一種微電流測(cè)量方法

莊所增

摘要??? 為進(jìn)一步提升微電流數(shù)據(jù)信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性、科學(xué)性和實(shí)際效益，本論文在運(yùn)用開關(guān)調(diào)制、多級(jí)放大、差分、狀態(tài)辨別等多樣化工具構(gòu)成微電流測(cè)量方法體系的基礎(chǔ)上，解決了多級(jí)放大和運(yùn)放電路飽和的重要難題，在提升微電流測(cè)量系統(tǒng)信噪比的同時(shí)加強(qiáng)了對(duì)微電流測(cè)量方法的研究，對(duì)當(dāng)代社會(huì)微電流測(cè)量方法的深入探討有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。

【關(guān)鍵詞】微電流 測(cè)量方法 設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和科技水平的進(jìn)一步提升，弱磁、弱聲、弱光和弱振動(dòng)等一系列極限條件下的試驗(yàn)測(cè)量已成為當(dāng)代科學(xué)家和相關(guān)人士進(jìn)一步認(rèn)識(shí)大自然的重要技術(shù)手段，然而，在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，此類微弱的信號(hào)大多是通過(guò)相應(yīng)傳感器進(jìn)行電量轉(zhuǎn)化，從而使待測(cè)弱信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)以便相關(guān)研究人員探討。因此，相關(guān)工作人員在實(shí)際測(cè)量時(shí)不可避免地會(huì)受到相應(yīng)噪聲和干擾的影響，進(jìn)而降低整個(gè)試驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確度和科學(xué)性。在此背景下，本文從微電流測(cè)量的相關(guān)內(nèi)涵出發(fā)，在探討微電流-電壓轉(zhuǎn)化原理和差分調(diào)制電路原理的基礎(chǔ)上，深入研究了微電流測(cè)量方法系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論知識(shí)及其校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果，旨在為優(yōu)化我國(guó)微電流測(cè)量方法的科學(xué)性帶來(lái)更多的思考和啟迪。

1 微電流測(cè)量相關(guān)內(nèi)容概述

眾所周知，微弱信號(hào)的檢測(cè)需要相關(guān)工作人員利用科學(xué)儀器等盡可能地過(guò)濾掉相關(guān)干擾信號(hào)，最大限度地還原原有待測(cè)信號(hào)，從而提升微弱信號(hào)的信噪比。也就是說(shuō)，有效地抑制噪聲對(duì)微弱電流的干擾是微電流測(cè)量的重要及關(guān)鍵內(nèi)容，科學(xué)合理的微電流檢測(cè)方法的研究和提出以及微電流測(cè)量?jī)x器的研制是目前微電流測(cè)量行業(yè)的核心熱點(diǎn)。就我國(guó)目前常用的微電流檢測(cè)方法而言，取樣積分法、相關(guān)檢測(cè)法、噪聲分解法、光電耦合法以及計(jì)算機(jī)程序控制法等都是微電流測(cè)量常用的科學(xué)方法。由于噪聲干擾是微電流測(cè)量過(guò)程中不容忽視的壓制性干擾信號(hào)，有關(guān)工作人員根據(jù)噪聲種類及特點(diǎn)將其分為了兩大類：首先是來(lái)自電子信息系統(tǒng)內(nèi)部固有的噪聲，包括相關(guān)設(shè)備運(yùn)放的偏置電流、失調(diào)電壓以及有關(guān)元件發(fā)熱產(chǎn)生的熱噪聲等。再者是來(lái)自電子信息系統(tǒng)外部環(huán)境的噪聲，主要包括工頻干擾、射頻噪聲、機(jī)械噪聲等?？傊?，相關(guān)工作人員在利用有關(guān)機(jī)械設(shè)備對(duì)微電流相關(guān)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析時(shí)，必須考慮噪聲干擾對(duì)微電流測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的不良影響，并采取合適方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行一定的修正。

2 微電流測(cè)量方法設(shè)計(jì)理論

2.1 微電流-電壓轉(zhuǎn)換原理

在工作人員對(duì)微電流測(cè)量方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先利用的便是微電流-電壓轉(zhuǎn)化定理。也就是說(shuō)，任何一個(gè)形成閉合回路的兩端電流網(wǎng)絡(luò)都可看成是一個(gè)等效電壓源，而電壓源和某一等效電阻竄聯(lián)，進(jìn)而形成運(yùn)放反饋電流法測(cè)量相應(yīng)的微電流，其整體原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。相關(guān)設(shè)計(jì)人員在考慮反饋電阻、平衡電阻、運(yùn)放失調(diào)電壓等的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)公式得到理想電路的具體輸出數(shù)值，進(jìn)而得出電壓的輸出誤差對(duì)微電流測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。

2.2 差分、調(diào)制電路原理

差分調(diào)制是在中央處理器控制調(diào)制開關(guān)的基礎(chǔ)上對(duì)微電流進(jìn)行調(diào)制，并進(jìn)一步借助調(diào)制電路和差分電路過(guò)濾掉電路周圍環(huán)境的雜質(zhì)直流信號(hào)，從而達(dá)到與待測(cè)電流信號(hào)成正比例關(guān)系的最大程度上純潔的微壓信號(hào)，為相關(guān)工作人員破解微電流信息打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。利用差分調(diào)制電路過(guò)濾掉電路系統(tǒng)中直流雜質(zhì)信號(hào)的測(cè)量方法，能夠最大程度上消除微電流測(cè)量過(guò)程中測(cè)量?jī)x器以及測(cè)量電路本身對(duì)微電流測(cè)量造成的干擾及不良影響。圖2所示即為微電流差分調(diào)制前置放大器的相關(guān)模型。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在微電流測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，相關(guān)工作人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)測(cè)量電路構(gòu)成、第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路、狀態(tài)判別電路等重要部分的設(shè)計(jì)。通常情況下，測(cè)量電路可由前置放大階段、信號(hào)放大階段和微電流輸出階段等三部分組成。前置放大階段能有效借助其設(shè)備將微電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)制放大，并將其電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的微壓信號(hào)，而電流輸出階段主要由采樣保持、差分電路等構(gòu)成，調(diào)制開關(guān)將放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行分類的采樣保持，差分電路則盡可能地去除系統(tǒng)誤差，最后輸出與被測(cè)微電流成正比的電壓信號(hào)，進(jìn)而得出所需信息。微電流測(cè)量系統(tǒng)中第一級(jí)放大電路的放大過(guò)程主要由8個(gè)小級(jí)完成，前置放大電路輸出的微壓信號(hào)在第1級(jí)放大電路中進(jìn)行放大時(shí)，主要由中央處理器控制相應(yīng)的放大級(jí)數(shù)，而級(jí)數(shù)具體數(shù)值的確定則需要相應(yīng)工作人員根據(jù)多路開關(guān)依次閉合的實(shí)際狀態(tài)判別電路的具體性質(zhì)而做出判斷。通常情況下，當(dāng)電路輸出的信號(hào)超過(guò)運(yùn)放工作的線性范圍數(shù)值時(shí)，級(jí)數(shù)則倒退1級(jí)，并將其送往中央處理器處理。此外，為盡可能避免工頻干擾信號(hào)被多次放大而給所需信息帶來(lái)的不良影響，每級(jí)放大電路都應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的低通濾波器。微電流測(cè)量系統(tǒng)中第二級(jí)放大電路的放大過(guò)程主要由4個(gè)小級(jí)完成，每小級(jí)放大電路的實(shí)際放大倍數(shù)均不宜過(guò)大，同時(shí)，每級(jí)放大電路的實(shí)際放大倍數(shù)都不應(yīng)超過(guò)運(yùn)放的飽和電壓和輸出信號(hào)的最大值，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。設(shè)備可根據(jù)微電流測(cè)量系統(tǒng)中調(diào)制開關(guān)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)將信號(hào)放大階段輸出的具體結(jié)果存放在相應(yīng)寄存器中，并進(jìn)一步利用差分電路和前置放大電路以盡可能地消除電路中的雜質(zhì)直流干擾信號(hào)。在狀態(tài)判別電路中，大多采用3V電源的前置放大電路，在經(jīng)過(guò)微電流-電壓轉(zhuǎn)化后將相應(yīng)信號(hào)輸送到對(duì)應(yīng)狀態(tài)的判別電路，經(jīng)判別電路中特定功能的判斷后將最終結(jié)果傳送到微電流測(cè)量系統(tǒng)的中央處理器，中央主要放大電路則常采用15V供電電源的運(yùn)算放大器，進(jìn)一步將相應(yīng)的電路傳輸結(jié)果傳送至另一判別電路，最后將總體判別結(jié)果傳輸至中央處理器，進(jìn)而為相關(guān)研究人員提供特定的數(shù)據(jù)信息。

4 試驗(yàn)仿真

在微電流測(cè)量系統(tǒng)中的工頻干擾實(shí)驗(yàn)時(shí)，有關(guān)工作人員可以通過(guò)空間輻射、傳導(dǎo)進(jìn)入等方式對(duì)待測(cè)量的儀器加裝相應(yīng)的金屬屏蔽層，進(jìn)而使微電流測(cè)量系統(tǒng)周圍環(huán)境的噪聲得到有效的抑制，通過(guò)對(duì)比測(cè)試者接觸相應(yīng)金屬外殼時(shí)測(cè)試電路輸出的有關(guān)波形圖可知，采用金屬屏蔽層的方式能夠在極大程度上降低周圍環(huán)境噪聲對(duì)微電流測(cè)量系統(tǒng)的不良影響。為進(jìn)一步證明采用調(diào)制電路和差分電路等過(guò)濾掉微電流測(cè)量體系中電路失調(diào)等直流雜質(zhì)信號(hào)的有效性和可行性，工作人員可用示波器分別測(cè)量采樣電路輸入端的波形圖和差分電路實(shí)際輸出端的波形圖，通過(guò)對(duì)比前后波形圖之間的圖形差異以得出直流雜質(zhì)是否被有效過(guò)濾的結(jié)論。

5結(jié)論

總之，隨著我國(guó)電子科技信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及其應(yīng)用范圍的不斷拓寬，微電流的測(cè)量在當(dāng)代社會(huì)眾多領(lǐng)域都具有不可忽視的重要地位，有關(guān)工作人員應(yīng)在切實(shí)把握微電流測(cè)量極其容易受到環(huán)境條件和儀器設(shè)備自身干擾的基礎(chǔ)上，盡可能地在充分利用自身資源的基礎(chǔ)上優(yōu)化微電流測(cè)量方法，為微電流測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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