包括：T1模数转换时间、T2延时显示时间和T3清除时间,A/D转换器选用AD0809。第三部分显示电路。显示器件用LED，将A/D转换器输出的信号输入用单片机，通过驱动LED来显示。3系统原理框图：图3微小电流测量仪电路的原理框图被测信号取样电路电流，电压隔离电路电压跟随积分电路电子模拟开关A/D转换电路单片机显示电路24安装、调试电路4．1单元电路安装调试电路设计好之后，便可进行安装、调试。通常应该是插接一个单元的电路、检查无误、通电调试，通过之后再进行下一个单元电路的插接、检查和调试。在面包板上安装集成电路芯片时要注意管脚上网排列方向、管脚不能弯曲；外界元器件要注意根据电路原理图各部分的功能，确定其在面包板上的位置，按照信号的流向，将元器件顺序连接，以易于调试；连接导线要求紧贴在面包板上，避免接触不良，裸线部分大约0.5毫米左右，直接插入面包板的插孔中；器件和导线不允许跨接在接触芯片上，一般从芯片周围通过，尽量做到横平竖直，这样便于检查和更换元器件；还要特别注意的是，各组电源之间要共地。4．2整机调试全部电路调通之后要进行整机调试，进行电路性能、参数的测试。一般分为3步：第一步系统调零。方法是：将取样电路输入端悬空，不接输入信号，用示波器观察积分电路的输出信号或者通过数字电压表测量输出信号。若电路输入为零，输出不为零，应该调整调零电路，使其输出为零。第二步是定标，将一个已知电路输入到取样电路的输入端，测量积分电路的输出或者通过数字电压表观察输出信号。方法是：取一个10K标准电阻，一端接在1.5V电压上，另一端接入取样电路的输入端，根据欧姆定律，可知被测电流应为150uA，所以电路的输出应显示150uA。若测量值不是150uA，应该调整测量电路的放大倍数。第三步是测量并且记录各点波形。将被测石英钟信号接入测量电路的输入端，此时电路的输出显示即是被测信号的准确值，循着信号的流向，用示波器分别测量各点波形。注意观察波形的幅值、形状、相位关系5提高性能的措施要测量微电流，放大器必须降低噪声、提高性能，除了选择高性能运算放大器，我们采取了以下措施。5．1降低运算放大器的工作温度由运算放大器的温度特性可知，温度每升高1O℃，运算放大器的偏置电流将增加3倍，从而降低微电流测量的灵敏度和准确度。为此，尽可能降低电源电压，增大负载电阻(大于10k)，以减小运算放大器的工作电流，降低工作温度。5．2不接运算放大器的平衡电阻实验证明，在高内阻电流源的微电流放大器中，运算放大器接平衡电阻不仅很难使输入电阻平衡，反而增加电路噪声，运算放大器同相端不接平衡电阻，而是直接接地5．3减小PCB漏电流在微电流测量中，提高PCB的绝缘强度和减少漏电流非常重要。假设运算放大器的同相端与反相端的绝缘电阻为1OQ，通常认为该绝缘电阻已相当大了，但当输入电压为1V时，运算放大器同相端与反相端的漏电流将达到10pA，是ICL7650偏置电流的7倍，严重影响电流的测量。3为了减少PCB的漏电流，我们采取以下措施：选用漏电流远小于pA级的高绝缘电路板，如环氧玻璃板；输入信号采用绝缘好、不产生静电，吸湿性小的聚四氟乙烯接线柱；在电路板上用接地屏蔽环将运算放大器的同相、反相输入端被包围起来，使其等电位，保证它们之间漏电流为零；电路安装好后，清除残留杂质，元件、电路板作清洁、干燥、防潮处理。5．4提高信噪比电阻选低噪声的1精度金膜电阻；电容选低噪声的瓷介、云母或钽电容；电源两级LC滤波，降低噪声；电源线尽量远离输入信号线；信号输入线用尽量短的屏蔽电缆；在电源部分和放大器的输出部分大面积敷铜，放大器的输入部分大面积敷铜，与电源一点接地；整个微电流放大器用金属屏蔽。6小结本次设计了一个微小电流测量仪，可将较小电流以数字的方式直观、准确的显示出来本次本设计体现出了“用软件实现硬件”的思想。利用单片机的强大功能配以多种外围电路实现了测量的目的。在实际应用中应该有很大的市场，比较适合测量微小电流测量范围：0~200μA。总的电路图图4多模块电路4图5数码显示和A/D转换电路图