CN213780205U - 一种微电流测量装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型是一种微电流测量装置,包括电源电路、I‑V转换电路、数据采集电路和数据处理终端;电源电路用于为I‑V转换电路和数据采集电路提供工作电压,I‑V转换电路用于将直流微电流转换为可测直流电压,数据采集电路用于采集I‑V转换电路输出的可测直流电压进行数模转换并采集电压数据,数据采集电路还用于将采集到的电压数据信号传递给数据处理终端,数据处理终端用于采集到的电压数据信号计算得到测量的微电流值。该种微电流测量电路通过I‑V转换电路将直流微电流转换为可测直流电压,通过数据采集电路将可测直流电压数模转换,单片机采集数字量后通过串口输至PC机,通过PC机处理可测电压值得到微电流的值。

Description

一种微电流测量装置
技术领域
本实用新型是直流微电流测量技术领域,具体的说是一种微电流测量装置。
背景技术
随着现代电子技术和测量技术的不断发展,微电流的测量已经变得越来越重要。目前,许多测量都会将物理量通过传感器交换成微弱电流信号。在静电研究、材料测试、电力设备在线监测、光电互感器等应用与测试中都要测量极微弱电流。目前,微电流测量仪结构复杂、适用性差、维护困难。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种微电流测量装置,该种装置能够通过I-V转换电路将直流微电流转换为可测直流电压,通过数据采集电路将可测直流电压数模转换,STM32F103C8T6型单片机采集转换后的数字量,再通过RS232串口输至PC机,通过PC机处理可测量电压值得到微电流的值。
为解决上述技术问题,本实用新型采用的技术方案为:
一种微电流测量装置,其特征在于:包括电源电路、I-V转换电路、数据采集电路和数据处理终端;
所述的电源电路用于为I-V转换电路和数据采集电路提供工作电压,所述的I-V转换电路用于将直流微电流转换为可测直流电压,所述的数据采集电路用于采集I-V转换电路输出的可测直流电压进行数模转换并采集电压数据,所述的数据采集电路还用于将采集到的电压数据信号传递给数据处理终端,所述的数据处理终端用于采集到的电压数据信号计算得到测量的微电流值。
所述的I-V转换电路包括第一集成运放电路和第二集成运放电路,所述的第一集成运放电路的输出端与第二集成运放电路的输入端连接,所述的第一集成运放电路为负反馈放大电路,所述的第二集成运放电路为反向跟随器,所述的第一集成运放电路输入端用于采集待测微电流,所述的第一集成运放电路用于得到一个反向电压,所述的第二集成运放电路用于改变反向电压的电压方向并输出。
所述的第一集成运放电路包括第一TCL2201芯片,所述的第二集成运放电路包括第二TCL2201芯片;
所述的第一TCL2201芯片的IN-引脚与电阻R16一端连接,电阻R16另一端与待测微电流输入端连接,电阻R16另一端还与电阻R1一端连接,电阻R1另一端与第一TCL2201芯片的OUT引脚连接,电阻R16另一端还与电容C7一端连接,电容C7另一端与第一TCL2201芯片的OUT引脚连接,第一TCL2201芯片的IN+引脚接地,第一TCL2201芯片的正电源引脚与+5V电压连接,第一TCL2201芯片的正电源引脚与电容C8一端连接,电容C8另一端接地,第一TCL2201芯片的负电源引脚与-5V电压连接,第一TCL2201芯片的负电源引脚与电容C9一端连接,电容C9另一端接地,第一TCL2201芯片的OUT引脚与电阻R11一端连接,电阻R11另一端与第二TCL2201芯片的IN-引脚连接,第二TCL2201芯片的IN-引脚与电阻R12一端连接,电阻R12另一端与第二TCL2201芯片的OUT引脚连接,第二TCL2201芯片的IN+引脚与电阻R13的一端连接,电阻R13的另一端与地连接;第二TCL2201芯片的正电源引脚与+5V电压连接,第二TCL2201芯片的正电源引脚与电容C15一端连接,电容C15另一端接地,第二TCL2201芯片的负电源引脚与-5V电压连接,第二TCL2201芯片的负电源引脚与电容C16一端连接,电容C16另一端接地,第二TCL2201芯片的OUT引脚与电阻R15一端连接,电阻R15另一端与数据采集电路的输入端连接。
I-V转换电路还包括电源滤波电路和指示灯电路,所述的电源滤波电路包括电容C2、电容C3、电容C4、和电容C5,电容C2一端与+5V电压连接,电容C2另一端接地,电容C3一端与+5V电压连接,电容C3另一端接地;电容C4一端与-5V电压连接,电容C4另一端接地,电容C5一端与-5V电压连接,电容C5另一端接地;
所述的指示灯电路包括LED灯D1和LED灯D2,所述的LED灯D1的正极与电阻R4一端连接,电阻R4另一端与+5V电压连接,LED灯D1的负极接地,所述的LED灯D2的正极与电阻R5一端连接,电阻R5另一端接地,LED灯D1的负极与-5V电压连接。
所述的数据采集电路包括STM32F103C8T6型单片机和ADS1115型AD芯片,所述的ADS1115型AD芯片将采集到的电压信号数模转换后发送至STM32F103C8T6型单片机,所述的STM32F103C8T6型单片机通过RS232串口向PC机传输十进制电压值。
ADS1115芯片的AN3引脚与插座J4的1号接口连接,ADS1115芯片的AN2引脚与插座J4的2号接口连接,ADS1115芯片的AN1引脚与插座J4的3号接口连接,ADS1115芯片的AN0引脚与插座J4的4号接口连接,所述的插座J4的4号接口与电阻R15另一端连接;ADS1115芯片的SCL线与STM32F103C8T6型单片机的PB14引脚连接,ADS1115芯片的SDA线与STM32F103C8T6型单片机的PB13引脚连接,STM32F103C8T6型单片机的PA9引脚与MAX232芯片的T1IN引脚连接,STM32F103C8T6型单片机的PA10引脚与MAX232芯片的R1OUT引脚连接,所述的MAX232芯片的输出端通过RS232串口与PC机连接。
该种微电流测量装置能够产生的有益效果为:第一,I-V转换电路中采用硅栅技术来获得输入失调电压稳定性;第二,数据采集电路中的STM32F103C8T6型单片机可以直接通过串口向PC机传输十进制电压值;第三,本实验装置借助PC机进行数据分析处理、消除***误差,得到测量精度较高的微电流值。
附图说明
图1为本实用新型一种微电流测量装置的结构原理图。
图2为本实用新型一种微电流测量装置中I-V转换电路原理图。
图3为本实用新型一种微电流测量装置数据采集电路中单片机电路的电路原理图。
图4为本实用新型一种微电流测量装置数据采集电路中电源电路的电路原理图。
图5为本实用新型一种微电流测量装置数据采集电路中AD转换电路的电路原理图。
图6为本实用新型一种微电流测量装置数据采集电路中串口电路的电路原理图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述。
本实施例以一种测量范围1nA~3.3uA的直流微电流的测量装置为具体实施例,详细描述本申请所述的一种微电流测量装置,如图1所示,包括电源电路、I-V转换电路、数据采集电路和数据处理终端;
所述的电源电路用于为I-V转换电路和数据采集电路提供工作电压,所述的I-V转换电路用于将直流微电流转换为可测直流电压,所述的数据采集电路用于采集I-V转换电路输出的可测直流电压进行数模转换并采集电压数据,所述的数据采集电路还用于将采集到的电压数据信号传递给数据处理终端,所述的数据处理终端用于处理采集到的电压数据信号计算得到测量的微电流值。
如图2所示,I-V转换电路包括第一集成运放电路和第二集成运放电路,所述的第一集成运放电路的输出端与第二集成运放电路的输入端连接,所述的第一集成运放电路为负反馈放大电路,所述的第二集成运放电路为反向跟随器,所述的第一集成运放电路输入端用于采集待测微电流,所述的第一集成运放电路用于得到一个反向电压,所述的第二集成运放电路用于改变反向电压的电压方向并输出。
进一步的,第一集成运放电路包括第一TCL2201芯片,所述的第二集成运放电路包括第二TCL2201芯片;所述的第一TCL2201芯片的IN-引脚与电阻R16一端连接,电阻R16另一端与待测微电流输入端连接,电阻R16另一端还与电阻R1一端连接,电阻R1另一端与第一TCL2201芯片的OUT引脚连接,电阻R16另一端还与电容C7一端连接,电容C7另一端与第一TCL2201芯片的OUT引脚连接,第一TCL2201芯片的IN+引脚接地,第一TCL2201芯片的正电源引脚与+5V电压连接,第一TCL2201芯片的正电源引脚与电容C8一端连接,电容C8另一端接地,第一TCL2201芯片的负电源引脚与-5V电压连接,第一TCL2201芯片的负电源引脚与电容C9一端连接,电容C9另一端接地,第一TCL2201芯片的OUT引脚与电阻R11一端连接,电阻R11另一端与第二TCL2201芯片的IN-引脚连接,第二TCL2201芯片的IN-引脚与电阻R12一端连接,电阻R12另一端与第二TCL2201芯片的OUT引脚连接,第二TCL2201芯片的IN+引脚与电阻R13的一端连接,电阻R13的另一端与地连接;第二TCL2201芯片的正电源引脚与+5V电压连接,第二TCL2201芯片的正电源引脚与电容C15一端连接,电容C15另一端接地,第二TCL2201芯片的负电源引脚与-5V电压连接,第二TCL2201芯片的负电源引脚与电容C16一端连接,电容C16另一端接地,第二TCL2201芯片的OUT引脚与电阻R15一端连接,电阻R15另一端与数据采集电路的输入端连接。
进一步的,I-V转换电路还包括电源滤波电路和指示灯电路,所述的电源滤波电路包括电容C2、电容C3、电容C4、和电容C5,电容C2一端与+5V电压连接,电容C2另一端接地,电容C3一端与+5V电压连接,电容C3另一端接地;电容C4一端与-5V电压连接,电容C4另一端接地,电容C5一端与-5V电压连接,电容C5另一端接地;所述的指示灯电路包括LED灯D1和LED灯D2,所述的LED灯D1的正极与电阻R4一端连接,电阻R4另一端与+5V电压连接,LED灯D1的负极接地,所述的LED灯D2的正极与电阻R5一端连接,电阻R5另一端接地,LED灯D1的负极与-5V电压连接。
在本实施例中,I-V转换电路用于将大小在1nA~3.3uA之间直流微电流转换大小在1mV~3.3V之间的可测量直流电压,大小在1nA~3.3uA之间的直流微电流由P3端输入I-V转换电路,第一级集成运放电路U4为负反馈放大电路,微电流输入电路U4后得到一个反向电压;第二级集成运放电路U5是一个反向跟随器,将电路U4的输出电压反向而不改变其大小,得到大小在1mV~3.3V之间的可测量电压,并经由电路中的P4端口输出。指示灯电路中的LED灯D1与LED灯D2作为工作电源指示灯。电源滤波电路U7中的C2、C3、C4、C5作为滤波电容。
如图3至图6所示,数据采集电路包括STM32F103C8T6型单片机和ADS1115型AD芯片,所述的ADS1115型AD芯片将采集到的电压信号数模转换后发送至STM32F103C8T6型单片机,所述的STM32F103C8T6型单片机通过RS232串口向PC机传输十进制电压值。
进一步的,ADS1115芯片的AN3引脚与插座J4的1号接口连接,ADS1115芯片的AN2引脚与插座J4的2号接口连接,ADS1115芯片的AN1引脚与插座J4的3号接口连接,ADS1115芯片的AN0引脚与插座J4的4号接口连接,所述的插座J4的4号接口与电阻R15另一端连接;ADS1115芯片的SCL线与STM32F103C8T6型单片机的PB14引脚连接,ADS1115芯片的SDA线与STM32F103C8T6型单片机的PB13引脚连接,STM32F103C8T6型单片机的PA9引脚与MAX232芯片的T1IN引脚连接,STM32F103C8T6型单片机的PA10引脚与MAX232芯片的R1OUT引脚连接,所述的MAX232芯片的输出端通过RS232串口与PC机连接。
本实施例中,ADS1115型AD芯片对大小在1mV~3.3V之间的可测量电压进行数模转换,STM32F103C8T6型单片机采集转换后的数字量并转化为十进制数再通过RS232串口传输给PC机;PC机对单片机传输的数据进行处理得到微电流的值。
ADS1115型AD芯片的AN0引脚、AN1引脚、AN2引脚、AN3引脚为输入接口,P4端口的输出电压与AN0引脚通过插口J4连接,经过AN0引脚输入ADS1115芯片,图5中R6分压产生的电压经过S2跳线冒连接到AN0测试AD输入,S2为SW-SPST单刀单掷开关。ADS1115芯片的VDD引脚与电感L1一端连接,电感L1另一端与+5V电压连接,电感L1一端与电容C15一端连接,电感L1另一端与电容C16一端连接,电容C15另一端、电容C16另一端均接地。ADS1115芯片的SDA引脚通过电阻R4与+5V电压连接,ADS1115芯片的SCL引脚通过电阻R3与+5V电压连接,ADS1115芯片的RDY引脚通过电阻R2与+5V电压连接,ADS1115芯片的ADDR引脚接地。
ADS1115芯片通过SCL线与SDA线与STM32F103C8T6型单片机的PB14引脚与PB13引脚相连,将数字量传输给STM32F103C8T6型单片机;STM32F103C8T6型单片机的电路连接方式如图3所示,J5、J6分别引出PA口与PB口的IO。所述STM32F103C8T6型单片机经RX线、TX线与MAX232芯片的RXD线、TXD线与MAX232芯片相连接;STM32F103C8T6型单片收集数字量并传输至MAX232芯片。如图6所示,MAX232芯片将数字量从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到RS232串口DB9插头;RS232串口DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出至PC机。PC机用于处理可测量电压数据并求出微电流的大小。电源电路采用220V交流电转±5V直流电的高精密度低纹波双电源模块为I-V转换电路提供工作电压,电源电路采用如图4所示的以AMS1117-3.3V芯片为单片机提供3.3V工作电压;以AMS1117-5V芯片为MAX232芯片、ADS1115芯片提供工作电压,外部电压源通过J1输入12V工作电压,然后数据采集电路内部的电源电路将这个12V电压转化为5V与3.3V的电压。图4中J2用于引出5V和3.3V电源,进一步的,所述MAX232芯片是为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,与之与同类型的芯片还有SPS2323等型号的芯片,两者之间可以相互替换。
进一步的,第一级集成运放电路是负反馈放大电路,将微电流放大为反向电压,R1为起放大作用的反馈电阻,第二级集成运放电路是一个反向电压跟随器,对第一级集成运放电路的输出电压反向跟随,得到一个可测量电压VOUT,此时VOUT=I*R1,在该种情况通过测量可测量电压VOUT以及已知的反馈电阻R1的电阻值可以获取待测的微电流值。
进一步的,可以通过更换反馈电阻R1来更换测量量程。本实施例中R1采用1MΩ,可精准测量的微电流大小范围是1nA~3.3uA之间,当采用1GΩ的反馈电阻时,可以实现nA级电流测量。
以上仅是本实用新型的优选实施方式,本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰,应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种微电流测量装置,其特征在于:包括电源电路、I-V转换电路、数据采集电路和数据处理终端;
所述的电源电路用于为I-V转换电路和数据采集电路提供工作电压,所述的I-V转换电路用于将直流微电流转换为可测直流电压,所述的数据采集电路用于采集I-V转换电路输出的可测直流电压进行数模转换并采集电压数据,所述的数据采集电路还用于将采集到的电压数据信号传递给数据处理终端,所述的数据处理终端用于采集到的电压数据信号计算得到测量的微电流值。
2.根据权利要求1所述的一种微电流测量装置,其特征在于:所述的I-V转换电路包括第一集成运放电路和第二集成运放电路,所述的第一集成运放电路的输出端与第二集成运放电路的输入端连接,所述的第一集成运放电路为负反馈放大电路,所述的第二集成运放电路为反向跟随器,所述的第一集成运放电路输入端用于采集待测微电流,所述的第一集成运放电路用于得到一个反向电压,所述的第二集成运放电路用于改变反向电压的电压方向并输出。
3.根据权利要求2所述的一种微电流测量装置,其特征在于:所述的第一集成运放电路包括第一TCL2201芯片,所述的第二集成运放电路包括第二TCL2201芯片;
所述的第一TCL2201芯片的IN-引脚与电阻R16一端连接,电阻R16另一端与待测微电流输入端连接,电阻R16另一端还与电阻R1一端连接,电阻R1另一端与第一TCL2201芯片的OUT引脚连接,电阻R16另一端还与电容C7一端连接,电容C7另一端与第一TCL2201芯片的OUT引脚连接,第一TCL2201芯片的IN+引脚接地,第一TCL2201芯片的正电源引脚与+5V电压连接,第一TCL2201芯片的正电源引脚与电容C8一端连接,电容C8另一端接地,第一TCL2201芯片的负电源引脚与-5V电压连接,第一TCL2201芯片的负电源引脚与电容C9一端连接,电容C9另一端接地,第一TCL2201芯片的OUT引脚与电阻R11一端连接,电阻R11另一端与第二TCL2201芯片的IN-引脚连接,第二TCL2201芯片的IN-引脚与电阻R12一端连接,电阻R12另一端与第二TCL2201芯片的OUT引脚连接,第二TCL2201芯片的IN+引脚与电阻R13的一端连接,电阻R13的另一端与地连接;第二TCL2201芯片的正电源引脚与+5V电压连接,第二TCL2201芯片的正电源引脚与电容C15一端连接,电容C15另一端接地,第二TCL2201芯片的负电源引脚与-5V电压连接,第二TCL2201芯片的负电源引脚与电容C16一端连接,电容C16另一端接地,第二TCL2201芯片的OUT引脚与电阻R15一端连接,电阻R15另一端与数据采集电路的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种微电流测量装置,其特征在于:I-V转换电路还包括电源滤波电路和指示灯电路,所述的电源滤波电路包括电容C2、电容C3、电容C4、和电容C5,电容C2一端与+5V电压连接,电容C2另一端接地,电容C3一端与+5V电压连接,电容C3另一端接地;电容C4一端与-5V电压连接,电容C4另一端接地,电容C5一端与-5V电压连接,电容C5另一端接地;
所述的指示灯电路包括LED灯D1和LED灯D2,所述的LED灯D1的正极与电阻R4一端连接,电阻R4另一端与+5V电压连接,LED灯D1的负极接地,所述的LED灯D2的正极与电阻R5一端连接,电阻R5另一端接地,LED灯D1的负极与-5V电压连接。
5.根据权利要求3所述的一种微电流测量装置,其特征在于:所述的数据采集电路包括STM32F103C8T6型单片机和ADS1115型AD芯片,所述的ADS1115型AD芯片将采集到的电压信号数模转换后发送至STM32F103C8T6型单片机,所述的STM32F103C8T6型单片机通过RS232串口向PC机传输十进制电压值。
6.根据权利要求5所述的一种微电流测量装置,其特征在于:ADS1115芯片的AN3引脚与插座J4的1号接口连接,ADS1115芯片的AN2引脚与插座J4的2号接口连接,ADS1115芯片的AN1引脚与插座J4的3号接口连接,ADS1115芯片的AN0引脚与插座J4的4号接口连接,所述的插座J4的4号接口与电阻R15另一端连接;ADS1115芯片的SCL线与STM32F103C8T6型单片机的PB14引脚连接,ADS1115芯片的SDA线与STM32F103C8T6型单片机的PB13引脚连接,STM32F103C8T6型单片机的PA9引脚与MAX232芯片的T1IN引脚连接,STM32F103C8T6型单片机的PA10引脚与MAX232芯片的R1OUT引脚连接,所述的MAX232芯片的输出端通过RS232串口与PC机连接。
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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210723

Termination date: 20211029

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