CN105914836B - 充电式便携pA微电流监测*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及充电式便携pA微电流监测***，该***采用单节锂电池作为电能的存储和供应单元，采用低功耗设计、高精度运算放大器和反馈电路，以pA级微电流I/V转换电路为核心，通过多种抗干扰保护电路，能够通过充电开关选择USB充电，通过供电选择开关选择***供电，***供电来源于USB配合锂电池，完成pA微电流的监测。本发明可作为便携式测量仪器使用，可以在室内或室外以及其他需要监测的地方，在室内外均可有锂电池供电，也可以由USB供电。本发明监测仪尺寸仅为手掌大小，重量轻、方便携带、监测精度高、价格便宜和测试方便，按要求插上待监测微电流可以测试出对应的转换电压值。
Description
技术领域
本发明涉及微电流监测领域，特别是涉及充电式便携微电流监测***。
背景技术
世界是由很多物质组成的，而物质中的电子是基本粒子之一，电子运动会产生电流。微弱信号普遍存在于人类生活中，例如弱光、弱声、弱磁、小电容、小位移和微压力等。随着科学技术的飞快发展，很多领域都离不开微弱电流的测量。在半导体生产中、绝缘材料、微弱探测等领域，微电流的发生和测试有着十分重要的地位，而大多微弱电流的测量范围远低于10-10A。因此，测量微电流的技术在各领域具有广泛应用前景，具有重要意义。
常规的pA监测仪体积很大，电源不可充电，重量也很大，不便于可移动监测，在一些特定位置无法进行测量。而且大部分从国外进口，价格昂贵，增加了使用成本。
为此，本发明完成了一种充电式便携pA级微弱直流电流的高精度检测。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的pA监测仪体积大，重量大，功耗大，布线复杂度高，价格高而造成的使用不便，为此本发明完成了一种微电流监测***。本发明监测仪尺寸仅为手掌大小，方便携带，按要求插上待监测微电流可以测试出对应的转换电压值。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
充电式便携pA微电流监测***，该***是基于相应检测设备实现的，该检测设备包括设备外壳体、电路板；电路板上安装有电源开关、USB充电接口、锂电池、I/V转换电路、电压发生器、供电选择开关；电路板固定在设备外壳体内。设备外壳体为一规则金属小长方体且内部上方的电路板前版面的中间固定 I/V转换电路；设备外壳体内部上方的电路板左侧设有电源开关、USB充电接口开关、供电选择开关；外壳体内部上方的电路板右侧固定电压发生器和微电流监测外接线端子；外壳体内部下方的电路板设有锂电池接口、锂电池固定装置。
充电式便携pA微电流监测***，该监测终端包括四大部分：I/V转换电路、电源管理电路、保护电路和接口电路；
电源管理电路与I/V转换电路相连接，I/V转换电路与保护电路相连接，同时，I/V转换电路的输入输出端与接口电路相连接。
其中，I/V转换电路由I/V转换运算放大器和电流输入端电路组成；电源管理电路由充电管理电路、供电管理电路和电池电压监测电路组成；保护电路由短路环保护电路、大面积地电路、BNC插头屏蔽线和金属屏蔽盒组成。
该***采用单节锂电池作为电能的存储和供应单元，以I/V转换电路为核心，能够通过充电开关选择充电方式为USB充电，通过供电选择开关选择***供电，***供电来源于USB配合锂电池。本***将单节锂电池输出或者外部充电部分的输出与电源供应电路相连，目的是为I/V转换电路、电压发生器、运算放大器以及其他各个电路部分提供可用的高品质供电，满足了供电要求。
实现整个***功能的各单元模块分别为：I/V转换电路单元、充电单元、供电单元、输入单元、保护单元和接口单元；其中，充电单元与供电单元相连，供电单元与各个电路部分相连，电压发生器与I/V转换电路相连，方便调试。接线端子都采用高性能绝缘线与内部电路相连，采用高性能插头屏蔽线与外部测量电路相连。
下面对各部分模块单元进行具体说明。
I/V转换电路单元包括运算放大器、反馈回路、输入端电路单元。其中反馈回路与运算放大器的反相输入端和输出端相连接，输入端电路单元与运算放大器的反相输入端相连接。
充电单元包括USB充电控制电路和电压指示电路。USB充电控制电路与电压指示电路和电池相连接。
供电单元包括稳压电路、+/-2.5V分压电路和电池电量指示电路。电池与稳压电路相连接，稳压电路与+/-2.5V分压电路和电池电量指示电路相连接。
输入单元包括pA微电流输入端、运算放大器输入端、反馈电阻和电容连接的输入端。其中pA微电流输入端与运算放大器输入端相连接，反馈电阻和电容相并联后，与运算放大器的反相输入端和输出端相连接。
保护单元包括短路环保护电路和金属屏蔽罩保护器。短路环保护电路是一个独立的环路，隔离外接干扰信号进入PCB电路板，从而保护整个电路；金属屏蔽罩，将电路部分罩起来，改善电路抗干扰能力。
接口单元包括输入输出接线端子，穿过屏蔽壳的接线柱、内部采用高绝缘性能的绝缘导线引出和高绝缘性能抗干扰的测试线。
与现有技术相比本发明可以获得以下有益效果。
本发明与目前各类微电流监测***相比，可设置USB接口对内置锂电池进行充电，体积小，价格低、方便测量、便携带和精度高。本发明的电路部分均采用低功耗低偏置电流、高绝缘抗干扰设计，整个***在很低的功耗下运行，既节省电池电量的使用，使得设备在单纯电池供电的情况下可以长时间工作。又可以减小热噪声干扰。本发明能够实现微电流pA精确监测。本发明可以作为便携式设备，放置在室内或者室外以及其他需要监测的地方，在室内可以连接USB充电配合锂电池使用，锂电池供电使用。本发明可作为微电流pA监测终端、可配合普通万用表使用，具有体积小，重量轻，方便携带，低功耗的特点。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2.1为本发明的电路板的***保护电路原理图；
图2.2为本发明的电路板的I/V转换电路原理图；
图2.3为本发明的电压发生电路原理图；
图3.1为USB充电电路的原理结构图；
图3.2为本发明的其余电路板的电源电路原理图；
图4为本发明的电路板结构框图。
图中：1、保护电路，2、I/V转换电路，3、电压发生器，4、USB充电电路，5、电源供电电路，6、+/-2.5V分压电路，7、电池电量指示电路。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的结构原理图，本发明所用I/V转换电路的运算放大器是低偏置电流，低失调电压的精密运放。本发明按照放大电路的计算方法，设计相应电路原理图，创新的悬空焊接输入端，绘制印刷电路板。考虑到输入端的抗干扰问题，在印刷电路板上没有留出输入端焊盘，而是将所有与输入端相连的引脚悬空焊接，成为一个独立的与周围绝缘的孤立的输入模块。
图2.1-2.3为本发明的电路板的电路原理图。电路板的电路包括***保护电路1、I/V转换电路2、电压发生电路3。整个结构的框图如图4所示。
***保护电路1包括短路环保护电路、大面积地电路和金属屏蔽罩保护器。短路环保护电路是一个独立的环路，隔离外接干扰信号进入PCB电路板，从而保护整个电路；金属屏蔽罩将整个电路罩起来，改善电路抗干扰能力。
I/V转换电路2通过高精度运算放大器、偏置电流fA级、极低的超调电压、确保I/V转换的精度。pA级微电流输入端通过P1、P2接口和超大电阻100G、反馈电容C4和运放的放大作用，使得1pA对应输出0.1V电压，通过P3、P4 接口的接线端子输出。其中C4作为反馈电容，要求超低漏电，容量尽量小，用来抵消运算放大器的极间分布电容带来的噪声影响，同时也加深了负反馈，防止电路增益峰化，进入饱和状态。选用超大电阻减小了微弱电流小电阻带来的噪声干扰问题。P1、P2、P3和P4接线端子采用内部高绝缘的导线，穿过屏蔽的金属壳，且壳体接地，以保证高抗干扰性能。与接线端子相连的测试导线也采用高绝缘性能的导线，以防止外在环境的干扰。
电压发生器电路3与I/V转换电路的输入端通过接插件相连接，从而为整个电路提供调试信号。与电源电压-2.5V相连接的电流电压发生器，分别产生0.1V，0.5V，1V和1.235V电压，经过100G电阻后，分别变为1pA、5pA、10pA、和12.35pA供实验测试用。
图3.1-3.2为本发明的电源电路原理图包括USB充电电路4、供电电路5、+/-2.5V分压电路6和电池电量指示电路7。其中USB充电电路4一端与USB接口相连，一端和充电选择开关相连，选用低功耗芯片，参考芯片数据手册，调节可编程端口的电阻，匹配合适的电容，使其可以为单节锂电池充电。供电电路5由供电电路、稳压电路和分压电路组成。稳压电路选择了低功耗高精度稳压芯片。+/-2.5V分压电路6中R3、R4电阻相等，将5V电压平分，最后运放跟随器确定了接地的位置在R3和R4的连接点，从而为***提供稳定的+/-2.5V电源。电池电量指示电路7的运放同相输入端与阻值不等的R1和R2连接点相连接，反相输入端与等量阻值的R3和R4的连接点相连接，由Q1控制两个红绿发光二极管指示电池电量。供电电路5能够通过开关选择两种供电模式，模式一：USB充电配合锂电池工作，模式二：锂电池单独工作。
当电路处于模式一时，拨动充电选择开关S1选择USB输入端并且拨动供电选择开关S2选择USB充电与锂电池端，如果USB充电可以提供正常工作电 压，即供电部分经锂电池连接，由USB充电电路为***供电，从而减少电池电量的损耗。当USB充电电路不能提供正常工作电压，选用模式二，拨动开关S2即供电部分与锂电池连接，由锂电池为***供电；
电池电量LED显示电路6中采用一个n沟道增强模式场效应晶体管，相当于一个开关，当电量足够时，开关管自动导通，下面的灯LED2亮，当电量不足时，开关管不工作，上面的LED1灯亮；
其他接口电路7包括USB接口、电源接口和测试接口，方便以后的测试和***维护。USB接口和电源接口通过保护环保护隔离，且采用电容滤波，确保稳定的电压。测量接口采用BNC插头屏蔽线，其中输入、输出端P1、P2、P3和P4接在金属盒输出的BNC插头上，另一端将屏蔽线外层剥开，中间的芯已留出接头，能够接在测试表的正极，屏蔽层已留出接头可接在测速表的负极，即接地。
经过测量后的结果证明是用屏蔽线的方法是可行的，数值十分平稳精确。
Claims (2)
1.充电式便携pA微电流监测***，该***是基于相应检测设备实现的，该检测设备包括设备外壳体、电路板；电路板上安装有电源开关、USB充电接口、锂电池、I/V转换电路、电压发生器、供电选择开关；电路板固定在设备外壳体内；设备外壳体为一规则金属小长方体且内部上方的电路板前版面的中间固定I/V转换电路；设备外壳体内部上方的电路板左侧设有电源开关、USB充电接口开关、供电选择开关；外壳体内部上方的电路板右侧固定电压发生器和微电流监测外接线端子；外壳体内部下方的电路板设有锂电池接口、锂电池固定装置；
其特征在于：监测终端包括四大部分：I/V转换电路、电源管理电路、保护电路和接口电路；
电源管理电路与I/V转换电路相连接，I/V转换电路与保护电路相连接，同时，I/V转换电路的输入输出端与接口电路相连接；
其中，I/V转换电路由I/V转换运算放大器和电流输入端电路组成；电源管理电路由充电管理电路、供电管理电路和电池电压监测电路组成；保护电路由短路环保护电路、大面积地电路、BNC插头屏蔽线和金属屏蔽盒组成；
该***采用单节锂电池作为电能的存储和供应单元，以I/V转换电路为核心，能够通过充电开关选择充电方式为USB充电，通过供电选择开关选择***供电，***供电来源于USB配合锂电池；本***将单节锂电池输出或者外部充电部分的输出与电源供应电路相连，为I/V转换电路、电压发生器、运算放大器以及其他各个电路部分提供可用的供电；
实现整个***功能的各单元模块分别为：I/V转换电路单元、充电单元、供电单元、输入单元、保护单元和接口单元；其中，充电单元与供电单元相连，供电单元与各个电路部分相连，电压发生器与I/V转换电路相连，方便调试；接线端子都采用高性能绝缘线与内部电路相连，采用高性能插头屏蔽线与外部测量电路相连；
I/V转换电路单元包括运算放大器、反馈回路、输入端电路单元；其中反馈回路与运算放大器的反相输入端和输出端相连接，输入端电路单元与运算放大器的反相输入端相连接；
充电单元包括USB充电控制电路和电压指示电路；USB充电控制电路与电压指示电路和电池相连接；
供电单元包括稳压电路、+/-2.5V分压电路和电池电量指示电路；电池与稳压电路相连接，稳压电路与+/-2.5V分压电路和电池电量指示电路相输入单元包括pA微电流输入端、运算放大器输入端、反馈电阻和电容连接的输入端；其中pA微电流输入端与运算放大器输入端相连接，反馈电阻和电容相并联后，与运算放大器的反相输入端和输出端相连接；
保护单元包括短路环保护电路和金属屏蔽罩保护器；短路环保护电路是一个独立的环路，隔离外接干扰信号进入PCB电路板，从而保护整个电路；金属屏蔽罩，将电路部分罩起来，改善电路抗干扰能力；
接口单元包括输入输出接线端子，穿过屏蔽壳的接线柱、内部采用高绝缘性能的绝缘导线引出和高绝缘性能抗干扰的测试线。
2.根据权利要求1所述的充电式便携pA微电流监测***，I/V转换电路的运算放大器是低偏置电流，低失调电压的精密运放；本***按照放大电路的计算方法，设计相应电路，采用悬空焊接输入端，绘制印刷电路板；考虑到输入端的抗干扰问题，在印刷电路板上没有留出输入端焊盘，而是将所有与输入端相连的引脚悬空焊接，成为一个独立的与周围绝缘的孤立的输入模块；
其特征在于：电路板的电路包括***保护电路(1)、I/V转换电路(2)、电压发生电路(3)；
***保护电路(1)包括短路环保护电路、大面积地电路和金属屏蔽罩保护器；短路环保护电路是一个独立的环路，隔离外接干扰信号进入PCB电路板，从而保护整个电路；金属屏蔽罩将整个电路罩起来，改善电路抗干扰能力；
I/V转换电路(2)通过高精度运算放大器、偏置电流fA级、极低的超调电压、确保I/V转换的精度；pA级微电流输入端通过P1、P2接口和超大电阻100G、反馈电容C4和运放的放大作用，使得1pA对应输出0.1V电压，通过P3、P4接口的接线端子输出；其中C4作为反馈电容，要求超低漏电，容量尽量小，用来抵消运算放大器的极间分布电容带来的噪声影响，同时也加深了负反馈，防止电路增益峰化，进入饱和状态；P1、P2、P3和P4接线端子采用内部高绝缘的导线，穿过屏蔽的金属壳，且壳体接地，以保证高抗干扰性能；与接线端子相连的测试导线也采用高绝缘性能的导线，以防止外在环境的干扰；
电压发生器电路(3)与I/V转换电路的输入端通过接插件相连接，从而为整个电路提供调试信号；与电源电压-2.5V相连接的电流电压发生器，分别产生0.1V，0.5V，1V和1.235V电压，经过100G电阻后，分别变为1pA、5pA、10pA、和12.35pA供实验测试用；
电源电路包括USB充电电路(4)、供电电路(5)、+/-2.5V分压电路(6)和电池电量指示电路(7)；其中USB充电电路(4)一端与USB接口相连，一端和充电选择开关相连，选用低功耗芯片，参考芯片数据手册，调节可编程端口的电阻，匹配合适的电容，使其为单节锂电池充电；供电电路(5)由供电电路、稳压电路和分压电路组成；稳压电路选择了低功耗高精度稳压芯片；+/-2.5V分压电路(6)中R3、R4电阻相等，将5V电压平分，最后运放跟随器确定了接地的位置在R3和R4的连接点，从而为***提供稳定的+/-2.5V电源；电池电量指示电路(7)的运放同相输入端与阻值不等的R1和R2连接点相连接，反相输入端与等量阻值的R3和R4的连接点相连接，由Q1控制两个红绿发光二极管指示电池电量；供电电路(5)能够通过开关选择两种供电模式，模式一：USB充电配合锂电池工作，模式二：锂电池单独工作；
当电路处于模式一时，拨动充电选择开关S1选择USB输入端并且拨动供电选择开关S2选择USB充电与锂电池端，如果USB充电可以提供正常工作电压，即供电部分经锂电池连接，由USB充电电路为***供电，从而减少电池电量的损耗；当USB充电电路不能提供正常工作电压，选用模式二，拨动开关S2即供电部分与锂电池连接，由锂电池为***供电；
电池电量指示电路(7)中采用一个n沟道增强模式场效应晶体管，相当于一个开关，当电量足够时，开关管自动导通，下面的灯LED2亮，当电量不足时，开关管不工作，上面的LED1灯亮；
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