CN115575688A - 一种微弱电流检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种微弱电流检测电路，能够实现兼顾测量动态范围和分辨力的微弱电流信号检测。本发明为了具有较高的电流分辨力同时兼顾输入动态范围，采用多量程微弱电流提取方法，采用高电阻作为跨阻，使用自动量程转换技术和高分辨力的模数转换器实现宽范围、高分辨力的电流拾取。实验结果表明，该测量方法的分辨力能够达到1pA，测量动态范围达到104，可应用于气相色谱检测器、电化学气体传感器信号检测电路等。
Description
技术领域
本发明涉及微弱信号检测技术领域，具体涉及一种微弱电流检测电路。
背景技术
微弱电流检测是一种重要的信息获取手段，广泛应用于电化学传感、气相色谱仪、痕量气体检测等领域中。在上述领域中，电流值通常很小，低至pA数量级，使得电流信号的测量极具挑战性。对于pA级的电流测量来说，常规元件的微小泄漏均不可忽视，都可能会给测量结果带来一定的非线性误差。此外，微弱电流转成的电压信号通常也会很小，需要采用较高的电阻才能将其转化成具有一定的分辨能力、幅度适中的电压信号，但大的跨阻会限制测量的动态范围。可见，目前的检测电路难以兼顾电流分辨力和输入动态范围。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种微弱电流检测电路，能够实现兼顾测量动态范围和分辨力的微弱电流信号检测。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明的一种微弱电流检测电路，包括跨阻抗放大电路、自动量程转换电路、模数转换电路、中央处理单元和基准电路；其中，被测电流信号输入跨阻抗放大电路，跨阻抗放大电路输出与自动量程转换电路输入相连，自动量程转换电路输出与模数转换电路输入相连，模数转换电路输出与中央处理单元输入相连，中央处理单元还与自动量程转换电路以及模数转换电路相连，基准电路与模数转换电路相连；跨阻抗放大电路实现电流到电压的转换，自动量程转换电路实现信号调理功能，模数转换电路将前段信号调理后的电压信号转换成数字信号，中央处理单元以ARM处理器为核心，通过ARM处理器控制模数转换电路采样，并依据采样值大小控制自动量程转换电路做量程自动判断和切换，最后将模数转换电路输出的数字测量结果发送到上位机或显示器，基准电路用于给模数转换电路提供基准电压；所述模数转换电路为双路模数转换电路，自动量程转换电路输出为两路信号，两路信号分别输入到双路模数转换电路的分路中。
其中，所述跨阻抗放大电路包括P1连接器、电阻R1、运算放大器N0、电容C1和电阻R2；其中，被测电流信号输入P1连接器，P1连接器与电阻R1一端相连，电阻R1另一端与运算放大器N0输出管脚相连；电容C1与电阻R1并联，电阻R2连接P1连接器和运算放大器N0反相输入管脚，运算放大器N0正向输入管脚接地，运算放大器N0的GRD管脚的电位由运算放大器内部跟随+IN输入为虚地。
其中，所述运算放大器NO为ADA4530-1芯片，在电路板布线时，用GRD包围电阻R2及输入信号线，用作等电位屏蔽保护。
其中，所述自动量程转换电路包括LT5400-1电阻芯片N11、ADG1212开关芯片N9、电阻R5、电容C7、电阻R6、电容C6、运算放大器N10A、电阻R8电容C12、电阻R9、电容C11、运算放大器N10B以及LT5400-7电阻芯片N8；其中，跨阻抗放大电路的输出与LT5400-1电阻芯片N11第4脚和ADG1212开关芯片N9第2脚相连；LT5400-1电阻芯片N11第5脚和第6脚与ADG1212开关芯片N9第15脚相连；ADG1212开关芯片N9第3脚和第14脚与电阻R5一端相连，电阻R5另一端与电容C7一端和电阻R6一端相连，电容C7另一端接地；电阻R6另一端与电容C6一端和运算放大器N10A正向输入管脚相连，电容C6另一端接地；运算放大器N10A的反相输入管脚和输出管脚相连构成跟随器，运算放大器N10A输出端记为ADIN1，ADIN1与双路模数转换电路中的一路输入相连；ADG1212开关芯片关N9第2脚与第6脚相连，ADG1212开关芯片N9第10脚和第7脚与电阻R8一端相连，电阻R8另一端与电容C12一端和电阻R9一端相连，电容C12另一端接地，电阻R9另一端与电容C11一端和运算放大器N10B正向输入管脚相连；运算放大器N10B与LT5400-7电阻芯片N8相连构成10倍放大电路；运算放大器N10B输出端记为ADIN2，ADIN2与双路模数转换电路中的另一路输入相连。
其中，所述双路模数转换电路包括模数转换器ADS1282芯片N7、电阻RA2、电阻RA1、电阻RA3以及有源晶振G1；
其中，模数转换器ADS1282芯片N7的第2脚、第3脚、第4脚和第5脚为AD转换器的输出引脚，采用串行SPI接口实现数字信号输出；模数转换器ADS1282芯片N7的第21脚和第22脚为正负基准输入；有源晶振G1为ADS1282芯片N7模数转换器提供4.096MHz时钟信号；自动量程转换电路的输出ADIN1和ADIN2分别与双路模数转换电路中的一路相连，其中，ADIN1与电阻RA2一端相连，电阻RA2另一端与模数转换器ADS1282芯片N7第一同相输入端相连；ADIN2与电阻RA1一端相连，电阻RA1另一端与模数转换器ADS1282芯片N7第二同相输入端相连；模数转换器ADS1282芯片N7的时钟输入管脚与电阻RA3一端相连，电阻RA3另一端与有源晶振G1输出管脚相连。
其中，所述基准电路包括AD780带隙基准芯片N1、运算放大器N2A、运算放大器N2B以及LT5400-1电阻芯片N6；其中，AD780带隙基准芯片N1输出管脚与运算放大器N2A同相输入端相连，运算放大器N2A反相输入端和输出端连接构成跟随器，提供正2.5V基准输出；AD780带隙基准芯片N1第6脚与LT5400-1电阻芯片N6第2脚相连，LT5400-1电阻芯片N6第7脚和第8脚与运算放大器N2B反相输入端相连，LT5400-1电阻芯片N6N6第1脚与运算放大器N2B输出端相连构成方向放大电路，提供负2.5V基准输出。
其中，所述中央处理单元最后将模数转换电路输出的数字测量结果通过接口电路发送到上位机或显示器。
有益效果：
1、本发明为了具有较高的电流分辨力同时兼顾输入动态范围，采用多量程微弱电流提取方法，采用高电阻作为跨阻，使用自动量程转换技术和高分辨力的模数转换器实现宽范围、高分辨力的电流拾取。实验结果表明，该测量方法的分辨力能够达到1pA，测量动态范围达到104，可应用于气相色谱检测器、电化学气体传感器信号检测电路等。
2、本发明的所述跨阻抗放大电路中，所述运算放大器N0为ADA4530-1芯片，该芯片为飞安(10-12A)级输入偏置电流的运算放大器，该放大器第2脚和第7脚GRD管脚的电位由ADA4530-1芯片内部跟随+IN输入为虚地，几乎与-IN电位相同。在电路板布线时，用GRD包围电阻R2及输入信号线，用作等电位屏蔽保护，防止输入微弱电流泄漏到该器件其它相邻引脚或其它器件。
3、本发明双路模数转换电路基于模数转换器ADS1282芯片实现，该芯片具有31比特分辨率，在基准电压为2.5V的前提下可实现2.3微伏的电压分辨能力，使得微弱电流的测量成为可能。
4、本发明的中央处理单元电路以ARM处理器为核心，该单元通过ARM处理器控制模数转换器采样，并依据采样值大小做量程自动判断和切换，最后将模数转换电路输出的数字测量结果通过接口电路发送到上位机或显示器，实现对不同检测原理产生的pA级的微弱信号电流进行检测，实现电流与浓度的数值关系分析，为气体浓度分析提供依据。
附图说明
图1为本发明微弱电流检测电路总体方案框图。
图2为本发明实施例中跨阻抗放大电路示意图。
图3为本发明实施例中自动量程转换电路。
图4为本发明实施例中模数转换电路。
图5为本发明实施例中正负基准电压输出电路。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种微弱电流检测电路，总体方案框图如图1所示，包括跨阻抗放大电路、自动量程转换电路、高分辨率模数转换电路、中央处理单元及接口电路和基准电路；其中被测电流信号输入跨阻抗放大电路，跨阻抗放大电路输出与自动量程转换电路输入相连，自动量程转换电路输出与模数转换电路输入相连，基准电路用于给模数转换电路提供稳定的基准电压，模数转换电路输出与中央处理单元输入相连，中央处理单元输出与自动量程转换电路输入以及模数转换电路输入相连；所述模数转换电路为双路模数转换电路，自动量程转换电路输出两路信号，分别输入到双路模数转换电路的分路中；中央处理单元以ARM处理器为核心，通过ARM处理器控制模数转换电路采样，并依据采样值大小控制自动量程转换电路做量程自动判断和切换，最后将模数转换电路输出的数字测量结果发送到上位机或显示器。本实施例通过接口电路发送到上位机或显示器。
具体地，跨阻抗放大电路实现电流到电压的转换，本实施例的跨阻抗放大电路如图2所示，所述跨阻抗放大电路包括P1连接器、电阻R1、运算放大器N0、电容C1和电阻R2；被测电流信号输入P1连接器，P1连接器与电阻R1一端相连，电阻R1另一端与运算放大器N0第6脚(输出管脚)相连；电容C1与电阻R1并联，电阻R2连接P1连接器和运算放大器N0第8脚(反相输入管脚)，运算放大器N0正向输入管脚接地。运算放大器N0第2脚和第7脚为GRD管脚(等电位保护管脚)，该管脚的电位由芯片内部跟随+IN输入为虚地。
本实施例选用飞安(10-12A)级输入偏置电流的运算放大器ADA4530-1芯片作为跨阻抗放大器。该放大器第2脚和第7脚GRD管脚的电位由ADA4530-1芯片内部跟随+IN输入为虚地，几乎与-IN电位相同。在电路板布线时，用GRD包围电阻R2及输入信号线，用作等电位屏蔽保护，防止输入微弱电流泄漏到该器件其它相邻引脚或其它器件。被测电流信号从P1连接器输入，由于该运算放大器的输入偏置电流很小，保证了电流几乎全部流入电阻R1，使得运算放大器第6脚输出电压Vout与输入电流Iin成比例关系：Vout＝-R1*Iin。因此达到了电流电压转换目的。为了能分辨更小的电流采用了100M欧姆电阻作为跨阻。需要注意的是，当被测电流很小时该电压值也很小，为了提高分辨率需要后续进一步放大。
自动量程转换电路实现信号调理功能，既将小信号放大，大信号衰减，实现量程自动转换，本实施例的自动量程转换电路如图3所示，所述自动量程转换电路包括LT5400-1电阻芯片N11、ADG1212开关芯片N9、电阻R5、电容C7、电阻R6、电容C6、运算放大器N10A、电阻R8电容C12、电阻R9、电容C11、运算放大器N10B以及LT5400-7电阻芯片N8；跨阻抗放大电路的输出VO与电阻芯片N11(LT5400-1)第4脚和开关芯片N9(ADG1212)第2脚相连；电阻芯片N11第5脚和第6脚与开关芯片N9第15脚相连；开关芯片N9第3脚和第14脚与电阻R5一端相连，电阻R5另一端与电容C7一端和电阻R6一端相连，电容C7另一端接地；电阻R6另一端与电容C6一端和运算放大器N10A第3脚(正向输入管脚)相连，电容C6另一端接地；运算放大器N10A第2脚(反相输入管脚)和第1脚(输出管脚)相连构成跟随器，运算放大器N10A输出端记为ADIN1，ADIN1与双路模数转换电路中的一路输入相连；开关芯片N9第2脚与第6脚相连，开关芯片N9第10脚和第7脚与电阻R8一端相连，电阻R8另一端与电容C12一端和电阻R9一端相连，电容C12另一端接地，电阻R9的另一端与电容C11一端和运算放大器N10B第5脚(正向输入管脚)相连；运算放大器N10B与电阻芯片N8(LT5400-7)相连构成10倍放大电路；运算放大器N10B输出端记为ADIN2，ADIN2与双路模数转换电路中的另一路输入相连。其中，跨阻抗放大电路输出的电压信号VO分成两路，通过开关芯片N9分别进行处理：一路经过比例电阻N11衰减1/2，另一路直通X1，通过控制信号VCT1和VCT3进行选择，运算放大器N10A和运算放大器N10B为电压跟随器，起缓冲作用，缓冲输出信号ADIN1进入模数转换器。如果信号较小，则需要放大处理。因此，通过VCT0控制开关芯片将信号X1接入下一级放大电路。放大电路采用运算放大器ADA4528-2和低温漂比例电阻LT5400-7实现。放大后的信号ADIN2进入另一路模数转换器。依据信号大小单片机通过控制VCT0、VCT1、VCT2和VCT3电平状态灵活地实现衰减1/2、放大1倍以及放大10倍等信号调理功能。
模数转换电路将前段信号调理后的电压信号转换成数字信号，以备进一步处理，本实施例的双路模数转换电路基于模数转换器ADS1282芯片实现，该芯片具有31比特分辨率，在基准电压为2.5V的前提下可实现2.3微伏的电压分辨能力，使得微弱电流的测量成为可能，具体电路结构如图4所示，所述双路模数转换电路包括模数转换器ADS1282芯片N7、电阻RA2、电阻RA1、电阻RA3以及有源晶振G1。其中有源晶振G1为4.096MHz的有源晶振，给AD转换器提供工作时钟。模数转换器ADS1282芯片N7的第2脚、第3脚、第4脚和第5脚为AD转换器的输出引脚，采用串行SPI接口实现数字信号输出。模数转换器ADS1282芯片N7的第21脚和第22脚为正负基准输入，本发明采用2.5V带隙基准芯片通过精密运算放大器调理成正负2.5V作为电压基准，保证了模数转换电路的动态输入范围为正负2.5V。另外，模数转换器ADS1282芯片内还具有双通道信号放大功能，能实现1、2、4、8、16、32、64倍的放大。因此配合外部放大器可实现多种信号衰减与放大功能，进一步提高了自动量程切换的灵活性。具体地，自动量程转换电路的输出ADIN1和ADIN2分别与双路模数转换电路中的一路相连，其中，ADIN1与电阻RA2一端相连，电阻RA2另一端与模数转换器ADS1282芯片N7第17脚(同相输入端1)相连；ADIN2与电阻RA1一端相连，电阻RA1另一端与模数转换器ADS1282芯片N7第15脚(同相输入端2)相连；模数转换器ADS1282芯片N7第1脚(时钟输入管脚)与电阻RA3一端相连，电阻RA3另一端与有源晶振G1第3脚(输出管脚)相连。
所述基准电路用于给模数转换电路提供稳定的基准电压。本实施例基准电路如图5所示，所述基准电路包括AD780带隙基准芯片N1、运算放大器N2A、运算放大器N2B以及LT5400-1电阻芯片N6。为了提供前述的正负2.5V稳定的基准电压，本实施例选用了温漂仅为2ppm的带隙基准芯片AD780，该芯片的输出为2.5V，考虑到负基准的产生，采用零失调斩波运算放大器MAX4426一路跟随得到正2.5V，一路做反相处理得到负2.5V。具体地，AD780带隙基准芯片N1第6脚(输出管脚)与运算放大器N2A第3脚(同相输入端)相连，运算放大器N2A第1脚和第2脚(反相输入端和输出端)连接构成跟随器，提供正2.5V基准输出；AD780带隙基准芯片N1第6脚与电阻芯片N6(LT5400-1)第2脚相连，电阻芯片N6第7脚和第8脚与运算放大器N2B第6脚(反相输入端)相连，电阻芯片N6第1脚与N2B第7脚(输出端)相连构成方向放大电路，提供负2.5V基准输出。
在中央处理单元中，ARM处理器程序控制自动量程转换电路的低泄漏电子开关实现量程自动转换功能，最后将数字测量结果通过接口电路(串口)发送至上位机或显示器。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微弱电流检测电路，其特征在于，包括跨阻抗放大电路、自动量程转换电路、模数转换电路、中央处理单元和基准电路；其中，被测电流信号输入跨阻抗放大电路，跨阻抗放大电路输出与自动量程转换电路输入相连，自动量程转换电路输出与模数转换电路输入相连，模数转换电路输出与中央处理单元输入相连，中央处理单元还与自动量程转换电路以及模数转换电路相连，基准电路与模数转换电路相连；跨阻抗放大电路实现电流到电压的转换，自动量程转换电路实现信号调理功能，模数转换电路将前段信号调理后的电压信号转换成数字信号，中央处理单元以ARM处理器为核心，通过ARM处理器控制模数转换电路采样，并依据采样值大小控制自动量程转换电路做量程自动判断和切换，最后将模数转换电路输出的数字测量结果发送到上位机或显示器，基准电路用于给模数转换电路提供基准电压；所述模数转换电路为双路模数转换电路，自动量程转换电路输出为两路信号，两路信号分别输入到双路模数转换电路的分路中。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述跨阻抗放大电路包括P1连接器、电阻R1、运算放大器N0、电容C1和电阻R2；其中，被测电流信号输入P1连接器，P1连接器与电阻R1一端相连，电阻R1另一端与运算放大器N0输出管脚相连；电容C1与电阻R1并联，电阻R2连接P1连接器和运算放大器N0反相输入管脚，运算放大器N0正向输入管脚接地，运算放大器N0的GRD管脚的电位由运算放大器内部跟随+IN输入为虚地。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述运算放大器NO为ADA4530-1芯片，在电路板布线时，用GRD包围电阻R2及输入信号线，用作等电位屏蔽保护。
4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述自动量程转换电路包括LT5400-1电阻芯片N11、ADG1212开关芯片N9、电阻R5、电容C7、电阻R6、电容C6、运算放大器N10A、电阻R8电容C12、电阻R9、电容C11、运算放大器N10B以及LT5400-7电阻芯片N8；其中，跨阻抗放大电路的输出与LT5400-1电阻芯片N11第4脚和ADG1212开关芯片N9第2脚相连；LT5400-1电阻芯片N11第5脚和第6脚与ADG1212开关芯片N9第15脚相连；ADG1212开关芯片N9第3脚和第14脚与电阻R5一端相连，电阻R5另一端与电容C7一端和电阻R6一端相连，电容C7另一端接地；电阻R6另一端与电容C6一端和运算放大器N10A正向输入管脚相连，电容C6另一端接地；运算放大器N10A的反相输入管脚和输出管脚相连构成跟随器，运算放大器N10A输出端记为ADIN1，ADIN1与双路模数转换电路中的一路输入相连；ADG1212开关芯片关N9第2脚与第6脚相连，ADG1212开关芯片N9第10脚和第7脚与电阻R8一端相连，电阻R8另一端与电容C12一端和电阻R9一端相连，电容C12另一端接地，电阻R9另一端与电容C11一端和运算放大器N10B正向输入管脚相连；运算放大器N10B与LT5400-7电阻芯片N8相连构成10倍放大电路；运算放大器N10B输出端记为ADIN2，ADIN2与双路模数转换电路中的另一路输入相连。
5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述双路模数转换电路包括模数转换器ADS1282芯片N7、电阻RA2、电阻RA1、电阻RA3以及有源晶振G1；其中，模数转换器ADS1282芯片N7的第2脚、第3脚、第4脚和第5脚为AD转换器的输出引脚，采用串行SPI接口实现数字信号输出；模数转换器ADS1282芯片N7的第21脚和第22脚为正负基准输入；有源晶振G1为ADS1282芯片N7模数转换器提供4.096MHz时钟信号；自动量程转换电路的输出ADIN1和ADIN2分别与双路模数转换电路中的一路相连，其中，ADIN1与电阻RA2一端相连，电阻RA2另一端与模数转换器ADS1282芯片N7第一同相输入端相连；ADIN2与电阻RA1一端相连，电阻RA1另一端与模数转换器ADS1282芯片N7第二同相输入端相连；模数转换器ADS1282芯片N7的时钟输入管脚与电阻RA3一端相连，电阻RA3另一端与有源晶振G1输出管脚相连。
6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述基准电路包括AD780带隙基准芯片N1、运算放大器N2A、运算放大器N2B以及LT5400-1电阻芯片N6；其中，AD780带隙基准芯片N1输出管脚与运算放大器N2A同相输入端相连，运算放大器N2A反相输入端和输出端连接构成跟随器，提供正2.5V基准输出；AD780带隙基准芯片N1第6脚与LT5400-1电阻芯片N6第2脚相连，LT5400-1电阻芯片N6第7脚和第8脚与运算放大器N2B反相输入端相连，LT5400-1电阻芯片N6N6第1脚与运算放大器N2B输出端相连构成方向放大电路，提供负2.5V基准输出。
7.如权利要求1-6任意一项所述的电路，其特征在于，所述中央处理单元最后将模数转换电路输出的数字测量结果通过接口电路发送到上位机或显示器。
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