一種用于微小電流的線性測量電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微小電流測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于微小電流的線性測量電 路。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在測量寬動(dòng)態(tài)范圍微小電流時(shí)，通常采用基于對數(shù)測量電路的對數(shù)測量方 法進(jìn)行測量。對數(shù)測量方法存在的技術(shù)問題包括：①測量的動(dòng)態(tài)范圍小，不能實(shí)現(xiàn)全動(dòng)態(tài)范 圍的線性測量；②測量范圍兩端的精度誤差大；③不能實(shí)現(xiàn)極小電流的高精度測量。
[0003] 首先，隨著航空航天科學(xué)任務(wù)的不斷推進(jìn)，要求箭載或星載的科學(xué)儀器測量的電 流范圍越來越寬（PA~mA)，測量的電流值越來越小且測量精度越來越高(優(yōu)于1%)。這 些技術(shù)要求已經(jīng)超過了對數(shù)測量電路的極限測量范圍和測量誤差。對數(shù)測量方法的測量 范圍很大程度上取決于對數(shù)放大器件的自身動(dòng)態(tài)范圍參數(shù)，以美國模擬器件公司（Analog Devices，Inc.)生產(chǎn)的對數(shù)放大器件為例，大多數(shù)器件的動(dòng)態(tài)范圍在IOOdB以下，即電流測 量范圍IOnA~1mA，難以覆蓋pA級微小電流的測量。其次，采用對數(shù)測量方法在測量范圍 兩端的測量誤差較大。如說明書附圖中圖1所示，可較為直觀的看出，在測量范圍兩端存在 較大誤差，且隨著溫度的變化而變化。另外，當(dāng)微小電流低至PA級時(shí)，由于對數(shù)測量方法的 測量動(dòng)態(tài)范圍小，且在測量低端存在較大測量誤差，從而不能實(shí)現(xiàn)對極小電流的高精度測 量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，為解決在現(xiàn)有技術(shù)中運(yùn)用對數(shù)測量方法測量微小電流時(shí)所存 在的測量范圍小、測量誤差較大的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種用于微小電流的線性測量電 路。利用該線性測量電路，能夠?qū)崿F(xiàn)微小電流全動(dòng)態(tài)范圍的線性測量，同時(shí)能夠滿足微小電 流在測量范圍兩端時(shí)的高精度測量。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于微小電流的線性測量電路，所述的線性測 量電路包括：電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、差分電路和多級增益的自動(dòng)調(diào)整電路；所述的電流-電 壓轉(zhuǎn)換電路用于將電流信號(hào)按不同的電流范圍分多路輸入并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，將該電壓信 號(hào)輸出至差分電路；所述的差分電路用于將電流信號(hào)產(chǎn)生的漏電流轉(zhuǎn)換成誤差電壓，并從 接收到的電壓信號(hào)中刪除該誤差電壓得到線性輸出電壓，將該線性輸出電壓輸出至多級增 益的自動(dòng)調(diào)整電路；所述的多級增益的自動(dòng)調(diào)整電路用于將輸入的線性輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù) 字量信號(hào)，并將數(shù)字量信號(hào)與預(yù)設(shè)的閾值比對后確定量程信號(hào)的輸出值，將該輸出值反饋 至電流-電壓轉(zhuǎn)換電路選擇與其對應(yīng)的增益電阻。
[0006] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路包括運(yùn)放器件 AD549S和多路開關(guān)器件HI-509,該多路開關(guān)器件HI-509包括三個(gè)并聯(lián)電路，三個(gè)阻值分別 為1〇ΚΩ、1ΜΩ和100ΜΩ的電阻對應(yīng)連接在所述的三個(gè)并聯(lián)電路上，該電流-電壓轉(zhuǎn)換電 路將輸入的電流信號(hào)按不同的電流范圍分三個(gè)并聯(lián)電路輸入，并通過運(yùn)放器件AD549S及 多路開關(guān)器件HI-509轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。
[0007] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的差分電路包括運(yùn)放器件AD549S、多路 開關(guān)器件HI-509和差分運(yùn)算放大器INA117SM，所述的運(yùn)放器件AD549S和多路開關(guān)器件 HI-509用于將電流信號(hào)產(chǎn)生的漏電流轉(zhuǎn)換成誤差電壓，所述的差分運(yùn)算放大器INA117SM 將從接收到的電壓信號(hào)中刪除該誤差電壓得到線性輸出電壓。
[0008] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的多級增益的自動(dòng)調(diào)整電路包括16位ADC 數(shù)模轉(zhuǎn)換器件和FPGA邏輯控制器件，所述的16位ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器件用于將輸入的線性輸 出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，所述的FPGA邏輯控制器件將數(shù)字量信號(hào)與預(yù)設(shè)的閾值比對后 確定量程信號(hào)的輸出值，將該輸出值反饋至電流-電壓轉(zhuǎn)換電路中的多路開關(guān)器件HI-509 選擇對應(yīng)的增益電阻。
[0009] 本發(fā)明的一種用于微小電流的線性測量電路的優(yōu)點(diǎn)在于：電流-電壓轉(zhuǎn)換電路通 過將電流信號(hào)按不同的電流范圍分多路輸入，使微小電流能夠?qū)崿F(xiàn)全動(dòng)態(tài)范圍的測量；通 過差分電路將電流信號(hào)產(chǎn)生的漏電流轉(zhuǎn)換成誤差電壓，并從接收到的電壓信號(hào)中刪除該誤 差電壓得到線性輸出電壓，以消除運(yùn)算放大器件及測量電路的自身干擾，從而提高電流的 測量精度；通過多級增益的自動(dòng)調(diào)整電路將數(shù)字量信號(hào)與預(yù)設(shè)的閾值比對后確定量程信號(hào) 的輸出值，將該輸出值反饋至電流-電壓轉(zhuǎn)換電路選擇與其對應(yīng)的增益電阻，以計(jì)算電流 信號(hào)的電流值，利用反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電流測量，使線性測量電路結(jié)構(gòu)更為簡單，降低了開發(fā)成 本。
【附圖說明】
[0010] 圖1是在不同溫度下采用對數(shù)測量方法測量電流的線性誤差圖。
[0011] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中的一種用于微小電流的線性測量電路圖。
[0012] 圖3是本發(fā)明中的FPGA邏輯控制器件確定量程信號(hào)輸出值的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明所述的一種用于微小電流的線性測量電路進(jìn)行 詳細(xì)說明。
[0014] 本發(fā)明的一種用于微小電流的線性測量電路，所述的線性測量電路包括：電 流-電壓轉(zhuǎn)換電路、差分電路和多級增益的自動(dòng)調(diào)整電路；所述的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路用于 將電流信號(hào)按不同的電流范圍分多路輸入并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，將該電壓信號(hào)輸出至差分電 路；所述的差分電路用于將電流信號(hào)產(chǎn)生的漏電流轉(zhuǎn)換成誤差電壓，并從接收到的電壓信 號(hào)中刪除該誤差電壓得到線性輸出電壓，將該線性輸出電壓輸出至多級增益的自動(dòng)調(diào)整電 路；所述的多級增益的自動(dòng)調(diào)整電路用于將輸入的線性輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，并將 數(shù)字量信號(hào)與預(yù)設(shè)的閾值比對后確定量程信號(hào)的輸出值，將該輸出值反饋至電流-電壓轉(zhuǎn) 換電路選擇與其對應(yīng)的增益電阻。
[0015] 基于上述實(shí)施例，如圖2所示，由運(yùn)放器件AD549S和多路開關(guān)器件HI-509組成的 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路Ca,該多路開關(guān)器件HI-509包括三個(gè)并聯(lián)電路，三個(gè)電阻R al、Ra2和Ra3 對應(yīng)連接在所述的三個(gè)并聯(lián)電路上，阻值可分別選擇為IOK Ω、IM Ω和100M Ω。信號(hào)端輸入 電流Is通過電流-電壓轉(zhuǎn)換電路Ca輸出電壓Vtjlt5
[0016] 設(shè)定的輸出電壓Vtjl的滿量程輸出電壓閾值為±10V，最小輸出電壓閾值為 ±0. 01V?？芍娏?電壓轉(zhuǎn)換的基本公式為：
[0017] V = I · R 公式（5-1)
[0018] 其中，V是電壓、I是電流、R是增益電阻。
[0019] 該電流-電壓轉(zhuǎn)換電路Ca將輸入的電流信號(hào)Is按不同的電流范圍分三個(gè)并聯(lián)電 路輸入，并通過運(yùn)放器件AD549S及多路開關(guān)器件HI-509轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。當(dāng)選通10ΚΩ電 阻后，由公式（5-1)可計(jì)算得到可測量的電流范圍為0.0 OlmA~ImA ;當(dāng)選通1ΜΩ電阻后， 計(jì)算得到可測量的電流范圍為InA~0.0 lmA ;當(dāng)選通100M Ω電阻后，計(jì)算得到可測量的電 流范圍為IOOpA~ΙΟΟηΑ。三個(gè)增益電路對應(yīng)的電流測量范圍之間相互銜接，覆蓋了整個(gè)電 流測量范圍。
[0020] 該電流-電壓轉(zhuǎn)換電路Ca中的關(guān)鍵器件是運(yùn)放器件AD549S。其中運(yùn)放器件 AD549S具有極低的輸入漏電流(最大IOOfA),很低的偏置電壓