直流微小电流测试.doc

直流微小电流测量研究

对于现在的电器设备和元器件，漏电流越来越小，有些已到达fA级，所以微小电流的测量的难度越来越大。而直流微小电流的测量更困难。
引起直流微小电流测量不准的原因很多，但主要原因有以下四点。
1、 直流微小电流采样时所用的器件漏流必须远远小于被测量的电流，否则测出的电流中将混入器件的漏流。
2、 直流微小电流常受到外界的干扰，如工频干扰，电磁波干扰，甚至人体静电的干扰。
3、 测量出的小电流是一个无规则震动的波形。（噪声）
4、 电源和模拟地如有微小的震动也会影响测量的准确性。
针对以上四点，在制作电路时可采用如下测量方法。

图1
一、 直流微小电流模拟部分采样
图1是直流微小电流模拟部分采样部分。
小电流从Ui流入，经过U1放大到0.1V（100uA以下）或1V（100uA）以下，K1闭合测量是1nA档位；K2闭合测量是10nA档位；K3闭合测量是100nA和1uA档位。再U2经过放大，K4闭合是放大10倍，用于1nA档位； 10nA档位； 100nA档位。K5闭合是放大1倍，用于1uA档位。在U2输出1V电压。U3是一个有源低通滤波器。U4将信号放大到10V，再经过U5送到AD转换。
1、 为避免器件本身的漏流，不建议采用高端采样（差分采样），因此种方法，的每个采样点的电压比较大，虽然可采用浮动电源采样，但模拟地也将出现浮动，影响采样精度。所以这里采用低端采样。
2、 在信号输入时采用屏蔽线，PCB板用多层板将小电流信号线屏蔽。可避免外界干扰影响。
3、 图1中U1的用的运放要求漏电远远小于被测电流，笔者所用运放是15V时漏流小于20fA。

传统采样 小电流采样
图2
4、 传统采样与小电流采样如图2，传统采样用R1做为采样电阻，但此时R1的上端将会分流，既有一部分电流经过U2的U+脚流走。采用小电流采样电路直接将电流送入运放，避免分流。
5、 为了防止漏电，图1的U1输出<1nA、<10nA和<100nA时最大0.1V，因100M以上高精度的电阻很难找，并低电压漏电流也小。
6、 对于小电流无规则震荡采用U3及其部件组成的源低通滤波器。
二、 直流微小电流数字部分采样
图3是直流微小电流数字部分采样部分。

图3

TR1是系统加电的电源的变压器，它给工作系统供电。测试时当交流电源在零电平附近时将这个信号传到CPU，CPU接到信号后向AD发指令开始采样。
1、 TR1是系统加电的电源的变压器，当他把电源传给工作系统时，也将工频干扰传给了工作系统。所以U1和U2组成了过零标识输出系统。当工频电源过零点附近时，U4将输出低电平。CPU接收到此信号后才开始采样，否则不采样。这样采样点都在工频是零附近，避免工频干扰。
2、 AD用12位，只用高10为采样，低2位不作处理。因为一般AD后几位的精度比较差。
3、 AD用高速多次采样，做好采样上百次，将数字信号送入CPU。CPU将所采集的信号进行数字滤波，既去掉最大和最小的几个数据，其他数据进行平均值处理。再将最终的信号输出。
三、 经以上处理后的直流微小电流信号，测量1nA档位时的误差是3%（+-30pA），测量10nA档位时的误差是1.2%（+-120pA）。所以可对pA直流小电流进行测试。

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2012-3-11