一種用于微小電流的線性測量電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微小電流測量技術領域，尤其涉及一種用于微小電流的線性測量電 路。
【背景技術】
[0002] 目前，在測量寬動態范圍微小電流時，通常采用基于對數測量電路的對數測量方 法進行測量。對數測量方法存在的技術問題包括：①測量的動態范圍小，不能實現全動態范 圍的線性測量；②測量范圍兩端的精度誤差大；③不能實現極小電流的高精度測量。
[0003] 首先，隨著航空航天科學任務的不斷推進，要求箭載或星載的科學儀器測量的電 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(優于1%)。這 些技術要求已經超過了對數測量電路的極限測量范圍和測量誤差。對數測量方法的測量 范圍很大程度上取決于對數放大器件的自身動態范圍參數，以美國模擬器件公司（Analog Devices，Inc.)生產的對數放大器件為例，大多數器件的動態范圍在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，當微小電流低至PA級時，由于對數測量方法的 測量動態范圍小，且在測量低端存在較大測量誤差，從而不能實現對極小電流的高精度測 量。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于，為解決在現有技術中運用對數測量方法測量微小電流時所存 在的測量范圍小、測量誤差較大的技術問題，本發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，能夠實現微小電流全動態范圍的線性測量，同時能夠滿足微小電 流在測量范圍兩端時的高精度測量。
[0005] 為實現上述目的，本發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-電壓轉換電路、差分電路和多級增益的自動調整電路；所述的電流-電 壓轉換電路用于將電流信號按不同的電流范圍分多路輸入并轉換成電壓信號，將該電壓信 號輸出至差分電路；所述的差分電路用于將電流信號產生的漏電流轉換成誤差電壓，并從 接收到的電壓信號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 益的自動調整電路；所述的多級增益的自動調整電路用于將輸入的線性輸出電壓轉換成數 字量信號，并將數字量信號與預設的閾值比對后確定量程信號的輸出值，將該輸出值反饋 至電流-電壓轉換電路選擇與其對應的增益電阻。
[0006] 作為上述技術方案的進一步改進，所述的電流-電壓轉換電路包括運放器件 AD549S和多路開關器件HI-509,該多路開關器件HI-509包括三個并聯電路，三個阻值分別 為1〇ΚΩ、1ΜΩ和100ΜΩ的電阻對應連接在所述的三個并聯電路上，該電流-電壓轉換電 路將輸入的電流信號按不同的電流范圍分三個并聯電路輸入，并通過運放器件AD549S及 多路開關器件HI-509轉換成電壓信號。
[0007] 作為上述技術方案的進一步改進，所述的差分電路包括運放器件AD549S、多路 開關器件HI-509和差分運算放大器INA117SM，所述的運放器件AD549S和多路開關器件 HI-509用于將電流信號產生的漏電流轉換成誤差電壓，所述的差分運算放大器INA117SM 將從接收到的電壓信號中刪除該誤差電壓得到線性輸出電壓。
[0008] 作為上述技術方案的進一步改進，所述的多級增益的自動調整電路包括16位ADC 數模轉換器件和FPGA邏輯控制器件，所述的16位ADC數模轉換器件用于將輸入的線性輸 出電壓轉換成數字量信號，所述的FPGA邏輯控制器件將數字量信號與預設的閾值比對后 確定量程信號的輸出值，將該輸出值反饋至電流-電壓轉換電路中的多路開關器件HI-509 選擇對應的增益電阻。
[0009] 本發明的一種用于微小電流的線性測量電路的優點在于：電流-電壓轉換電路通 過將電流信號按不同的電流范圍分多路輸入，使微小電流能夠實現全動態范圍的測量；通 過差分電路將電流信號產生的漏電流轉換成誤差電壓，并從接收到的電壓信號中刪除該誤 差電壓得到線性輸出電壓，以消除運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調整電路將數字量信號與預設的閾值比對后確定量程信號 的輸出值，將該輸出值反饋至電流-電壓轉換電路選擇與其對應的增益電阻，以計算電流 信號的電流值，利用反饋網絡實現電流測量，使線性測量電路結構更為簡單，降低了開發成 本。
【附圖說明】
[0010] 圖1是在不同溫度下采用對數測量方法測量電流的線性誤差圖。
[0011] 圖2是本發明實施例中的一種用于微小電流的線性測量電路圖。
[0012] 圖3是本發明中的FPGA邏輯控制器件確定量程信號輸出值的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合附圖和實施例對本發明所述的一種用于微小電流的線性測量電路進行 詳細說明。
[0014] 本發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-電壓轉換電路、差分電路和多級增益的自動調整電路；所述的電流-電壓轉換電路用于 將電流信號按不同的電流范圍分多路輸入并轉換成電壓信號，將該電壓信號輸出至差分電 路；所述的差分電路用于將電流信號產生的漏電流轉換成誤差電壓，并從接收到的電壓信 號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調整電 路；所述的多級增益的自動調整電路用于將輸入的線性輸出電壓轉換成數字量信號，并將 數字量信號與預設的閾值比對后確定量程信號的輸出值，將該輸出值反饋至電流-電壓轉 換電路選擇與其對應的增益電阻。
[0015] 基于上述實施例，如圖2所示，由運放器件AD549S和多路開關器件HI-509組成的 電流-電壓轉換電路Ca,該多路開關器件HI-509包括三個并聯電路，三個電阻R al、Ra2和Ra3 對應連接在所述的三個并聯電路上，阻值可分別選擇為IOK Ω、IM Ω和100M Ω。信號端輸入 電流Is通過電流-電壓轉換電路Ca輸出電壓Vtjlt5
[0016] 設定的輸出電壓Vtjl的滿量程輸出電壓閾值為±10V，最小輸出電壓閾值為 ±0. 01V。可知電流-電壓轉換的基本公式為：
[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-電壓轉換電路Ca將輸入的電流信號Is按不同的電流范圍分三個并聯電 路輸入，并通過運放器件AD549S及多路開關器件HI-509轉換成電壓信號。當選通10ΚΩ電 阻后，由公式（5-1)可計算得到可測量的電流范圍為0.0 OlmA~ImA ;當選通1ΜΩ電阻后， 計算得到可測量的電流范圍為InA~0.0 lmA ;當選通100M Ω電阻后，計算得到可測量的電 流范圍為IOOpA~ΙΟΟηΑ。三個增益電路對應的電流測量范圍之間相互銜接，覆蓋了整個電 流測量范圍。
[0020] 該電流-電壓轉換電路Ca中的關鍵器件是運放器件AD549S。其中運放器件 AD549S具有極低的輸入漏電流(最大IOOfA),很低的偏置電壓