CN203658433U - 一种高灵敏度宽量程电流放大变换电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及电流测量技术，提供一种高灵敏度宽量程电流放大变换电路，包括电流-电压变换电路和电压-频率变换电路，所述电流-电压变换电路的输出端与电压-频率变换电路相连。本实用新型下限可测量fA级电流、量程范围可跨越8个以上数量级，该电路第一级只采用一片仪表放大器，同时引入换档技术和电压-频率变换技术，解决了弱信号测量时电路结构复杂、量程范围窄、输出信号传输距离短、测量结果波动大等缺点。
Description
技术领域
本实用新型涉及电流测量技术，特别涉及一种高灵敏度宽量程电流放大变换电路。
背景技术
对于fA级弱电流的测量一直是信号处理的一个难点，由于漏电流的干扰，很少有电子学元器件能覆盖该量程的测量范围，而不少测量领域需要进行fA级电流的测量。如核技术领域的核辐射探测器、加速器束流监测、PH计、光电子流测量，经常需要进行弱电流信号测量。目前常见的方式有采用分离的晶体管放大及少数几种低偏置电流的运算放大器放大。而很多电子元器件在弱信号测量时温度漂移很严重，测量结果很容易受环境温度变化影响。
在有弱电流信号测量的场合，一般都希望测量仪表能够跨越很宽的量程，如8个以上的量级，而单个放大电路一般只能跨越三到四个量级，根本没法满足要求。通常的做法是采用多路并联的放大电路，通过切换放大电路的方式实现量程切换。这样做的代价是增加了元器件的数量、增大了电路的体积和功耗。
弱电流放大电路的一种常见结构形式是电流-频率变换电路，利用电子开关控制输入电流对小电容积分后，触发单稳态振荡电路输出频率等比例的脉冲信号。该电路的优点是结构简单，后续电路只需进行计数率测量，即可推算出输入电流的大小。缺点是在测量下限时，电路输出频率非常低，响应时间非常慢。
弱电流放大电路的另一种常见结构形式利用运算放大器将电流信号放大为电压信号后，利用数字电路进行AD变换，转换为数字信号测量。该电路优点是放大电路简单，只需一级电流-电压放大电路，缺点是单纯的电压信号不能进行远距离传输，无法满足远程测量的需求，且需要引入数字电路，存在数-模干扰、测量结果波动起伏较大等缺点。
发明内容
本实用新型的目的就是为了克服上述背景技术的不足之处，提供一种高灵敏度宽量程电流放大变换电路，其下限可测量fA级电流、量程范围可跨越8个以上数量级。该电路第一级只采用一片仪表放大器，同时引入换档技术和电压-频率变换技术，解决了弱信号测量时电路结构复杂、量程范围窄、输出信号传输距离短、测量结果波动大等缺点。
本实用新型的目的是通过如下技术措施来实现的：一种高灵敏度宽量程电流放大变换电路，包括电流-电压变换电路和电压-频率变换电路，所述电流-电压变换电路的输出端与电压-频率变换电路相连；所述电流-电压变换电路由仪表放大器U1、电流反馈电阻R1~R3、干簧继电器开关K2、K3组成，待测电流输入端Iin与仪表放大器U1的输入端相连，R1、R2、R3为三档并联的电流反馈电阻，R1>>R2>>R3，电阻R1连接在仪表放大器U1的输入端和输出端之间，干簧继电器开关K2、K3分别与电阻R2、R3串联后连接在仪表放大器U1的输入端和输出端之间；所述电压-频率变换电路由电压-频率变换模块U2及其积分电容Cn组成，电压-频率变换模块U2的输入端与电流-电压变换电路的输出信号V1相连。
本技术方案利用偏置电流非常低的仪表放大器U1作为信号第一级的放大器，利用电压反馈法将电流信号转换为电压信号。利用高绝缘度干簧继电器控制选择反馈电阻的阻值，拓宽电路的量程范围。为了方便信号的远距离传输和采集测量，在第一级后面引入了电压-频率变换电路，将电压信号转换为频率与电压成正比的方波信号，后续电路只要确定输入级的档位和脉冲频率，即可确定输入电流的大小。由于电压-频率变换电路有电荷积分电路存在，对信号电压信号起到了积分滤波的作用，减小了输出信号的波动性。
在上述技术方案中，为了抑制在高放大倍数换档时输入端工作电压变化造成的输出信号反向漂移，在仪表放大器U1的输入端设有一个通过干簧继电器Ks控制的泄压电阻，用来在档位切换时向输入端提供一辅助电压，防止放大器输出端出现反冲，减小了档位切换时间。
在上述技术方案中，所述仪表放大器U1的输出端设有一稳压二极管Dc，用来限制仪表放大器U1的最大输出电压始终低于放大器的饱和输出电压，这样可防止输入端突然出现大电流时放大器饱和而损伤元器件。
在上述技术方案中，电流-电压变换电路输出的电压信号利用电压-频率变换电路转换为脉冲高度一定的方波信号，电路的灵敏度可通过调整电路的参考电流来改变。在电压-频率变换电路后端可增加一级跟随放大电路，提高信号的传输距离。
本实用新型的有益之处在于：其下限可测量fA级电流、量程范围可跨越8个以上数量级。该电路第一级只采用一片仪表放大器，同时引入换档技术和电压-频率变换技术，解决了弱信号测量时电路结构复杂、量程范围窄、输出信号传输距离短、测量结果波动大等缺点。
附图说明
图1为本实用新型高灵敏度宽量程电流放大变换电路的连接图。
图2为本实用新型中电压-频率变换模块为多个集成电路组合的示意图。
图3为本实用新型中电压-频率变换模块为单个集成电路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的描述。
如图1所示，本实施实例提供一种高灵敏度宽量程电流放大变换电路，包括电流-电压变换电路和电压-频率变换电路，所述电流-电压变换电路的输出端与电压-频率变换电路相连；所述电流-电压变换电路由仪表放大器U1、电流反馈电阻R1~R3、绝缘电阻非常高的干簧继电器开关K2、K3组成，待测电流输入端Iin与仪表放大器U1的输入端相连，R1、R2、R3为三档并联的电流反馈电阻，R1>>R2>>R3，电阻R1连接在仪表放大器U1的输入端和输出端之间，干簧继电器开关K2、K3分别与电阻R2、R3串联后连接在仪表放大器U1的输入端和输出端之间。所述电流反馈电阻R2和R3由干簧继电器控制是否导通。R1直接连接，确保始终处于导通状态，这样确保当K2、K3均断开时，电路输入输出端之间的反馈电阻最大不超过R1，避免悬空时反馈电阻无穷大而使电路产生自激放大。为了能够测量弱电流信号，如几十fA的电流信号，放大器U1需采用偏置电流非常小的放大器，如INA116、LMC6001，同时，放大器输入端悬空布置，R1采用温度系数较小的大电阻，阻值在1G~1T之间。
由于R1非常大，当K2或者K3断开时，输入端的电流不能迅速从R1端泄放掉，会引起U1输入端工作点变化，从而使输出端电压反相。为了克服该困难，在电流输入端通过干簧继电器开关Ks接入了一个参考电压Vs，当K2、K3断开瞬间，让Ks闭合，给U1输入端一个参考电位，使放大器始终处于正常工作状态。Ks闭合时间非常短，在1s以内，该时间段内的输出信号可以通过后续信号处理单元扣除，因此不会影响测量结果。
在弱信号测量时，当输入端Iin有较大电流冲击时，会使放大器U1进入保护工作状态，需要较长时间才能恢复。为了克服这个困难，在U1输出端接有一个限制输出电压幅度的稳压二极管Dc（Dc的极性由U1输出信号的极性决定），当U1输出电压幅度超过稳压二极管的击穿电压Vz时，输出电压将限制在Vz。这样，当冲击过去后，电路能很快恢复至正常工作状态。
所述电压-频率变换电路由电压-频率变换模块U2及其积分电容Cn组成，电压-频率变换模块U2的输入端与电流-电压变换电路的输出信号V1相连。
电压-频率变换模块U2负责将U1输出的电压信号转换为频率等比例的方波信号。U2可以是单个集成电路芯片，如XR4151、AD537、LM131，也可以是多个集成电路芯片组合而成的功能模块，如LM131与LF356的组合。由于Cn有积分的作用，因此，可以过滤掉U1输出信号中的交流噪声。
如图2所示为本实用新型中电压-频率变换模块U2采用多个集成电路组合而成的实施例。其中，U2A为电压-频率变换集成电路，如LM131，U2B为运算放大器，如LF356，Cn为积分电容，Ct和Rt组成RC振荡电路。由于U2B的使用，电路的测量精度得到了提高，有利于测量弱电压信号。
如图3所示为本实用新型中电压-频率变换模块U2采用单个集成电路的实施例。电压-频率变换模块U2为XR4151、AD537、或LM131。其中，Cn为积分电容，Vref为U2内部逻辑电路的参考电压。由于本实用新型第一级电路对输出电流信号进行了预放大处理，因此对后续V-F变换电路要求不高，因此，两种实施例均可满足使用需求。
为了提高本实用新型在不同的环境温度下测量结果的精度，可在电路板上布置一温度传感器，在测量频率和档位信号的同时，记录下温度值，事先利用电流源测量出电路各档的温度曲线，用来对测量结果进行温度修正。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种高灵敏度宽量程电流放大变换电路，其特征是：包括电流-电压变换电路和电压-频率变换电路，所述电流-电压变换电路的输出端与电压-频率变换电路相连；所述电流-电压变换电路由仪表放大器U1、电流反馈电阻R1~R3、干簧继电器开关K2、K3组成，待测电流输入端Iin与仪表放大器U1的输入端相连，R1、R2、R3为三档并联的电流反馈电阻，R1>>R2>>R3，电阻R1连接在仪表放大器U1的输入端和输出端之间，干簧继电器开关K2、K3分别与电阻R2、R3串联后连接在仪表放大器U1的输入端和输出端之间；所述电压-频率变换电路由电压-频率变换模块U2及其积分电容Cn组成，电压-频率变换模块U2的输入端与电流-电压变换电路的输出信号V1相连。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度宽量程电流放大变换电路，其特征是：所述仪表放大器U1的输入端设有一个通过干簧继电器Ks控制的泄压电阻。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度宽量程电流放大变换电路，其特征是：所述仪表放大器U1的输出端设有一稳压二极管Dc。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度宽量程电流放大变换电路，其特征是：所述电压-频率变换电路输出端增设跟随放大电路。
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