双通道微弱电流测量电路的设计

魏鹏

福建省计量科学研究院

摘 要：针对微弱电流检测，设计了一种基于I-V 变换法的电流检测电路，系统采用STM32F767主控芯片和ADS1271数模转换芯片，并利用keithley2400为标准的恒流源进行了测试，结果表明在电流大于1nA相对误差小于1%。

关键词： 微弱电流信号；I-V电路；恒流源

1 前言

微弱电流的测量是电子学技术中一项重要的技术分支，在光电探测、分析化学、高精度传感器和核电子学等学科都有广泛的应用。微弱电流一般只幅度微安以下的电流，此类信号不仅本身信号微弱，而且在传输和测量过程中容易受到受到噪声及外部干扰，对其测量难度较大。微弱电流测量原理主要有两种，一种是将微弱电流信号通过电路转换成频率信号，测量频率来转换成电流，即I-F变换法[1]。另一种是将微弱电流信号通过电路转换成电压信号，测量电压转换成电流，即I-V变换法[2]。本文设计了一种双通道微弱电流测量电路，实现两路信号同步采集。

2系统结构

微弱电流测量系统由I-V变换电路、量程转换开关、模数转换电路、温度传感器、单片机微控制器及通信模块等部分组成，系统示意图见图 1 。待测两路电流信号分别通过I-V变换电路转换为电压信号，单片机微控制器通过AD模数转换电路对电压信号进行采样并进行处理，同时系统根据采样电压的大小自动控制继电器，实现量程的切换。系统配有温度传感器用于采集环境温度，对测量结果进行温度补偿。通信模块配有RS232通信接口用于传送测量结果或对系统进行控制。

图 1 微弱电流测量系统示意图

3硬件设计

3.1 I-V 变换电路

I-V变换电路是微弱电流信号I转换为电压信号，一般经过换后的电压信号也会被放大有利于后面的采样。由于在转换过程中需要使用一个高阻值电阻作为反馈电阻，因此这种方法又称为“高阻法”[3]。 本文使用ADA4530-1低偏置电流的放大电路，最大偏置电流±20 fA,低失调电压最大值50μV，放大器默认配置为跨阻模式，采用100Ω-10 GΩ的电阻和高绝缘的继电器组成反馈网络，电路图见图2。

图2  I-V变换电路

3.2模拟数字转换器

模拟数字转换器采用两片ADS1271[4]，ADS1271是高带宽的24位工业用模/数转换器(ADC),实现了DC精度与AC性能的突破性结合，拥有50 kHz的带宽,105 kSPS的转换速率,1.8μV/℃的失调漂移以及高达109 dB的信噪比(SNR)。ADS1271使用SPI接口与MCU通讯。使用MAX6126做为参考电源。

图3 ADC电路图

3.3微控制器

系统采用STM32F767微控制器，该控制器基于高性能ARM Cortex-M7 32位RISC核心，工作频率高达216MHz。Cortex M7内核具有一个浮点单元（FPU），支持ARM双精度和单精度数据处理指令和数据类型。具有2 MB Flash、216 MHz CPU、ART加速器、一级缓存、SDRAM等，还实现了一套完整的DSP指令和一个内存保护单元（MPU），提高了应用程序的安全性。

3.4模拟电源

为了提高ADC的采集精度，除了要考虑AD和放大电路性能，为其提供电源的电路也至关重要。模拟部分电源使用±15V和±5V双电源，要求电源稳定且纹波小，因此采用TPS7A4701和TPS7A3301。这两款芯片是低噪声的大电流超低噪声低压降 (LDO) 稳压器，具有1A的电流输出能力，在 10 Hz至100 kHz 带宽下支持低于4.17 uVrms 的输出噪声，无需昂贵的大量滤波便可实现各种高性能应用。

图4 电源电路

3.5 PCB设计

PCB设计采用两片ADS1271，两者共用一个27M高稳定性晶振,考虑到两路信号之间的信号干扰问题，采用了隔离电源和隔离通信芯片进行电气隔离。隔离电源采用金升阳的A0524S，隔离电压为1000V，隔离通信芯片采用SI8441，隔离电压为2500V。

图5 PCB电路

4性能测试

微弱电流测试采用keithley2400为标准的恒流源，通过设定 keithley2400的输出电流值，记录keithley2400的读数和微弱电流测值，并计算误差，最终的测试结果如表1。

表1 微弱电流测值

设定值/nA	2400读数/nA	测量值/nA	相对误差/%
1	1.05	1.03	-1.90
5	5.06	5.03	-0.59
10	10.02	9.99	-0.30
50	50.02	49.91	-0.22
100	100.02	99.75	-0.27
-1	-0.98	-0.96	-2.04
-5	-4.95	-4.92	-0.61
-10	-9.95	-9.92	-0.30
-50	-49.91	-49.81	-0.20
-100	-99.95	-99.82	-0.13

5 小结

本文基于I-V 变换法设计了一种电流检测电路，采用STM32F767主控芯片和ADS1271数模转换芯片，并利用keithley2400为标准的恒流源进行了测试，结果表明在电流大于1nA相对误差小于1%。

参考文献：

[1]张亚薇,张志文.一种高精度I/F变换器的研究[J].生命科学仪器,2009,7(09):52-54.

[2]郭子成,刘国福,吴石林,李懋.半导体探测器输出电流检测系统前置放大器设计[J].核电子学与探测技术,2017,37(07):667-672.

[3]王威,崔敏,李孟委,张鹏,吴倩楠,张胜男.pA级电流信号检测电路设计[J].中北大学学报(自然科学版),2019,40(02):173-179.

[4]唐熙,唐德东.基于ADS1271的溶液离子含量检测系统的设计[J].仪器仪表用户,2017,24(05):20-22+81.