Pxi微電流檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種PXI微電流檢測裝置。所述PXI微電流檢測裝置，包括控制電路、微電流檢測電路和供電電路，控制電路包括FPGA和PXI接口，F(xiàn)PGA通過PXI接口接收來自零槽控制器的數據并向微電流檢測電路和供電電路發(fā)送控制命令，微電流檢測電路包括I-V轉換電路和ADC采集電路，在I-V轉換電路上設置兩條運算放大器支路，通過FPGA控制繼電器開關分時切換兩條運算放大器支路接入I-V轉換電路，可以對同一個微電流信號進行兩次測量，并將兩次結果比較和取平均，減小了大阻值反饋電阻性能不穩(wěn)定和運算放大器的偏置電流溫度特性不穩(wěn)定對測試結果的影響。
【專利說明】PXI微電流檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種PXI微電流檢測裝置。
【背景技術】
[0002]科學研究和生產過程中，諸如泄漏電流、絕緣電阻以及其它參數的測量、光電器件 的光電流的測量、光電倍增管與粒子和波束監(jiān)控、以及用于確定產品特性的半導體、傳感器 和電纜等都必須進行微電流測試。微弱電流測試的關鍵在于將微電流轉換為電壓信號，同 時盡量避免或者排除引入的空間輻射以及其他干擾信號，只將純凈的微電流信號轉換為電 壓信號，電壓信號經模數轉換器轉換后，由計算機采集，再換算為電流。微電流測試技術有 如下兩方面的難點:一是如何將非常微弱的電流信號轉換并放大成可由模數轉換器采集的 電壓信號，二是如何盡量避免將空間輻射和其他干擾信號一并轉換和放大從而引入較大誤 差。
[0003]現(xiàn)有的微電流測試設備以臺式儀器為主，其原理框圖如圖1所示，微電流測試設 備，主要由1-V轉換電路、ADC采集電路和主控CPU組成；其中1-V轉換電路的主要組成是 放大器和反饋電阻切換電路，對應不同大小的微電流，切換不同的反饋電阻，使1-V的輸出 電壓始終落在ADC采集電路的可采集范圍內。由于微電流小可到fA (I(T15A)級別，大可到 PA級別，所以反饋電阻的電阻范圍很大，可從100MQ到ITQ (IXlO12Q);主控CPU根據 ADC采集電路的采集電壓切換合適的反饋電阻接入1-V轉換電路，使1-V轉換電路的輸出電 壓落在ADC采集電路良好的線性采集區(qū)，減小測量誤差。
[0004]圖1中1-V轉換電路的原理框圖如圖2所示。由圖2可知，放大器接成典型的反 向放大器，沒有輸入電阻。反饋電阻Rfb是一個關鍵元件，其阻值選擇取決于所要求的靈敏 度和噪音；例如若電路的反饋電阻Rfb達到1T，那么IpA的輸入電流就會引起IV的輸出， 即靈敏度是lV/pA ;反饋電阻Rfb也與電流噪音密切相關，阻值越大則理論噪音越小，例如 選擇100G，理論噪音極限是0.25fArms ;當然，反饋電阻Rfb不能取得太大，因為運放的偏置 電流Ib是完全流過這個電阻的，產生壓降，也產生噪音、溫度系數等弊病。
[0005]為滿足微電流測試的不同量程，反饋電阻Rfb—般由幾個不同數量級的電阻并 聯(lián)，并加開關構成電阻網絡，如圖3所示，對應不同的微電流量程，切換開關將相應的反饋 電阻接入I;轉換電路。運放的選擇，最重要的參數就是偏置電流Ib，在微電流測試中，運 放的偏置電流Ib必須盡量小，同時必須進行補償、調零和抵消。反饋電容Cf的作用有兩個: 一方面抵消輸入電容、提高階越的響應速度；另一方面與反饋電容Rf —起決定1-V轉換電 路的自由時間常數。Cf的值越小，1-V轉換電路的響應速度越高，但是會增加輸出噪音。
[0006]現(xiàn)有的微電流測試設備，如圖4所示，為方便控制和供電，微電流測試電路和控制 電路集成在一塊電路板上，這種方案無法對微電流測試電路進行完整的全包圍屏蔽，屏蔽 盒外側的電路板依然可以引入外界雜散信號，而且容易引入控制電路上的串擾信號，屏蔽 效果一般。電路板的面積較大，不利于儀器的小型化和集成。
[0007]此外，1-V轉換電路中的反饋電阻Rfb的阻值比較大，不僅難以購買，而且精度不高，性能不穩(wěn)定，另外大阻值電阻會有電容特性，對微電流測試造成影響；選擇1-V轉換電 路中的運放時，雖然運放的偏置電流Ib要盡量小，然而偏置電流Ib實際上總是存在，而且 1-V轉換電路中的Rfb阻值很大，盡管Ib很小，在Rfb上還是會產生壓降，造成測試結果的 不準確；而且偏置電流Ib不穩(wěn)定，會帶來電流噪音，尤其是其溫度系數很大，會在很大程度 上干擾測試結果，溫漂會給數據校準帶來很大困難。

【發(fā)明內容】

[0008]針對現(xiàn)有技術中存在的上述技術問題，本發(fā)明提出了一種PXI微電流檢測裝置， 其采用如下技術方案:
[0009]PXI微電流檢測裝置，包括控制電路、微電流檢測電路和供電電路，控制電路包括 FPGA和PXI接口，F(xiàn)PGA通過PXI接口接收來自零槽控制器的數據并向微電流檢測電路和供 電電路發(fā)送控制命令，微電流檢測電路包括1-V轉換電路和ADC采集電路，所述1-V轉換電 路包括兩條運算放大器支路，即第一運算放大器支路和第二運算放大器支路；第一運算放 大器支路上設置有第一繼電器開關和第一運算放大器，第一繼電器開關的一端連接在第一 運算放大器的反向輸入端，第一運算放大器的同向輸入端接地；第二運算放大器支路上設 置有第二繼電器開關和第二運算放大器，第二繼電器開關的一端連接在第二運算放大器的 反向輸入端，第二運算放大器的同向輸入端接地；第一繼電器開關的另一端和第二繼電器 開關的另一端連接并作為I;轉換電路的輸入端，第一運算放大器的輸出端和第二運算放 大器的輸出端連接并作為1-V轉換電路的輸出端；在1-V轉換電路的輸入端和輸出端之間 設置有反饋電阻電路和反饋電容電路；第一繼電器開關和第二繼電器開關的控制端分別連 接到FPGA上，F(xiàn)PGA控制第一繼電器開關和第二繼電器開關通斷分時切換第一運算放大器 支路和第二運算放大器支路接入1-V轉換電路。
[0010]進一步，所述控制電路還包括溫度傳感器、EEROM和DA采集芯片，溫度傳感器、 EEROM和DA采集芯片分別連接到FPGA上，F(xiàn)PGA通過DA采集芯片采集微電流檢測電路輸出 的電壓信號。
[0011]進一步，所述微電流檢測電路置于微電流檢測板上，控制電路置于控制電路板上， 在微電流檢測板的外側設置有一個屏蔽盒，微電流檢測板完全置于屏蔽盒的腔體內部并加 以固定，在屏蔽盒上開設有供電接口和光耦隔離控制接口，供電電路通過供電接口為微電 流檢測電路供電，控制電路通過光耦隔離控制接口與微電流檢測電路連接。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0013]本發(fā)明采用運算放大器冗余技術，在1-V轉換電路上設置兩條運算放大器支路， 通過FPGA控制繼電器開關分時切換兩條運算放大器支路接入1-V轉換電路，可以對同一個 微電流信號進行兩次測量，并將兩次結果比較和取平均，減小了大阻值反饋電阻性能不穩(wěn) 定和運算放大器的偏置電流溫度特性不穩(wěn)定對測試結果的影響；另外，在控制電路中增加 溫度傳感器和EER0M，實現(xiàn)校準數據的讀寫，每個溫度點對應一套校準數據，消除大阻值反 饋電阻性能不穩(wěn)定和運算放大器偏置電流溫度系數大對測試結果的影響；通過微電流檢測 電路獨立屏蔽技術，將微電流檢測電路獨立于控制電路和供電電路，采用屏蔽盒進行全包 圍屏蔽，最大限度的排除外界信號為微電流測試的干擾，利于縮小屏蔽盒的體積，在PXI模 塊上實現(xiàn)微電流檢測技術，將傳統(tǒng)的微電流測試的臺式儀器縮小為模塊化儀器，在保證測試精度的基礎上縮小了體積、降低了功耗、提高了精度，實現(xiàn)了微電流測量儀器的模塊化， 更利于系統(tǒng)的集成。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為現(xiàn)有技術中微電流檢測的原理框圖；
[0015]圖2為圖1中1-V轉換電路的結構示意圖；
[0016]圖3為圖2中反饋電阻電路的結構示意圖；
[0017]圖4為現(xiàn)有技術中微電流檢測電路的屏蔽結構示意圖；
[0018]圖5為本發(fā)明中PXI微電流檢測裝置的電路結構框圖；
[0019]圖6為本發(fā)明中1-V轉換電路的結構示意圖；
[0020]圖7為本發(fā)明中微電流檢測電路的屏蔽結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖以及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明:
[0022]結合圖5至圖7所示，PXI微電流檢測裝置，包括控制電路、微電流檢測電路和供 電電路?？刂齐娐钒‵PGA和PXI接口，F(xiàn)PGA通過PXI接口接收來自零槽控制器的數據 并向微電流檢測電路和供電電路發(fā)送控制命令。
[0023]微電流檢測電路包括1-V轉換電路和ADC采集電路。1-V轉換電路包括兩條運算 放大器支路，即第一運算放大器支路和第二運算放大器支路。
[0024]第一運算放大器支路上設置有第一繼電器開關S5和第一運算放大器I，第一繼電 器開關S5的一端連接在第一運算放大器I的反向輸入端，第一運算放大器I的同向輸入端 接地；第二運算放大器支路上設置有第二繼電器開關S6和第二運算放大器2，第二繼電器 開關S6的一端連接在第二運算放大器2的反向輸入端，第二運算放大器的同向輸入端接 地；第一繼電器開關S5的另一端和第二繼電器開關的另一端S6連接并作為1-V轉換電路 的輸入端，第一運算放大器的輸出端和第二運算放大器的輸出端連接并作為I;轉換電路 的輸出端；在1-V轉換電路的輸入端和輸出端之間設置有反饋電阻電路和反饋電容電路； 第一繼電器開關和第二繼電器開關分別電連接到FPGA上，F(xiàn)PGA控制第一繼電器開關和第 二繼電器開關通斷分時切換第一運算放大器支路和第二運算放大器支路接入I;轉換電 路。第一運算放大器I和第二運算放大器2優(yōu)選采用LMC6042系列運算放大器。反饋電阻 電路采用如圖3所示的電阻電路即可，此處不再贅述。
[0025]在1-V轉換電路上設置兩條運算放大器支路，通過FPGA控制繼電器開關分時切換 兩條運算放大器支路接入1-V轉換電路，對同一個微電流信號進行兩次測量，兩次測量的 結果分別為I11和I12，若I I11-112 I < In/10，則判定兩次結果相近將兩次結果取平均，作 為最終結果；若I I11-112 I > In/10，則判定兩次結果差別比較大，則將兩次結果拋棄，重 新進行測量；將同一個微電流信號經過不同的運算放大器分時進行兩次轉換并判斷結果， 盡量避免了因放大器性能的不穩(wěn)定造成的誤差，而且相當于多次測量取平均值作為結果， 可以減少大阻值反饋電阻Rfb性能不穩(wěn)定和運算放大器的偏置電流Ib不穩(wěn)定帶來的溫漂 等影響。
[0026]此外，控制電路還包括溫度傳感器、EEROM和DA采集芯片，溫度傳感器、EEROM和DA采集芯片分別連接到FPGA上，F(xiàn)PGA通過DA采集芯片采集微電流檢測電路輸出的電壓信號。
[0027]在實際校準中，將溫度作為一個獨立因素進行校準。校準時，在-10°C下，將標準微電流源輸出的已知電流值的微電流信號Itl接到微電流檢測電路上，測試結果記為I1，將校準數據A I1=10-11寫入EER0M，然后在-10°C~40°C溫度范圍內，以0.1°C為步進，將標準微電流源輸出的已知電流值的微電流信號Itl接到該微電流檢測電路，測試結果記為Ii,將校準數據A Ii=10-1i寫入EEROM，I ^ i ^ 501，這樣可以得到表1所示的校準數據的表格。
[0028]
【權利要求】
1.PXI微電流檢測裝置，包括控制電路、微電流檢測電路和供電電路，控制電路包括 FPGA和PXI接口，F(xiàn)PGA通過PXI接口接收來自零槽控制器的數據并向微電流檢測電路和供電電路發(fā)送控制命令，微電流檢測電路包括1-V轉換電路和ADC采集電路，其特征在于， 所述I;轉換電路包括兩條運算放大器支路，即第一運算放大器支路和第二運算放大器支路；第一運算放大器支路上設置有第一繼電器開關和第一運算放大器，第一繼電器開關的一端連接在第一運算放大器的反向輸入端，第一運算放大器的同向輸入端接地；第二運算放大器支路上設置有第二繼電器開關和第二運算放大器，第二繼電器開關的一端連接在第二運算放大器的反向輸入端，第二運算放大器的同向輸入端接地；第一繼電器開關的另一端和第二繼電器開關的另一端連接并作為1-V轉換電路的輸入端，第一運算放大器的輸出端和第二運算放大器的輸出端連接并作為1-V轉換電路的輸出端；在1-V轉換電路的輸入端和輸出端之間設置有反饋電阻電路和反饋電容電路；第一繼電器開關和第二繼電器開關控制端分別連接到FPGA上，F(xiàn)PGA控制第一繼電器開關和第二繼電器開關通斷分時切換第一運算放大器支路和第二運算放大器支路接入1-V轉換電路中。
2.根據權利要求1所述的PXI微電流檢測裝置，其特征在于，所述控制電路還包括溫度傳感器、EEROM和DA采集芯片，溫度傳感器、EEROM和DA采集芯片分別連接到FPGA上，F(xiàn)PGA 通過DA采集芯片采集微電流檢測電路輸出的電壓信號。
3.根據權利要求1所述的PXI微電流檢測裝置，所述微電流檢測電路置于微電流檢測板上，控制電路置于控制電路板上，在微電流檢測板的外側設置有一個屏蔽盒，微電流檢測板完全置于屏蔽盒的腔體內部并加以固定，在屏蔽盒上開設有供電接口和光耦隔離控制接口，供電電路通過供電接口為微電流檢測電路供電，控制電路通過光耦隔離控制接口與微電流檢測電路連接。
【文檔編號】G01R19/25GK103604982SQ201310581097
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權日:2013年11月19日
【發(fā)明者】薛沛祥, 喬宏志, 秦贊 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所