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一種高靈敏度寬量程電流放大變換電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及電流測(cè)量技術(shù)，提供一種高靈敏度寬量程電流放大變換電路，包括電流-電壓變換電路和電壓-頻率變換電路，所述電流-電壓變換電路的輸出端與電壓-頻率變換電路相連。本實(shí)用新型下限可測(cè)量fA級(jí)電流、量程范圍可跨越8個(gè)以上數(shù)量級(jí)，該電路第一級(jí)只采用一片儀表放大器，同時(shí)引入換檔技術(shù)和電壓-頻率變換技術(shù)，解決了弱信號(hào)測(cè)量時(shí)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、量程范圍窄、輸出信號(hào)傳輸距離短、測(cè)量結(jié)果波動(dòng)大等缺點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種高靈敏度寬量程電流放大變換電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電流測(cè)量技術(shù)，特別涉及一種高靈敏度寬量程電流放大變換電路。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于fA級(jí)弱電流的測(cè)量一直是信號(hào)處理的一個(gè)難點(diǎn)，由于漏電流的干擾，很少有電子學(xué)元器件能覆蓋該量程的測(cè)量范圍，而不少測(cè)量領(lǐng)域需要進(jìn)行fA級(jí)電流的測(cè)量。如核【技術(shù)領(lǐng)域】的核輻射探測(cè)器、加速器束流監(jiān)測(cè)、PH計(jì)、光電子流測(cè)量，經(jīng)常需要進(jìn)行弱電流信號(hào)測(cè)量。目前常見的方式有采用分離的晶體管放大及少數(shù)幾種低偏置電流的運(yùn)算放大器放大。而很多電子元器件在弱信號(hào)測(cè)量時(shí)溫度漂移很嚴(yán)重，測(cè)量結(jié)果很容易受環(huán)境溫度變化影響。
[0003]在有弱電流信號(hào)測(cè)量的場(chǎng)合，一般都希望測(cè)量?jī)x表能夠跨越很寬的量程，如8個(gè)以上的量級(jí)，而單個(gè)放大電路一般只能跨越三到四個(gè)量級(jí)，根本沒法滿足要求。通常的做法是采用多路并聯(lián)的放大電路，通過(guò)切換放大電路的方式實(shí)現(xiàn)量程切換。這樣做的代價(jià)是增加了元器件的數(shù)量、增大了電路的體積和功耗。[0004]弱電流放大電路的一種常見結(jié)構(gòu)形式是電流-頻率變換電路，利用電子開關(guān)控制輸入電流對(duì)小電容積分后，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)振蕩電路輸出頻率等比例的脈沖信號(hào)。該電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后續(xù)電路只需進(jìn)行計(jì)數(shù)率測(cè)量，即可推算出輸入電流的大小。缺點(diǎn)是在測(cè)量下限時(shí)，電路輸出頻率非常低，響應(yīng)時(shí)間非常慢。
[0005]弱電流放大電路的另一種常見結(jié)構(gòu)形式利用運(yùn)算放大器將電流信號(hào)放大為電壓信號(hào)后，利用數(shù)字電路進(jìn)行AD變換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)測(cè)量。該電路優(yōu)點(diǎn)是放大電路簡(jiǎn)單，只需一級(jí)電流-電壓放大電路，缺點(diǎn)是單純的電壓信號(hào)不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，無(wú)法滿足遠(yuǎn)程測(cè)量的需求，且需要引入數(shù)字電路，存在數(shù)-模干擾、測(cè)量結(jié)果波動(dòng)起伏較大等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述【背景技術(shù)】的不足之處，提供一種高靈敏度寬量程電流放大變換電路，其下限可測(cè)量fA級(jí)電流、量程范圍可跨越8個(gè)以上數(shù)量級(jí)。該電路第一級(jí)只采用一片儀表放大器，同時(shí)引入換檔技術(shù)和電壓-頻率變換技術(shù)，解決了弱信號(hào)測(cè)量時(shí)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、量程范圍窄、輸出信號(hào)傳輸距離短、測(cè)量結(jié)果波動(dòng)大等缺點(diǎn)。
[0007]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)如下技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的:一種高靈敏度寬量程電流放大變換電路，包括電流-電壓變換電路和電壓-頻率變換電路，所述電流-電壓變換電路的輸出端與電壓-頻率變換電路相連；所述電流-電壓變換電路由儀表放大器U1、電流反饋電阻RfR3、干簧繼電器開關(guān)K2、K3組成，待測(cè)電流輸入端Iin與儀表放大器Ul的輸入端相連，R1、R2、R3為三檔并聯(lián)的電流反饋電阻，R1?R2?R3，電阻Rl連接在儀表放大器Ul的輸入端和輸出端之間，干簧繼電器開關(guān)K2、K3分別與電阻R2、R3串聯(lián)后連接在儀表放大器Ul的輸入端和輸出端之間；所述電壓-頻率變換電路由電壓-頻率變換模塊U2及其積分電容Cn組成，電壓-頻率變換模塊U2的輸入端與電流-電壓變換電路的輸出信號(hào)Vl相連。
[0008]本技術(shù)方案利用偏置電流非常低的儀表放大器Ul作為信號(hào)第一級(jí)的放大器，利用電壓反饋法將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。利用高絕緣度干簧繼電器控制選擇反饋電阻的阻值，拓寬電路的量程范圍。為了方便信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸和采集測(cè)量，在第一級(jí)后面引入了電壓-頻率變換電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率與電壓成正比的方波信號(hào)，后續(xù)電路只要確定輸入級(jí)的檔位和脈沖頻率，即可確定輸入電流的大小。由于電壓-頻率變換電路有電荷積分電路存在，對(duì)信號(hào)電壓信號(hào)起到了積分濾波的作用，減小了輸出信號(hào)的波動(dòng)性。
[0009]在上述技術(shù)方案中，為了抑制在高放大倍數(shù)換檔時(shí)輸入端工作電壓變化造成的輸出信號(hào)反向漂移，在儀表放大器Ul的輸入端設(shè)有一個(gè)通過(guò)干簧繼電器Ks控制的泄壓電阻，用來(lái)在檔位切換時(shí)向輸入端提供一輔助電壓，防止放大器輸出端出現(xiàn)反沖，減小了檔位切換時(shí)間。
[0010]在上述技術(shù)方案中，所述儀表放大器Ul的輸出端設(shè)有一穩(wěn)壓二極管Dc,用來(lái)限制儀表放大器Ul的最大輸出電壓始終低于放大器的飽和輸出電壓，這樣可防止輸入端突然出現(xiàn)大電流時(shí)放大器飽和而損傷元器件。
[0011 ] 在上述技術(shù)方案中，電流-電壓變換電路輸出的電壓信號(hào)利用電壓-頻率變換電路轉(zhuǎn)換為脈沖高度一定的方波信號(hào)，電路的靈敏度可通過(guò)調(diào)整電路的參考電流來(lái)改變。在電壓-頻率變換電路后端可增加一級(jí)跟隨放大電路，提高信號(hào)的傳輸距離。
[0012]本實(shí)用新型的有益之處在于:其下限可測(cè)量fA級(jí)電流、量程范圍可跨越8個(gè)以上數(shù)量級(jí)。該電路第一級(jí)只采用一片儀表放大器，同時(shí)引入換檔技術(shù)和電壓-頻率變換技術(shù)，解決了弱信號(hào)測(cè)量時(shí)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、量程范圍窄、輸出信號(hào)傳輸距離短、測(cè)量結(jié)果波動(dòng)大等缺點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
`[0013]圖1為本實(shí)用新型高靈敏度寬量程電流放大變換電路的連接圖。
[0014]圖2為本實(shí)用新型中電壓-頻率變換模塊為多個(gè)集成電路組合的示意圖。
[0015]圖3為本實(shí)用新型中電壓-頻率變換模塊為單個(gè)集成電路的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。
[0017]如圖1所示，本實(shí)施實(shí)例提供一種高靈敏度寬量程電流放大變換電路，包括電流-電壓變換電路和電壓-頻率變換電路，所述電流-電壓變換電路的輸出端與電壓-頻率變換電路相連；所述電流-電壓變換電路由儀表放大器U1、電流反饋電阻RfR3、絕緣電阻非常高的干簧繼電器開關(guān)K2、K3組成，待測(cè)電流輸入端Iin與儀表放大器Ul的輸入端相連，RU R2、R3為三檔并聯(lián)的電流反饋電阻，R1?R2?R3,電阻Rl連接在儀表放大器Ul的輸入端和輸出端之間，干簧繼電器開關(guān)K2、K3分別與電阻R2、R3串聯(lián)后連接在儀表放大器Ul的輸入端和輸出端之間。所述電流反饋電阻R2和R3由干簧繼電器控制是否導(dǎo)通。Rl直接連接，確保始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，這樣確保當(dāng)K2、K3均斷開時(shí)，電路輸入輸出端之間的反饋電阻最大不超過(guò)Rl，避免懸空時(shí)反饋電阻無(wú)窮大而使電路產(chǎn)生自激放大。為了能夠測(cè)量弱電流信號(hào)，如幾十fA的電流信號(hào)，放大器Ul需采用偏置電流非常小的放大器，如INA116、LMC6001,同時(shí),放大器輸入端懸空布置，Rl米用溫度系數(shù)較小的大電阻，阻值在1G~1T之間。
[0018]由于Rl非常大，當(dāng)K2或者K3斷開時(shí)，輸入端的電流不能迅速?gòu)腞l端泄放掉，會(huì)引起Ul輸入端工作點(diǎn)變化，從而使輸出端電壓反相。為了克服該困難，在電流輸入端通過(guò)干簧繼電器開關(guān)Ks接入了一個(gè)參考電壓Ns’當(dāng)K2、K3斷開瞬間，讓Ks閉合，給Ul輸入端一個(gè)參考電位，使放大器始終處于正常工作狀態(tài)。Ks閉合時(shí)間非常短,在Is以內(nèi)，該時(shí)間段內(nèi)的輸出信號(hào)可以通過(guò)后續(xù)信號(hào)處理單元扣除，因此不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。
[0019]在弱信號(hào)測(cè)量時(shí)，當(dāng)輸入端Iin有較大電流沖擊時(shí)，會(huì)使放大器Ul進(jìn)入保護(hù)工作狀態(tài)，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)。為了克服這個(gè)困難，在Ul輸出端接有一個(gè)限制輸出電壓幅度的穩(wěn)壓二極管Dc (Dc的極性由Ul輸出信號(hào)的極性決定)，當(dāng)Ul輸出電壓幅度超過(guò)穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓Vz時(shí)，輸出電壓將限制在Vz。這樣，當(dāng)沖擊過(guò)去后，電路能很快恢復(fù)至正常工作狀態(tài)。
[0020]所述電壓-頻率變換電路由電壓-頻率變換模塊U2及其積分電容Cn組成，電壓-頻率變換模塊U2的輸入端與電流-電壓變換電路的輸出信號(hào)Vl相連。
[0021]電壓-頻率變換模塊U2負(fù)責(zé)將Ul輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率等比例的方波信號(hào)。似可以是單個(gè)集成電路芯片，如乂1?4151、40537、111131，也可以是多個(gè)集成電路芯片組合而成的功能模塊，如LM131與LF356的組合。由于Cn有積分的作用，因此，可以過(guò)濾掉Ul輸出信號(hào)中的交流噪聲。
[0022]如圖2所示為本實(shí)用新型中電壓-頻率變換模塊U2采用多個(gè)集成電路組合而成的實(shí)施例。其中，U2A為電壓-頻率變換集成電路，如LM131，U2B為運(yùn)算放大器，如LF356，Cn為積分電容，Ct和Rt組成 RC振蕩電路。由于U2B的使用，電路的測(cè)量精度得到了提高，有利于測(cè)量弱電壓信號(hào)。
[0023]如圖3所示為本實(shí)用新型中電壓-頻率變換模塊U2采用單個(gè)集成電路的實(shí)施例。電壓-頻率變換模塊U2為XR4151、AD537、或LM131。其中，Cn為積分電容，Vref為U2內(nèi)部邏輯電路的參考電壓。由于本實(shí)用新型第一級(jí)電路對(duì)輸出電流信號(hào)進(jìn)行了預(yù)放大處理，因此對(duì)后續(xù)V-F變換電路要求不高，因此，兩種實(shí)施例均可滿足使用需求。
[0024]為了提高本實(shí)用新型在不同的環(huán)境溫度下測(cè)量結(jié)果的精度，可在電路板上布置一溫度傳感器，在測(cè)量頻率和檔位信號(hào)的同時(shí)，記錄下溫度值，事先利用電流源測(cè)量出電路各檔的溫度曲線，用來(lái)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度修正。
[0025]本說(shuō)明書未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種高靈敏度寬量程電流放大變換電路，其特征是:包括電流-電壓變換電路和電壓-頻率變換電路，所述電流-電壓變換電路的輸出端與電壓-頻率變換電路相連；所述電流-電壓變換電路由儀表放大器U1、電流反饋電阻Rf R3、干簧繼電器開關(guān)K2、K3組成，待測(cè)電流輸入端Iin與儀表放大器Ul的輸入端相連，R1、R2、R3為三檔并聯(lián)的電流反饋電阻，R1?R2?R3,電阻Rl連接在儀表放大器Ul的輸入端和輸出端之間，干簧繼電器開關(guān)K2、K3分別與電阻R2、R3串聯(lián)后連接在儀表放大器Ul的輸入端和輸出端之間；所述電壓-頻率變換電路由電壓-頻率變換模塊U2及其積分電容Cn組成，電壓-頻率變換模塊U2的輸入端與電流-電壓變換電路的輸出信號(hào)Vl相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度寬量程電流放大變換電路，其特征是:所述儀表放大器Ul的輸入端設(shè)有一個(gè)通過(guò)干簧繼電器Ks控制的泄壓電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度寬量程電流放大變換電路，其特征是:所述儀表放大器Ul的輸出端設(shè)有一穩(wěn)壓二極管Dc。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度寬量程電流放大變換電路，其特征是:所述電壓-頻率變換電路輸`出端增設(shè)跟隨放大電路。
【文檔編號(hào)】G01R19/252GK203658433SQ201320748699
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】孫光智, 左亮周, 杜偉, 劉舜, 金坦, 何莉, 張超, 薛家旭, 朱國(guó)華, 夏炎 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所