電流探測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測量領(lǐng)域，具體涉及一種電流探測器。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)掃描隧道顯微鏡的隧穿電流，光電探測管、光電倍增管等輸出的微弱電流信號(hào) 進(jìn)行準(zhǔn)確測量是目前研究的熱點(diǎn)。這些微弱電流信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍特別大，例如電流值在皮 安級(jí)至微安級(jí)之間。
[0003] 目前對(duì)這些微弱電流的測量方法是：將待測的微弱電流經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換器得 到對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，將電壓信號(hào)通過同軸電纜輸入至電壓放大器進(jìn)行放大，由于微弱電流 的動(dòng)態(tài)范圍大，因此需要機(jī)械或電子量程轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍較大的微弱電流的測量。
[0004] 現(xiàn)有的電流探測器存在以下缺點(diǎn)：當(dāng)微弱電流為皮安級(jí)電流時(shí)，電纜本身引起的 漏電、噪音和誤差不能忽略，電纜的任何振動(dòng)都會(huì)帶來很大的誤差，因此對(duì)電纜的質(zhì)量和長 度都提出了嚴(yán)格的要求。另外由于寬量程的限制，皮安級(jí)的微弱電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后也 非常?。ɡ鐬楹练?jí)），電壓信號(hào)經(jīng)過多個(gè)連接頭進(jìn)行量程選擇和電壓放大，在電壓信號(hào) 傳輸路徑上容易受到干擾，并引入了不確定性誤差，機(jī)械量程轉(zhuǎn)換開關(guān)增加了測量操作的 復(fù)雜度，而電子量程轉(zhuǎn)換開關(guān)的導(dǎo)通電阻也會(huì)給測量帶來誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種電流探測器，包括：
[0006] 第一電壓參考源，用于輸出第一參考電壓；
[0007] 電流供應(yīng)裝置，用于輸出參考電流；
[0008] 電流放大裝置，包括接收待測電流的第一輸入端和接收所述參考電流的第二輸入 端，用于根據(jù)所述參考電流將所述待測電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)；以及
[0009] 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括用于接收所述電壓信號(hào)的第三輸入端和用于接收所述第一參考 電壓的第四輸入端，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于根據(jù)所述第一參考電壓將所述第三輸入端接收的 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。
[0010] 優(yōu)選的，所述電流放大裝置為對(duì)數(shù)放大器。
[0011] 優(yōu)選的，所述電流放大裝置包括：
[0012] 對(duì)數(shù)放大器，包括所述第一輸入端和所述第二輸入端，用于根據(jù)所述參考電流將 所述待測電流對(duì)數(shù)放大為相應(yīng)的第一電壓信號(hào)；以及
[0013] 電平變換電路，所述電平變換電路的輸出端連接至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的第三輸入 端，用于將所述第一電壓信號(hào)變換為所述相應(yīng)的電壓信號(hào)。
[0014] 優(yōu)選的，所述電流放大裝置包括：
[0015] 對(duì)數(shù)放大器，包括所述第一輸入端和所述第二輸入端，用于根據(jù)所述參考電流將 所述待測電流對(duì)數(shù)放大為相應(yīng)的第一電壓信號(hào)；
[0016] 電平變換電路，用于將所述第一電壓信號(hào)變換為相應(yīng)的第二電壓信號(hào)；以及
[0017] 低通濾波器，所述低通濾波器的輸入端連接至所述電平變換電路的輸出端且其輸 出端連接至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的第三輸入端，用于將所述第二電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述相應(yīng)的電 壓信號(hào)。
[0018] 優(yōu)選的，所述電平變換電路包括運(yùn)算放大器、第一電阻和第二電阻，所述第一電阻 和第二電阻的一端連接至所述運(yùn)算放大器的反相輸入端，所述第一電阻的另一端連接至所 述對(duì)數(shù)放大器的輸出端，所述第二電阻的另一端與所述運(yùn)算放大器的輸出端連接并作為所 述電平變換電路的輸出端。
[0019] 優(yōu)選的，所述電平變換電路還包括第三電阻和第四電阻，所述運(yùn)算放大器的同相 輸入端通過所述第三電阻連接至所述第一電壓參考源的輸出端，且所述運(yùn)算放大器的同相 輸入端通過所述第四電阻接地。
[0020] 優(yōu)選的，所述電流探測器還包括第二電壓參考源，所述運(yùn)算放大器的同相輸入端 直接電連接至所述第二電壓參考源的輸出端。
[0021] 優(yōu)選的，所述電流探測器還包括第三電壓參考源，所述電流供應(yīng)裝置為電阻，所述 電阻連接在所述第三電壓參考源的輸出端和所述第二輸入端之間。
[0022] 優(yōu)選的，所述電流供應(yīng)裝置為電阻，其連接在所述第一電壓參考源的輸出端和所 述第二輸入端之間。
[0023] 優(yōu)選的，所述電流供應(yīng)裝置為恒流源，所述恒流源的輸出端連接至所述第二輸入 端。
[0024] 本發(fā)明的電流探測器量程寬，且無需量程轉(zhuǎn)換開關(guān)，因此減小了電流探測器的體 積。另外可通過物理接頭直接與輸出待測電流的設(shè)備連接，避免了放大器的前端電纜帶來 的誤差和噪音。再者采用數(shù)字化傳輸降低了后端信號(hào)傳輸電纜的質(zhì)量和長度要求，進(jìn)一步 降低了外界干擾對(duì)測量結(jié)果的影響。
【附圖說明】
[0025] 以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中：
[0026] 圖1是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的電流探測器的電路圖。
[0027] 圖2是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的電流探測器的電路圖。
[0028] 圖3是本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的電流探測器的電路圖。
[0029] 圖4是本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施例的電流探測器的電路圖。
[0030] 圖5是本發(fā)明第五個(gè)實(shí)施例的電流探測器的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實(shí) 施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明， 并不用于限定本發(fā)明。
[0032] 圖1是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的電流探測器的電路圖。如圖1所示，電流探測器10 包括對(duì)數(shù)放大器11、電平變換電路14、低通濾波器12、模數(shù)轉(zhuǎn)換器13、電壓參考源151。
[0033] 對(duì)數(shù)放大器11采用現(xiàn)有技術(shù)中的對(duì)數(shù)放大器，例如選用4127對(duì)數(shù)放大器，其放大 系數(shù)α = 0. 5。對(duì)數(shù)放大器11的一個(gè)輸入端子接收待測電流I，另一個(gè)輸入端子通過電阻 R5與電壓參考源151的輸出端連接。其中，電壓參考源151提供的參考電壓Uraf = 4. 096 伏，電阻R5和電壓參考源151用于給對(duì)數(shù)放大器11的另一個(gè)輸入端子提供0. 5微安的 參考電流Iraf。對(duì)數(shù)放大器11將待測電流I進(jìn)行對(duì)數(shù)放大并得到相應(yīng)的電壓信號(hào)U，其中
[0034] 電平變換電路14包括運(yùn)算放大器141、電阻R1、R2、R3和R4。電阻R1和R2的一 端與運(yùn)算放大器141的反相輸入端相連接，電阻R1的另一端作為電平變換電路14的一個(gè) 輸入端子連接至對(duì)數(shù)放大器11的輸出端，電阻R2的另一端連接至運(yùn)算放大器141的輸出 端（即電平變換電路14的輸出端），電阻R3和R4的一端與運(yùn)算放大器141的同相輸入端 相連接，電阻R3的另一端連接至電壓參考源151的輸出端，電阻R4的另一端接地。電平變 換電路14輸出端的電壓1]_=〇? 1+1?2)1?41]1^〇?3+1? 4)1?1-1]1?2/%，其中1?1、1?2為和1? 4分別為電 阻Rl、R2、R3和R4的阻值。在本實(shí)施例中，選取札=R2，且R3 = 3R4，則IU = 0· 5Uref-U， 從而實(shí)現(xiàn)將對(duì)數(shù)放大器11輸出的電壓信號(hào)U反相后疊加一直流電壓0. 5Uraf。
[0035] 低通濾波器12為RC濾波器，包括電阻R6和電容C，低通濾波器12的輸入端電連 接至電平變換電路14的輸出端。低通濾波器12用于過濾電壓信號(hào)中高于其轉(zhuǎn)折頻率 的高頻噪聲或干擾信號(hào)，從而在其輸出端得到幅值不變的電壓信號(hào)U'，因此低通濾波器12 減小了系統(tǒng)的高頻噪聲或干擾信號(hào)對(duì)待測電流的影響。電阻R6和電容C的參數(shù)根據(jù)實(shí)際 的待測電流I的波動(dòng)頻率而設(shè)定，例如過濾ΙΟΚΗζ以上的高頻噪聲或干擾信號(hào)，電容可以選 擇1000皮法，電阻R6可以選擇1八2* π *10KHz*1000皮法），即16K。
[0036] 模數(shù)轉(zhuǎn)換器13的一個(gè)輸入端子與低通濾波器12的輸出端連接，另一個(gè)輸入端子 與電壓參考源151的輸出端連接。模數(shù)轉(zhuǎn)換器13采用現(xiàn)有技術(shù)中的單通道16位模數(shù)轉(zhuǎn)換 器（其最大的輸出數(shù)字碼為32767)，用于將其輸入端的電壓信號(hào)U'轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信 號(hào)，其輸出數(shù)字碼=U' X 32768/4. 096 = (0.5Uraf-U)X 32768/4. 096。因此減小了模數(shù)轉(zhuǎn) 換器13的后端信號(hào)傳輸帶來的噪聲和外界干擾，降低了其輸出端線纜的質(zhì)量和長度要求。
[0037] 上述電流探測器10中的參數(shù)只是示例性解釋本發(fā)明，并不意欲對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限 制。為了使得電流探測器10測量的更加精確，應(yīng)該根據(jù)待測電流的動(dòng)態(tài)范圍選擇合適的參 數(shù)，當(dāng)待測電流的動(dòng)態(tài)范圍發(fā)生變化時(shí)，可以或應(yīng)設(shè)定其他的參數(shù)。下面將說明本發(fā)明第一 個(gè)實(shí)施例中參數(shù)的選擇過程或依據(jù)。首先估計(jì)待測電流的動(dòng)態(tài)范圍，例如60皮安~3毫安， 由于對(duì)數(shù)放大器11能夠精確放大參考電流I raf附近的微弱電流，則對(duì)數(shù)放大器11的最佳參
?,為了方便計(jì)算，在此我們選擇參考電流Iraf =〇. 5微安。根據(jù)待測電流的動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算得到對(duì)數(shù)放大器11輸出電壓的最大值和最小 值的差值=〇. 5峋（3毫安/6皮安）=3. 8495伏。為了使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器13的輸出數(shù)字碼 盡可能準(zhǔn)確，參考電壓Uraf優(yōu)選略大于對(duì)數(shù)放大器11輸出電壓的最大差值3. 8495伏，在此