CN212675023U

CN212675023U - 一种直流微电流检测电路

Info

Publication number: CN212675023U
Application number: CN202020961113.9U
Authority: CN
Inventors: 叶耀斌; 奚亚男
Original assignee: Guangzhou Yuxin Sensing Technology Co ltd
Current assignee: Guangzhou Yuxin Sensing Technology Co ltd
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2021-03-09
Anticipated expiration: 2030-05-29

Abstract

本实用新型提供了一种直流微电流检测电路，可应用于电化学信号检测、传感器信号放大、生化信号放大等领域，具有高度集成化，抗干扰能力强，微电流检测精度高等优点。包括I/V转换电路、二级放大电路、滤波电路、模数转换电路和控制器。具体采用二级放大方式，对I/V转换后的电压信号需进行进一步的放大再进行采集，使pA级微电流I/V转换不再需要依赖过高的反馈电阻，通过低通滤波模块对电信号进行滤波处理后，可以在对整个检测过程中的微电流不造成干扰的情况下，对干扰信号进行有效滤波，进而使微电流检测结果更加准确。

Description

一种直流微电流检测电路

技术领域

本实用新型属于电化学检测领域，具体涉及一种直流微电流检测电路。

背景技术

微电流是指其值小于10^-6A的电流，随着科学技术的发展，微电流检测在电化学、生物学等领域具有广泛的应用，对微弱电流信号检测的需要日益迫切。

为了检测微弱电流，常用图1所示的电流检测电路对其进行检测，在实际应用中发现，当被检测微电流精度高时，如pA级别，为了获得很大的转换增益，反馈电阻应具有很大的阻值(GΩ量级)。而超高阻不仅具有制作成本高昂，而且超高电阻精度低、温湿度系数大等缺点影响电流的测量精度；另外超高电阻往往分布电容大，造成很长的响应与测试等待时间。同时，实际微电流测量时，噪声和干扰无法回避。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，往往容易造成被检测微电流信号淹没在噪声中，影响了微电流测量的灵敏度和准确性。

因此，开发一种适用于电化学微弱电流检测的电路以解决上述问题是有必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种直流微电流检测电路，可应用于电化学信号检测、传感器信号放大、生化信号放大等领域，具有高度集成化，抗干扰能力强，微电流检测精度高等优点。

直流微电流检测电路具体包括I/V转换电路1、二级放大电路2、滤波电路3、模数转换电路4和控制器5。

I/V转换电路1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。

二级放大电路2是负反馈电压放大电路，包括运算放大器、信号输入电阻、反馈电阻；I/V 转换电路1的输出端连接信号输入电阻，信号输入电阻另一端接入运算放大器的反相输入端，反馈电阻分别连接运算放大器的反相输入端和运算放大器的输出端。

滤波电路3包括低通滤波模块和电压跟随模块，低通滤波模块的输出端与电压跟随模块的输入端连接；二级放大电路2的信号输出到低通滤波模块的输入端，低通滤波模块对二级放大电路 2的输出电信号进行滤波处理后得到滤波信号，低通滤波模块将滤波信号输出至电压跟随模块的输入端，电压跟随模块将滤波信号进行处理后得到目标信号，并将目标信号通过电压跟随模块的输出端输出至模数转换电路4。

控制器5是微处理器***，具备模数转换芯片通信总线接口。

模数转换电路4与控制器5以数字通信总线连接，控制器5通过模数转换芯片通信总线接口控制模数转换电路4，令其完成模数转换，采集目标信号，并转换为数值信号，通过数字通信总线传送到控制器5。

进一步，数字通信总线包括I2C、SPI、串行口、并行口等方式。

本实用新型采用二级放大方式，对I/V转换后的电压信号需进行进一步的放大再进行采集，使pA级微电流I/V转换不再需要依赖过高的反馈电阻；通过低通滤波模块对电信号进行滤波处理后，可以在对整个检测过程中的微电流不造成干扰的情况下，对干扰信号进行有效滤波，进而使微电流检测结果更加准确。

本实用新型基于精密运算放大器、AD转换芯片、MCU微处理器芯片完成电路功能，集成化程度高，可应用于电化学信号检测、传感器信号放大、生化信号放大等领域，具有高度集成化，抗干扰能力强，微电流检测精度高等优点。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型基于精密运算放大器、AD转换芯片、MCU微处理器芯片完成电路功能，集成化程度高。

(2)本实用新型采用二级放大方式，对I/V转换后的电压信号需进行进一步的放大再进行采集，使pA级微电流I/V转换不再需要依赖过高的反馈电阻，可以在对整个检测过程中的微电流不造成干扰的情况下，对干扰信号进行有效滤波，使得电路抗干扰能力强，微电流检测精度更高。

附图说明

利用附图对实用新型作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本实用新型的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它附图。

图1是现有检测微弱电流的检测电路设计图；

图2是本实用新型的直流微电流检测电路总体结构图；

图3是本实用新型的直流微电流检测电路示意图。

图例说明：

1、I/V转换电路；2、二级放大电路；3、滤波电路；4、模数转换电路；5、控制器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

相反，本实用新型涵盖任何由权利要求定义的在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本实用新型有更好的了解，在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。

实施例

参考图2所示，I/V转换电路1通过高精度运算放大器A1、其偏置电流fA级、极低的失调电压、确保I/V转换的精度。pA级微电流输入端通过反馈电阻Rf、反馈电容Cf和运放A1的放大作用，使得输出电压U1；其中U1＝-Iin×Rf。其中Cf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。

I-V转换电路1后级连接二级放大电路2，所述二级放大电路2是负反馈电压放大电路；包括精密运放A2，信号输入电阻Ra，负反馈电阻Rb；上述I-V转换电路A1输出端信号连接Ra， Ra另一端接入A2反相输入端；Rb分别连接A2反相输入端和A2输出端；二级放大电路2信号输出为U2，U2＝-(Rb/Ra)×U1；U2＝Iin×Rf×Rb/Ra。

微电流检测中的滤波电路3包括低通滤波模块和电压跟随模块，所述低通滤波模块的输出端与所述电压跟随模块的输入端连接；该滤波电路3中的低通滤波模块1可以包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2和第三运算放大器A3，其中，第一电阻R1的第一端连接信号输入端011，第一电阻R1的第二端连接第三电阻R3的第一端012，R3 的第二端连接第三运放器A3的反相输入端013；第一电容C1的第一端连接信号端012，第一电容C1的第二端连接第三运算放大器A3的同相输入端014；A3的同相输入端014接地；第二电阻R2的第一端连接第三运算放大器A3的输出端015，第二电阻R2的第二端连接信号端012；第二电容C2的第一端连接第三运算放大器A3的输出端015，第二电容C2的第二端连接第三运算放大器A3的反相输入端013；

可选的，如图3所示，限流保护模块包括第四电阻R4，第四电阻R4的第一端连接低通滤波模块1的输出端015，第四电阻R4的第二端连接电压跟随模块信号输入端016；第四电阻R4 可以在电路中起到连接限流从而保护电路的作用。

可选的，如图3所示，微电流检测中的滤波电路3还包括电压跟随模块，电压跟随模块包括第五电阻R5，第四电容C4，第三电容C3；第五电阻R5的第一端连接限流保护模块R4的第二端016，第五电阻R5的第二端连接第四运算放大器A4的同相输入端018；A4的输出端019连接A4的反向输入端017；第四电容C4一端连接017，另一端连接016；第三电容C3，一端连接018，另一端连接地信号。

模数转换电路4芯片ADC与控制器5MCU以数字通信总线连接；通信总线可以是I2C，SPI，串行口，并行口等方式。控制器5通过上述通信总线接口控制ADC，ADC完成模数转换，采集模拟电平信号ADC_IN，并转换为数值信号，通过通信总线，传送到控制器5。

控制器5，是微处理器***，具备数模转换芯片通信总线接口，具备模数转换芯片通信总线接口。

在本实施例中，输入微电流的范围是0～1000pA的直流信号。模数转换芯片选型LTC2471，其模拟信号输入范围要求小于1.25v；在本实施例，I/V转换电路1反馈电阻Rf选择1M欧姆；第二放大电路2的信号输入电阻Ra选择1k，反馈电阻Rb选择100k欧姆；I/V转换电路1输出为U1，二级放大电路信号输出为U2。

U1＝-Iin×Rf

U2＝-(Rb/Ra)×U1

U2＝Iin×Rf×Rb/Ra＝1000pA×1M×100k/1k＝1V

二级放大电路2信号输出能较好地匹配模数转换信号输入范围内。

如按图1所示的常用电流检测电路对其进行检测，为了获得同样的转换增益，反馈电阻需设置为100M欧姆。而超高阻不仅具有制作成本高昂，而且超高电阻精度低、温湿度系数大等缺点影响电流的测量精度，因而难以实现pA级别的电流检测。

在本实施例中，低通滤波中第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第一电容C1，第二电容C2，其中R1＝R2＝R3＝10k，C1＝20nf，C2＝10nf，计算公式如下：

通带内的电压放大倍数：

滤波器的截止角频率：

其中，滤波器通带内增益A＝-R3/R1＝-1；

滤波器的截止频率

当信号频率低于这个截止频率fc时，信号得以通过；当信号频率高于这个截止频率时，信号输出将被大幅衰减。在本实施例中，通过低通滤波模块可以在对整个检测过程中的微电流不造成干扰的情况下，对高于1.12khz的干扰信号进行有效滤波，使得电路抗干扰能力强，微电流检测精度更高。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经过适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。本实用新型中所未详细描述的技术细节，均可通过本领域中的任一现有技术实现。特别的，本实用新型中所有未详细描述的技术特点均可通过任一现有技术实现。

Claims

1.一种直流微电流检测电路，其特征在于，包括I/V转换电路(1)、二级放大电路(2)、滤波电路(3)、模数转换电路(4)和控制器(5)；

所述I/V转换电路(1)包括运算放大器、反馈回路、输入端电路单元，其中所述反馈回路与所述运算放大器的反相输入端和输出端相连接，所述输入端电路单元与所述运算放大器的反相输入端相连接；

所述二级放大电路(2)是负反馈电压放大电路，包括运算放大器、信号输入电阻、反馈电阻；所述I/V转换电路(1)的输出端连接所述信号输入电阻，所述信号输入电阻另一端接入所述运算放大器的反相输入端，所述反馈电阻分别连接所述运算放大器的反相输入端和所述运算放大器的输出端；

所述滤波电路(3)包括低通滤波模块和电压跟随模块，所述低通滤波模块的输出端与所述电压跟随模块的输入端连接；所述二级放大电路(2)的信号输出到所述低通滤波模块的输入端，所述低通滤波模块对所述二级放大电路(2)的输出电信号进行滤波处理后得到滤波信号，所述低通滤波模块将所述滤波信号输出至所述电压跟随模块的输入端，所述电压跟随模块将所述滤波信号进行处理后得到目标信号，并将所述目标信号通过所述电压跟随模块的输出端输出至所述模数转换电路(3)；

所述控制器(5)是微处理器***，具备模数转换芯片通信总线接口；

所述模数转换电路(4)与所述控制器(5)以数字通信总线连接，所述控制器(5)通过所述模数转换芯片通信总线接口控制所述模数转换电路(4)，令其完成模数转换，采集所述目标信号，并转换为数值信号，通过所述数字通信总线传送到所述控制器(5)。

2.根据权利要求1所述的一种直流微电流检测电路，其特征在于，所述数字通信总线包括12C、SPI、串行口、并行口方式。