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CN105510674A - 一种微电流测量电路 - Google Patents

一种微电流测量电路 Download PDF

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Publication number
CN105510674A
CN105510674A CN201510860732.2A CN201510860732A CN105510674A CN 105510674 A CN105510674 A CN 105510674A CN 201510860732 A CN201510860732 A CN 201510860732A CN 105510674 A CN105510674 A CN 105510674A
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CN
China
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operational amplifier
measuring circuit
follower
resistors
current
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Pending
Application number
CN201510860732.2A
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English (en)
Inventor
陈灵聪
宋翔鹰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SHANGHAI LEICI ENVIRONMENTAL ENGINEERING Co Ltd
INESA SCIENTIFIC INSTRUMENT CO Ltd
Original Assignee
SHANGHAI LEICI ENVIRONMENTAL ENGINEERING Co Ltd
INESA SCIENTIFIC INSTRUMENT CO Ltd
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0092—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring current only

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Abstract

本发明一种微电流测量电路，具体指一种电化学仪器等的微电流测量电路，涉及微弱电信号的检测技术领域。本发明包括电阻器R1、R2、R3、R4、R5、R6、等效RX，第一运算放大器U1，第二运算放大器U2和切换开关S及电源作电的连接；第一运算放大器U1分为两路运放U1A和U1B；由电阻器R1、R2、R3、R4与第一运算放大器U1A构成加法器；第一运算放大器U1B为第一跟随器，第二运算放大器U2为第二跟随器；等效RX位于Ua和Ub之间；切换开关S1一端与Ub端连接，另一端与R5或R6连接。本发明在采用单电源供电，低功耗的器件时，在便携式仪器中具有广阔的应用前景。

Description

一种微电流测量电路
技术领域
本发明涉及微弱电信号的检测技术领域，具体指一种电化学仪器等的微电流测量电路。
背景技术
随着科技发展，极限条件下的试验测量已成为进一步认识大自然的重要手段，这些试验中测量的都是一些非常弱的物理量，比如弱磁、弱声、弱光、弱振动、弱生物信号等，由于这些微弱的信号一般都是通过传感器进行I/V电量转换，使待测的弱信号转换成电信号。实际测量时，噪声和干扰无法回避，影响了测量的灵敏度和准确度。
在以研究测量pA级电流为目的，开发设计出精度为0.5级的微电流测量仪，测量的最小范围为1pA，对于pA级电流测量，测量电路无法直接捕获电流信号，需要进行I/V转换。对于转换后的电压信号需进行进一步的放大，否则会被运算放大器的失调电压、偏置电流这些直流信号干扰。问题在于，在放大捕获待测信号的同时，工频干扰、噪声、电路失调等杂质信号也同时被放大，所以需要设计出相关的后续电路加以过滤、去除。一般对于工频干扰，通过采取屏蔽、滤波即可。而对于电路失调等这些直流杂质信号的消除，成为新的研究课题。
发明内容
本发明的目的在于消除杂波、干扰源信号，以达到精确稳定测量微弱电流，提出一种微电流的测量电路。
本发明基于传统的I/V转换电路随着微电流的测量，会因增大反馈电阻，引起噪声，引起运放的失调，增加测量的误差，而采用加法器原理，将产生微弱电流直接流过大电阻产生对应的电压，然后经过一个微电流跟随器，达到了较好的测量效果。
本发明一种微电流的测量电路工作原理(如附图1所示)简述如下：
一种微电流的测量电路，包括电阻器R1、R2、R3、R4、R5、R6、等效RX，第一运算放大器U1，其中U1分为两路运放U1A和U1B，第二运算放大器U2和切换开关S1及电源作电路连接。
所述RX为待测量电路的等效电阻器。
首先，根据加法器原理，由电阻器R1、R2、R3、R4和第一运算放大器U1A构成加法器。
所述电阻器R1、R2用以决定放大电路的电压控制增益，当R1＝R2＝R3＝R4时，第一运算放大器U1A的输出Ua＝Ui+Uc。
第一运算放大器U1B为第一跟随器，Ub为第一跟随器的输入，Uc为第一跟随器的输出，则Uc＝Ub。
其次，等效RX位于Ua与Ub之间。根据电流电势的流向原理，等效电阻器RX的电流由Ua流向Ub，电流为Iab，根据欧姆定律Iab＝(Ua-Ub)/RX，从上述得知Ua＝Ui+Uc、Ub＝Uc；则Iab＝Ui/RX。
第二运算放大器U2为第二跟随器，Ub为第二跟随器的输入，Uo为第二跟随器的输出。
根据跟随器原理Uo＝Ub。根据欧姆定律Ub＝Iab*R6；所以Uo＝Iab*R6；根据上述Iab＝Ui/RX，则Uo＝Ui/RX*R6。
再次，根据测量的量程设置切换开关S1，切换开关S1一端与Ub端连接，另一端与R5或R6连接。
根据Ui和RX的选择可以产生很微小的电流，流经R6，根据R6的值测量Uo可以准确测量Iab。
根据运放LMC6001的特点，它最大Ib才为25fA，电流输入噪声才0.13fA/√Hz，能够准确检测pA级的电流检测。
综上所述，本发明一种微电流的测量电路，采用加法器原理，将产生微弱电流直接流过大电阻产生对应的电压，然后经过一个微电流跟随器，达到了较好的测量效果。
附图说明
图1为本发明一种微电流的测量电路原理图；
图2为本发明实施例1pA测试的效果图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述
实施例，在微量溶解氧中应用测量电路，包括电阻器R1、R2、R3、R4、R5、R6、等效RX，第一运算放大器U1，第二运算放大器U2和切换开关S1及电源作电路连接。
其中，
第一运算放大器U1分为两路运放U1A和U1B，
由电阻器R1、R2、R3、R4与第一运算放大器U1A构成加法器。
第一运算放大器U1B为第一跟随器，输入端为Ub，输出端为Uc。
第二运算放大器U2为第二跟随器，输入端为Ub，输出端为Uo。
切换开关S1一端与Ub端连接，另一端与R5或R6连接。
其中，Ui从600到800mV；
电阻器R1＝R2＝R3＝R4，阻值从10KΩ到1MΩ；电阻器R6，阻值从100KΩ到10GΩ，电源VCC，电压3.3V到15V。
Ua和Ub引出两个接线端子，其中，Ua端子接微量溶解氧电极的阳极，Ub端子接微量溶解氧电极的阴极；等效RX被微量溶解氧电极所替换。
当微量溶解氧电极产生的微弱电流流经电阻器R6，检测Uo便可进行微量溶解氧电流Iab的检测。
根据Iab＝Uo/R6，Ui＝1mV，R5＝R6＝1GΩ；检测Uo＝1mV，换算Iab＝1pA。
其效果(如附图2所示)。
综上所述，本发明一种微电流测量电路，基于加法器原理，将产生微弱电流直接流过大电阻产生对应的电压，然后经过一个微电流跟随器等的电路连接。采用单电源供电，选用普通的低功耗的器件，在便携式仪器中具有广阔的应用前景。

Claims (3)

1.一种微电流的测量电路，其特征在于，包括电阻器R1、R2、R3、R4、R5、R6、等效RX，第一运算放大器U1，第二运算放大器U2和切换开关S1及电源作电的连接；
其中，第一运算放大器U1分为两路运放U1A和U1B；
由电阻器R1、R2、R3、R4与第一运算放大器U1A构成加法器；
第一运算放大器U1B为第一跟随器，第二运算放大器U2为第二跟随器；
切换开关S1一端与Ub端连接，另一端与R5或R6连接。
2.如权利要求1所述的一种微电流的测量电路，其特征在于，
所述第一跟随器的输入端为Ub，输出端为Uc；
所述第二跟随器的输入端为Ub，输出端为Uo；
所述等效RX位于Ua和Ub之间；
所述电阻器R1、R2用以决定放大电路的电压控制增益，当R1＝R2＝R3＝R4时，第一运算放大器U1A的输出Ua＝Ui+Uc。
3.如权利要求1、2所述的一种微电流的测量电路，其特征在于，所述电阻器R1＝R2＝R3＝R4，阻值：10KΩ到1MΩ；
所述电阻器R5，R6阻值：100KΩ到10GΩ；
所述等效RX为待测量电路的等效电阻器；
所述电源VCC，电压值：3.3V到15V；
所述第一运算放大器U1，第二运算放大器U2，选择Ib较小符合fA级要求；
所述切换开关S1采用SW-SPDT。
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