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[摘 要]为实现快速、稳定、精确的微电流测量，提出μA级以下电流检测采用改进对数电路、μA级以上采用差分电路，并进行通道残余噪声的动态调零消噪的双通道微电流检测法。实测结果表明，该检测电路能够最大限度降低测量噪声，提高测量精度，在nA～mA级电流测量范围内误差控制在3%以内。
[关键词]微弱电流 I-V转换 对数电路 差分电路 动态调零
中图分类号：TM993.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）08-0295-02
随着科学技术向微观世界的不断深入，微弱信号的获取日益普遍，例如人体心电信号检测，高分辨率侦察卫星，反隐形技术，潜艇声纳探测，核磁探测，纳米技术，生物电流分析等[1，2]。微弱电流是一种典型的微弱信号，其有效值往往小于10-6，可以与噪声相比较，极易被噪声淹没。因为微弱电流容易受环境噪声、电路噪声和元器件噪声的影响，所以对它们的检测也变得异常困难，用常规的方法无法解决。为此，研究微弱信号检测技术具有重要的现实意义。
传统微电流测量方法有相关检测法、调制解调法、取样积分法等，其中取样电阻法和电流反馈法最为普遍[3]。但是由于电阻热噪声、运算放大器的失调电压、失调电流、偏置电流等直流噪声和温漂的干扰完全将能量级在10-6A以下微电流淹没。
此外，从信号接入点到模数转换的整个检测电路，除了电阻的热噪声、运放的失调噪声、泄漏噪声等元件噪声外，还受到如电源波动、地弹、数模转换器的量化噪声等电路噪声的影响，以及如电磁干扰、工频噪声等环境噪声的影响。因此如何解决这些噪声的干扰成微电流检测的主要任务。
1 微弱电流检测硬件设计
根据以上分析和相关文献参考，在传统I-V测量的基础上进行电路改进，设计了如图1所示的微电流检测方案。
由于微弱电流的输入范围宽，可从pA级到mA级，一般线性放大器无法处直接处理如此宽的动态范围[4]。为此，本设计通过两个通道进行测量：对相对噪声敏感的μA级以下微电流利用对数的压缩性质采用改进对数电路进行I-V转换；对相对噪声敏感度不高的μA级以上微电流直接采用差分电路进行I-V转换；对整个检测通道噪声用动态调零电路消噪。
1.1 差分I-V转换电路
μA级以上微电流能量相对噪声较大，容易辨识，因此电路主要集中在共模干扰的抑制。差分电路具有高增益、高输入阻抗、高共模抑制比、对称性好的良好特性而广受选择。
1.2 改进对数I-V检测电路
μA级以下微电流能量与噪声相当，不容易辨识。如果同样采用差分I-V转换则极容易导致检测电压饱和，因此选择对数压缩电路[5]，如图2。该电路区别于传统的对数压缩电路利用U2抵消直流噪声，且取消差分电路中运算放大器使用直接减少了其零漂输出影响，另外参数对称的U3、U4的使用进一步减小了温漂对对数放大电路的影响[6]。U1A、U1B为孪生管，可以抵消受温度影响敏感的Is电流。U1A、C1、R10一起构成了对数放大补偿电路。Vref由基准芯片TL431产生。
由电路可知U1A上：
（1）
（2）
所以：
（3）
根据虚短虚断原理，在U4输入端有：
（5）
同样，根据（7）～（10），在U1B上有：
（4）
因为孪生管，所以Is1=Is2，所以
（5）
由上面分析可以，对数电路实现I-V的对数压缩转换，且该电压在Vref一定的情况下，表征了与Ii的唯一关系。
1.3 过程放大电路
过程放大电路由4级机构相同的放大单元构成，如图3。每一级的放大单元，共15种组合放大倍数，其中放大单元1为反相放大电路，其余为正向放大电路。选择差分或对数I-V转换后输出信号进入过程放大电路，并通过单片机控制选用合适的组合放大倍数。
1.4 动态调零电路
无论采用何种方式抵消直流噪声、何种方式抑制背景噪声，噪声总是随时间、空间存在，因此本方案设计了一个动态调零电路，其主要思想是：将要抵消的通道残余噪声作为一个总和进行测量，然后整体进行动态调零。具体措施是：在测试前，通过开关K（图1）将检测电流短路（相当输入信号为0）。再进行检测整个通道的残余噪声，设记录值为A。然后，通过单片机控制D/A输出，在动态调零端叠加一个-A进行通道残余噪声抵消。由于是在相邻时间段内进行的A、-A的测量与叠加，其运行环境可以认为完全相同，因此可以认为动态调零是没有随时间、空间变换的，是精确的。这样，接通开关K将待检测电流接入检测，测得的值就是不含通道噪声的待测微电流本身。
2 软件程序设计
采用c8051f350控制整个检测过程，主要程序有噪声检测过程、通道饱和判别过程、动态调零过程、信号检测过程、结果显示过程。噪声检测过程主要完成输入接地情况下整个检测通道残余噪声总和检测。通道饱和判别过程主要完成过程放大组合放大倍数的选择。动态调零过程主要完成对通道残余噪声的抵消。信号检测过程完成微弱电流的实际测量。结果显示过程主要包括触摸屏检测结果的显示和上位机串口数据的上传。
3 测量结果
采用吉时利（Keithley）6221安源表作为标准电流源，对设计進行测试验证，其测试环境如图4。测试选择2nA～2mA七个量级进行。测试结果如表1，测试结果表明该设计方案误差小、精度高。
4 总结
本设计通过差分电路、改进对数电路双通道的自动选择，在尽可能地消除背景噪声、电路噪声和元件噪声的基础上，提供了一种宽范围、多量程、高精度的微电流的检测方案。实测结果表明该设计适合nA～mA级微电流检测，具有较强的噪声抑制能力、较高的检测精度、较广的实用性。
参考文献
[1] 黄绍艳，刘敏波，唐本奇，等.光电耦合器的反应堆中子辐射效应.强激光与粒子束，2011；23（3）：801—805.
[2] 王晶，李斌康，阮林波，等.微弱电流高精度自动测量系统.强激光与粒子束，2012；24（8）：1975—1977.
[3] 鲁云峰，赵建亭，贺青，等.基于低温电流比较仪的微弱电流精密测量技术.仪器仪表学报，2013；34（12）：2812—2817.
[4] 闫行.微弱电流信号检测系统的设计.中北大学，2011.
[5] 范维志，蒲国健，李胜，等.氢火焰离子检测器微小电流检测系统设计.电子测量技术，2013；36（10）：11—15.
项目基金
浙江省教育厅访问工程师项目“高精度微弱电流检测技术研究”（FG2016117）资助。
[关键词]微弱电流 I-V转换 对数电路 差分电路 动态调零
中图分类号：TM993.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）08-0295-02
随着科学技术向微观世界的不断深入，微弱信号的获取日益普遍，例如人体心电信号检测，高分辨率侦察卫星，反隐形技术，潜艇声纳探测，核磁探测，纳米技术，生物电流分析等[1，2]。微弱电流是一种典型的微弱信号，其有效值往往小于10-6，可以与噪声相比较，极易被噪声淹没。因为微弱电流容易受环境噪声、电路噪声和元器件噪声的影响，所以对它们的检测也变得异常困难，用常规的方法无法解决。为此，研究微弱信号检测技术具有重要的现实意义。
传统微电流测量方法有相关检测法、调制解调法、取样积分法等，其中取样电阻法和电流反馈法最为普遍[3]。但是由于电阻热噪声、运算放大器的失调电压、失调电流、偏置电流等直流噪声和温漂的干扰完全将能量级在10-6A以下微电流淹没。
此外，从信号接入点到模数转换的整个检测电路，除了电阻的热噪声、运放的失调噪声、泄漏噪声等元件噪声外，还受到如电源波动、地弹、数模转换器的量化噪声等电路噪声的影响，以及如电磁干扰、工频噪声等环境噪声的影响。因此如何解决这些噪声的干扰成微电流检测的主要任务。
1 微弱电流检测硬件设计
根据以上分析和相关文献参考，在传统I-V测量的基础上进行电路改进，设计了如图1所示的微电流检测方案。
由于微弱电流的输入范围宽，可从pA级到mA级，一般线性放大器无法处直接处理如此宽的动态范围[4]。为此，本设计通过两个通道进行测量：对相对噪声敏感的μA级以下微电流利用对数的压缩性质采用改进对数电路进行I-V转换；对相对噪声敏感度不高的μA级以上微电流直接采用差分电路进行I-V转换；对整个检测通道噪声用动态调零电路消噪。
1.1 差分I-V转换电路
μA级以上微电流能量相对噪声较大，容易辨识，因此电路主要集中在共模干扰的抑制。差分电路具有高增益、高输入阻抗、高共模抑制比、对称性好的良好特性而广受选择。
1.2 改进对数I-V检测电路
μA级以下微电流能量与噪声相当，不容易辨识。如果同样采用差分I-V转换则极容易导致检测电压饱和，因此选择对数压缩电路[5]，如图2。该电路区别于传统的对数压缩电路利用U2抵消直流噪声，且取消差分电路中运算放大器使用直接减少了其零漂输出影响，另外参数对称的U3、U4的使用进一步减小了温漂对对数放大电路的影响[6]。U1A、U1B为孪生管，可以抵消受温度影响敏感的Is电流。U1A、C1、R10一起构成了对数放大补偿电路。Vref由基准芯片TL431产生。
由电路可知U1A上：
（1）
（2）
所以：
（3）
根据虚短虚断原理，在U4输入端有：
（5）
同样，根据（7）～（10），在U1B上有：
（4）
因为孪生管，所以Is1=Is2，所以
（5）
由上面分析可以，对数电路实现I-V的对数压缩转换，且该电压在Vref一定的情况下，表征了与Ii的唯一关系。
1.3 过程放大电路
过程放大电路由4级机构相同的放大单元构成，如图3。每一级的放大单元，共15种组合放大倍数，其中放大单元1为反相放大电路，其余为正向放大电路。选择差分或对数I-V转换后输出信号进入过程放大电路，并通过单片机控制选用合适的组合放大倍数。
1.4 动态调零电路
无论采用何种方式抵消直流噪声、何种方式抑制背景噪声，噪声总是随时间、空间存在，因此本方案设计了一个动态调零电路，其主要思想是：将要抵消的通道残余噪声作为一个总和进行测量，然后整体进行动态调零。具体措施是：在测试前，通过开关K（图1）将检测电流短路（相当输入信号为0）。再进行检测整个通道的残余噪声，设记录值为A。然后，通过单片机控制D/A输出，在动态调零端叠加一个-A进行通道残余噪声抵消。由于是在相邻时间段内进行的A、-A的测量与叠加，其运行环境可以认为完全相同，因此可以认为动态调零是没有随时间、空间变换的，是精确的。这样，接通开关K将待检测电流接入检测，测得的值就是不含通道噪声的待测微电流本身。
2 软件程序设计
采用c8051f350控制整个检测过程，主要程序有噪声检测过程、通道饱和判别过程、动态调零过程、信号检测过程、结果显示过程。噪声检测过程主要完成输入接地情况下整个检测通道残余噪声总和检测。通道饱和判别过程主要完成过程放大组合放大倍数的选择。动态调零过程主要完成对通道残余噪声的抵消。信号检测过程完成微弱电流的实际测量。结果显示过程主要包括触摸屏检测结果的显示和上位机串口数据的上传。
3 测量结果
采用吉时利（Keithley）6221安源表作为标准电流源，对设计進行测试验证，其测试环境如图4。测试选择2nA～2mA七个量级进行。测试结果如表1，测试结果表明该设计方案误差小、精度高。
4 总结
本设计通过差分电路、改进对数电路双通道的自动选择，在尽可能地消除背景噪声、电路噪声和元件噪声的基础上，提供了一种宽范围、多量程、高精度的微电流的检测方案。实测结果表明该设计适合nA～mA级微电流检测，具有较强的噪声抑制能力、较高的检测精度、较广的实用性。
参考文献
[1] 黄绍艳，刘敏波，唐本奇，等.光电耦合器的反应堆中子辐射效应.强激光与粒子束，2011；23（3）：801—805.
[2] 王晶，李斌康，阮林波，等.微弱电流高精度自动测量系统.强激光与粒子束，2012；24（8）：1975—1977.
[3] 鲁云峰，赵建亭，贺青，等.基于低温电流比较仪的微弱电流精密测量技术.仪器仪表学报，2013；34（12）：2812—2817.
[4] 闫行.微弱电流信号检测系统的设计.中北大学，2011.
[5] 范维志，蒲国健，李胜，等.氢火焰离子检测器微小电流检测系统设计.电子测量技术，2013；36（10）：11—15.
项目基金
浙江省教育厅访问工程师项目“高精度微弱电流检测技术研究”（FG2016117）资助。