CN103592499B - 一种高可靠性多通道nA级微电流传输设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道nA级微电流传输设计方法，特征是包括如下步骤：屏蔽保护与无缝连接设计步骤，以保证微电流信号不受外界干扰，该步骤包括整个微电流回路进行全屏蔽、选取双屏蔽电缆作为连接电缆、选取双屏蔽接头与选取接线式继电器；PCB板设计步骤，以保证回路信号的独立性，不受开关信号的影响，该步骤包括在印刷板上，将整个微电流测试通路进行悬空，以保证隔离漏电流的干扰；c分层设计步骤，将高压回路和微电流检测回路相分离。本发明不仅保证了微电流的正常传输，而且成功的解决了在最高1000Vdc电压下进行1TΩ的宇航级电容的绝缘电阻测试难题，可广泛适用于民品级、军品级、宇航级电容的绝缘电阻的测量。

Description

一种高可靠性多通道nA级微电流传输设计方法

技术领域

本发明涉及一种多通道nA级微电流传输设计方法。

背景技术

科学研究、教学实验、生产实践中存在着大量的直流微弱电流信号。随着现代电子技术和测量技术的不断发展，微弱电流的测量已经变得越来越重要。微电流测量极易受到周围环境和电路自身产生的噪声影响，在传统的概念中，为降低弱电回路的干扰，宜采用带屏蔽层的信号线，且屏蔽层应两端接地，并且微电流的长距离、多路的传输也为现今的设计提出新的难题。

现有的测试技术为PCB板绝缘性能够达到微电流不受干扰的指标。通道间绝缘大于1GΩ，最大供电电压为300Vdc，微电流测试指标uA，与nA级的微电流测试相差2个数量级。原有的微电流测试不需考虑通道的绝缘性以及开关继电器的绝缘性，由于电流信号的足够大，就避免了外界干扰，以及通道本身的绝缘性不够而造成的误差。现有技术中多路微电流检测的指标及框图如图1所示，整个多路微电流检测针对电容的绝缘电阻指标只能达到1Ω～1GΩ，这样的测试指标制约了更高级别的电容筛选要求，远远满足不了宇航级电容检测的标准。

上述现有技术存在以下缺点：

1、多路微电流检测指标低，限制电容的检测级别。

现有的电容绝缘电阻检测和筛选自动测试***指标较低，只能针对民品级的电容进行筛选，完全达不到宇航级甚至军品级电容筛选的标准，制约了生产厂家和试用厂家对电子元器件筛选和检测的发展，并且筛选效率低下。

2、单路微电流检测指标可满足要求，但不能形成多路的微电流检测，以便进行自动测试。

现有的技术基础为电容生产厂家和试用厂家基本以手动检测电容的绝缘电阻为主，不存在自动测试和筛选的***，只能对大批量的元器件逐一进行测试，浪费时间且由手动测试引入测试误差，制约这一测试的就是微电流检测的技术瓶颈。

发明内容

本发明的任务在于提供一种多通道nA级微电流传输设计方法，用以保证微电流回路在电容巡测和筛选过程中的测试正常，能够将测试***的电流测试数量级提高到nA级，并且解决了电容高绝缘电阻的巡测难题。

其技术解决方案是：

一种多通道nA级微电流传输设计方法，包括如下步骤：

a屏蔽保护与无缝连接设计步骤，以保证微电流信号不受外界干扰；其具体包括：

a1整个微电流回路进行全屏蔽；

a2选取双屏蔽电缆作为连接电缆，以实现多层保护，使微电流受外界干扰减小到最小；

a3选取双屏蔽接头，与上述双屏蔽电缆保持一致，使微电流传输过程中做到无缝连接，以保证回路不受材质绝缘性的漏电流的干扰；

a4选取接线式继电器，接线式继电器的接头为SMA接头，以保证整个微电流传输过程为浮地设计，并且整个继电器的外层进行全屏蔽设计；

bPCB板设计步骤，以保证回路信号的独立性，不受开关信号的影响；其具体包括：

b1在印制板的选材上采用高绝缘性的材料聚四氟乙烯，其绝缘特性10¹⁴Ω，温度适应性为-70℃～200℃，并通过增加电路走线之间宽度的方式来满足高绝缘电阻的测试，减少通路之间的电流干扰；

b2在印刷板上，将整个微电流测试通路进行悬空，以保证隔离漏电流的干扰；

c分层设计步骤，将高压回路和微电流检测回路相分离。

上述多通道nA级微电流传输设计方法，还包括步骤：

d接地设计步骤，在测试仪器中测试接头采用双屏蔽设计，即GURAD和GND两种屏蔽都进行接地设计，以提高信号的屏蔽效果，包括双屏蔽电缆、双屏蔽接头、继电器在内都采用GURAD和GND两种屏蔽接地设计。

上述双屏蔽电缆选取TRi-179型三同轴电缆作为连接电缆，三同轴电缆包括内导体、绝缘、内编织层、内护套、外编织层与外护套。

上述接线式继电器选用体积小、绝缘电阻值高的干簧继电器，并由干簧继电器构成矩阵。

上述步骤a中，接线式继电器的一个SMA接头与一条双屏蔽电缆的一端连接，该双屏蔽电缆的另一端接有双屏蔽接头；接线式继电器的另一个SMA接头与另一条双屏蔽电缆的一端连接，该另一条双屏蔽电缆的另一端也接有双屏蔽接头。

上述多通道nA级微电流传输设计方法，还包括步骤：

e可对960只电容的微电流回路进行一一测试的设计步骤，用以对960路微电流信号进行切换，且不受干扰，使微电流的指标达到nA级，以保证宇航级电容的正常测试。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明能够保证微电流回路在电容巡测和筛选过程中的测试正常，与原有的电容测试***相比，本发明能将测试***的电流测试数量级提高到nA级，并且解决了电容高绝缘电阻的巡测难题。本发明不仅保证了微电流的正常传输，而且成功的解决了在最高1000Vdc电压下进行1TΩ的宇航级电容的绝缘电阻测试难题，可广泛适用于民品级、军品级、宇航级电容的绝缘电阻的测量。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步的说明：

图1为本发明中多路微电流检测原理示意框图。

图2为本发明中微电流回路屏蔽原理示意图。

具体实施方式

结合图1，一种多通道nA级微电流传输设计方法，包括如下步骤：

a屏蔽保护与无缝连接设计步骤，以保证微电流信号不受外界干扰；其具体包括：

a1整个微电流回路进行全屏蔽；

a2选取双屏蔽电缆作为连接电缆，以实现多层保护，使微电流受外界干扰减小到最小；

a3选取双屏蔽接头，与上述双屏蔽电缆保持一致，使微电流传输过程中做到无缝连接，以保证回路不受材质绝缘性的漏电流的干扰；

a4选取接线式继电器，接线式继电器的接头为SMA接头，以保证整个微电流传输过程为浮地设计，并且整个继电器的外层进行全屏蔽设计；

b.PCB板设计步骤，以保证回路信号的独立性，不受开关信号的影响；其具体包括：

b1在印制板的选材上采用高绝缘性的材料聚四氟乙烯，其绝缘特性10¹⁴Ω，温度适应性为-70℃～200℃，并通过增加电路走线之间宽度的方式来满足高绝缘电阻的测试，减少通路之间的电流干扰；

b2在印刷板上，将整个微电流测试通路进行悬空，以保证隔离漏电流的干扰；

c分层设计步骤，将高压回路和微电流检测回路相分离。

优选地，上述多通道nA级微电流传输设计方法，还包括步骤：

d接地设计步骤，在测试仪器中测试接头采用双屏蔽设计，即GURAD和GND两种屏蔽都进行接地设计，以提高信号的屏蔽效果，包括双屏蔽电缆、双屏蔽接头、继电器在内都采用GURAD和GND两种屏蔽接地设计。

优选地，上述双屏蔽电缆选取TRi-179型三同轴电缆作为连接电缆，三同轴电缆包括内导体、绝缘、内编织层、内护套、外编织层与外护套。

优选地，上述接线式继电器选用体积小、绝缘电阻值高的干簧继电器，并由干簧继电器构成矩阵。

优选地，结合图2，上述步骤a中，设置有继电器屏蔽层6的接线式继电器1的一个SMA接头与一条双屏蔽电缆2的一端连接，双屏蔽电缆2的另一端接有双屏蔽接头3。接线式继电器的另一个SMA接头与另一条双屏蔽电缆4的一端连接，双屏蔽电缆4的另一端也接有双屏蔽接头5。

优选地，上述多通道nA级微电流传输设计方法，还包括步骤：

e可对960只电容的微电流回路进行一一测试的设计步骤，用以对960路微电流信号进行切换，且不受干扰，使微电流的指标达到nA级，以保证宇航级电容的正常测试。

为了更好地理解本发明，进一步说明如下：

本发明在电容绝缘电阻测试中采用多路微电流检测技术。本发明提出包括双层屏蔽的保护设计方式，保证微电流信号不受外界干扰，采用无缝连接设计方式，保证回路不受材质绝缘性的漏电流的干扰，开关切换方面采用开关通同PCB隔离等设计方式，保证回路信号的独立性，不受开关信号的影响。每次可有24个采集回路，参看图1。

为了更好地满足宇航级电容检测的要求，主要表现在以下几个方面：

关于电子元器件的选择：

鉴于接口控制板对继电器绝缘电阻值的要求，选用体积小，绝缘电阻值高的干簧继电器构成矩阵。干簧继电器是一种具有密封触点的继电器，具有结构简单、体积小巧、动作快、触点寿命长、功耗小和可靠性高等优点，广泛应用于自动控制***的诸多领域，其优良的绝缘性能相较于其他类型继电器尤为突出，最高可达到10¹⁵Ω。根据市场上产品的情况，***拟选用绝缘电阻值为100TΩ的干簧继电器。

关于PCB板的材质选取：

在设计过程中我们将采取如下的措施，在底板的制作过程中，在印制板的选材上采用高绝缘性的材料聚四氟乙烯（其绝缘特性10¹⁴Ω，温度适应性为-70℃～200℃），通过增加电路走线之间宽度的方式来满足高绝缘电阻的测试，减少通路之间的电流干扰。

关于双屏蔽电缆：

选取TRi-179型三同轴电缆作为连接电缆即双屏蔽电缆，分为内导体、绝缘、内编织层、内护套、外编织层、外护套等多层进行保护，微电流受外界干扰减小到最小。

并且选取双屏蔽接头，与双屏蔽电缆保持一致，并且使微电流传输过程中做到无缝连接。

关于继电器改造：

将接线式继电器改造为焊接头，优选采用SMA接头。SMA接头全称是Small A Type，是一种用于电路中信号输入输出的接头，用以保证整个微电流传输过程为浮地设计，并且整个继电器的外层进行全屏蔽设计。

关于接地与屏蔽:

在测试仪器中测试接头试用双屏蔽设计，即GURAD和GND两种屏蔽都进行接地设计，以提高信号的屏蔽效果，这里的传输通道，包括双屏蔽接头，双屏蔽电缆，继电器等都采用GURAD和GND两种屏蔽接地设计。GURAD是指双层屏蔽的内部屏蔽层，屏蔽层都会同地相接，称中间地。

浮地屏蔽的实质是提高了共模输入阻抗，减少了共模电压在回路中引起的共模电流，从而抑制了共模干扰。保护接地是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身及设备安全；***接地是为***各个部分提供稳定的基准电位，如模拟信号地、数字信号地等。无论哪种接地方式，根据接地理论，都必须遵守低频电路应单点接地的原则，以避免形成地环路，防止地环路产生的电流引入到信号回路内引起干扰。浮地就是各装置的***地互相连接，但与大地绝缘，即悬浮方式。通常应将主机外壳作为屏蔽罩接地，这样信号源与接收装置之间的共模电压是通过屏蔽层电阻和***地与屏蔽层之间的漏阻抗产生共模电流。输入***及接收装置都有接地和浮地两种情况，所以连接于输入***及接收装置间的屏蔽电缆，其屏蔽层的接地要慎重，也应遵守单点接地的。在电路制作过程中的布线设计采用合理的布局，以减少器件间和外来的干扰。

整个微电流回路采用分层设计，高压回路和微电流检测回路相分离，并且整个继电器的传输过程采用全屏蔽的设计方式。根据现场干扰的轻重情况,选择双层屏蔽效果的屏蔽电缆。选择了合适的信号线，还必须合理地进行PCB板上的继电器的布线分部，信号线的敷设要尽量远离干扰源；模拟信号线与数字信号线不能合用同一股电缆；信号电缆与电源电缆必须分开，并尽量避免平行敷设。如果现场条件有限，信号电缆与电源电缆不得不敷设在一起时，可采用设置与大地连接的隔板或给电源电缆加装屏蔽罩等措施。在敷设电缆时，对屏蔽信号线屏蔽层的接地方式要慎重，在低频电路中，应遵循单点接地的原则。屏蔽层原则上应按照信号源与接收装置的接地方式，在接地端接地，实际运用中在控制装置侧接地为多。对双重屏蔽电缆，外屏蔽层接保护地，内屏蔽层应接***地。不同的地不是一个等电位面，两端接地必将引入严重的共模干扰，禁止以备用芯两端接地方式，避免以屏蔽层两端接地方式作为抗干扰措施。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多通道nA级微电流传输设计方法，其特征在于包括如下步骤：

a屏蔽保护与无缝连接设计步骤，以保证微电流信号不受外界干扰；其具体包括：

a1整个微电流检测回路进行全屏蔽；

a2选取双屏蔽电缆作为连接电缆，以实现多层保护，使微电流受外界干扰减小到最小；

a3选取双屏蔽接头，与上述双屏蔽电缆保持一致，使微电流传输过程中做到无缝连接，以保证回路不受材质绝缘性的漏电流的干扰；

a4选取接线式继电器，接线式继电器的接头为SMA接头，以保证整个微电流传输过程为浮地设计，并且整个继电器的外层进行全屏蔽设计；

bPCB板设计步骤，以保证回路信号的独立性，不受开关信号的影响；其具体包括：

b1在印制板的选材上采用高绝缘性的材料聚四氟乙烯，其绝缘特性10¹⁴Ω，温度适应性为-70℃～200℃，并通过增加电路走线之间宽度的方式来满足高绝缘电阻的测试，减少通路之间的电流干扰；

b2在印刷板上，将整个微电流检测回路进行悬空，以保证隔离漏电流的干扰；

c分层设计步骤，将高压回路和微电流检测回路相分离；

所述多通道nA级微电流传输设计方法还包括步骤：

d接地设计步骤，在测试仪器中测试接头采用双屏蔽设计，即GURAD和GND两种屏蔽都进行接地设计，以提高信号的屏蔽效果，包括双屏蔽电缆、双屏蔽接头、继电器在内都采用GURAD和GND两种屏蔽接地设计；

e可对960只电容的微电流检测回路进行一一测试的设计步骤，用以对960路微电流信号进行切换，且不受干扰，使微电流的指标达到nA级，以保证宇航级电容的正常测试；

上述双屏蔽电缆选取TRi-179型三同轴电缆作为连接电缆，三同轴电缆包括内导体、绝缘、内编织层、内护套、外编织层与外护套；

上述步骤a中，接线式继电器的一个SMA接头与一条双屏蔽电缆的一端连接，该双屏蔽电缆的另一端接有双屏蔽接头；接线式继电器的另一个SMA接头与另一条双屏蔽电缆的一端连接，该另一条双屏蔽电缆的另一端也接有双屏蔽接头。

2.根据权利要求1所述的一种多通道nA级微电流传输设计方法，其特征在于：上述接线式继电器选用干簧继电器，并由干簧继电器构成矩阵。