一種小型高精度微電流測量模塊設計

殷少軒，蘇 葉，王澳輝，何孟軒，劉明輝

應用研究

一種小型高精度微電流測量模塊設計

殷少軒，蘇 葉，王澳輝，何孟軒，劉明輝

（海軍工程大學核科學技術學院，武漢 430033）

針對現場測試中需要測量納安級或者更小微電流的情況，本文設計一種可通過微控制器程控的高精度、高穩定性的小型微電流測量模塊。該測量模塊由I/V轉換模塊、A/D轉換模塊和基準源等電路組成。微控制器可通過6根數據線與ADC通信，從而實現對測量模塊的控制。測量模塊的量程是-1000 nA到1000 nA，精度可達0.1 nA級。

納安級 微電流測量 程控 高精度

0 引言

儀控領域低失真、低成本遠距離傳輸微電流的信號傳輸方式已廣泛應用于各個行業[1~2]。但高精度小型微電流測量一直是難點問題[3~5]。在工控系統和儀控系統的現場測試中，會遇到許多微電流信號測量問題[6~7]。但精度高而體積過大的測量儀器無法帶到現場；而小體積測量儀器往往精度又達不到要求。本文基于小型化、高精度、高穩定性的設計理念，提出了一種小型化精密微電流測量模塊的設計方法。

1 總體設計

微電流測量模塊電路結構圖如圖1所示。模塊由I/V轉換、A/D轉換模塊、單片機模塊和2.5 V基準源四大部分組成。微電流由屏蔽導線傳輸，并在電流轉換過程中設置了電流環保護，以防漏電流而影響模塊的測量精度。通過LMC6001和高精度低溫漂的2 MΩ電阻，將微弱電流轉換成0.5 V到4.5 V的電壓，然后通過ADC7705采集，完成AD轉換，并將數據傳輸給單片機，最后由單片機計算、校準并顯示測量值。

圖1 總體設計

2 硬件設計

2.1 I/V轉換電路

在電流傳輸過程中，傳輸線路和周圍電路之間，不可避免的會存在一定的漏電阻，從而會存在一定的漏電流，如果不對其做相應的防護，則會極大的降低測量精度，甚至會直接導致測量失敗。為了防止漏電流的產生，在微電流由被測模塊到處理電路的傳輸過程中，模塊采用屏蔽線進行傳輸，在電路板上，則如圖2中紅框所示，添加了一個電流保護環。電流保護環相當于一個電磁屏蔽套，其對內部微電流流過的部分起到電磁屏蔽和防止漏電流的效果。另外微電流還需要有一根屏蔽導線傳輸[9,10]。

圖2 I/V轉換電路

2.2 A/D轉換電路

AD7705是一款應用于低頻測量的雙通道模擬前端，可直接采集傳感器的低電平輸出信號，轉換產生一個串行數字輸出。它擁有兩個全差分輸入通道，并利用∑-Δ轉換技術實現了16位無丟失碼性能。另外，AD7705與多種串行接口，如SPI、DSP等兼容，與控制系統有良好的相容性。又因為其單電源供電電壓為2.7～3.3 V或4.75～5.25 V，因此廣泛應用于智能控制系統中。

AD7705的引腳圖如圖3所示，與控制系統相連的主要的邏輯電平輸入輸出引腳有SCLK、CS、DRDY、DIN、DOUT。其中SCLK用于串行時鐘的輸入；CS是片選信號，低電平有效的邏輯輸入，同時可作為幀同步信號；DRDY指示片內數據寄存器是否更新，更新時輸出低電平；DIN是串行數據輸入端口，用于向片內可寫寄存器寫數據；DOUT是串行數據輸出端。另外，MCLKIN與MCLKOUT時鐘信號輸入和輸出端口；REFIN（+）與REFIN（-）是基準源輸入端口。AD7705片內有8個寄存器，與控制密切相關的是8位通信寄存器、8位時鐘寄存器、8位設置寄存器、16位數據寄存器。

根據AD7705的實際應用要求，設計出了滿足該電流源模塊需求的原理圖，如圖4。在A/D轉換電路中，為了實現0.5-4.5 V電壓的測量，將AD7705配置為雙極性，且將負輸入端接到基準源2.5 V上，那么AD7705的電壓測量范圍為0-5 V。

圖4 A/D轉換電路

為防止模擬地和數字之間存在電壓，影響芯片的性能，故采用模擬地和數字地分開并單點接地，AD7705的6、11等沒有使用的引腳懸空處理。由于模擬電源不穩定時，容易燒毀AD7705，因此A/D模塊的電源輸入端并聯0.1 uF陶瓷電容和10 uF鉭電容濾波，防止電源電壓變化幅度過大使芯片燒毀。

2.3 基準源電路

A/D轉換電路和I/V轉換電路都需要穩定性極高的基準電壓，而對于模數轉換，參考電壓的干凈程度直接影響芯片的性能，因此要求參考電壓具有極低的噪聲和溫漂，以得到最佳的轉換結果。為解決該問題，在A/D轉換模塊中，需設計獨立可靠的參考電源模塊。2.5 V參考電壓通過AD780芯片生成，該芯片溫度漂移低至3ppm/℃、微功耗、低壓差、性能穩定，能很好的滿足采集芯片對參考電壓的要求[11,12]。參考電壓電路如圖5所示。如果需要，還可以使用兩個外部電容來進一步降低噪聲。且其在整個溫度范圍內的誤差極低，無需使用外部元件。

圖5 基準源電路

3 ADC7705程序設計

3.1 讀時序與寫時序

AD7705的讀時序如圖6所示，當DRDY變為低電平時，指示數據寄存器中的數據已經更新，可以讀取數據。讀數據時，CS要置為低電平，SCLK輸入的串行時鐘信號控制輸出速率。

圖6 讀時序圖

寫時序如圖7所示。在讀寫AD7705的時候應該嚴格控制各個信號之間的時間差與SCLK的頻率，防止讀寫失敗。

圖7 讀時序圖

3.2 程序流程

AD7705的程序流程圖如圖8所示。在AD7705每次上電時會自動復位，在每次需要讀寫寄存器時，必須先寫通信寄存器。由于使用的是4.9152MHz的晶振，因此時鐘寄存器的CLKDIV=1，CLK=0。而在寫設置寄存器時，由于使用了雙極性輸入，因此B/U=0。另外每次上電復位后，都應該對器件進行校準。這里使用的是自校準，即器件自動進行零標度和滿標度校準，并在校準完畢后返回正常運行模式。

在讀取數據時，必須嚴格按照步驟，等待DRDY輸出低電平后才能進行讀操作，否則數據會損毀，得到錯誤數據。而且要保證在DRDY返回高電平前，本次的讀操作要結束。

圖8 程序流程圖

3.3 數據計算

表1 AD7705輸入、輸出轉換表

4 主要性能測試

4.1 精度測試

經過滿量程和零點校準后，程序會自動修正誤差。為了微電流測量精度，模塊的輸入端接一個六位半的精密微電流源B2901A，測量值由單片機LCD屏幕顯示。在量程-1000 nA到1000 nA范圍內，選擇步進為100 nA，共測量21組數據，并計算誤差，數據如表2所示。

表2 精度測試數據(單位：nA)

從結果可以看出絕對誤差在0.1 nA以下的數量級，相對誤差可以在0.01%的數量級，說明此臺精密微電流測量模塊具有高精準，高線性，滿足預定要求。

4.2 穩定性、可靠性測試

為測試微電流測量模塊的穩定性與可靠性，在經過校準后，設定任意電流值，連續測量五小時以上，并每隔一小時測量一次誤差。試驗表明，在長時間的測量下，模塊的測量精度未受到影響，且模塊無明顯溫升?？梢?，此微電流測量模塊的可靠性和穩定性良好。

5 結論

基于小型化、智能化、高精度等設計理念，設計了一種可測量直流微電流的測量模塊。該測量種模塊由I/V轉換模塊、A/D轉換模塊和基準源模塊組成。微控制器可通過六根數據線與模塊連接，從而實現程控可調。硬件方面運用了高性能的運算放大器LMC6001AIN、高精度數模轉換器AD7705和高穩定性的AD780，提高了整體的測量精度。軟件方面，利用Stm32F407單片機作為主控器件，將ADC傳輸的數據進行轉換、修正和顯示。最終，利用六位半的數字可調電流源檢驗了模塊的測量精度，說明了測量模塊的精度、穩定性和可靠性滿足要求。

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Design of a Small Micro-current Measurement Module with High Precision

Yin Shaoxuan, Su Ye, Wang Aohui, He Mengxuan, Liu Minghui

(Naval University of Engineering Nuclear Science and Technology，Wuhan 430033，China)

TM933.1

A

1003-4862（2021）04-0039-04

2020-10-16

殷少軒（2000-），男，本科。研究方向：核反應堆維修與管理。E-mail: 1057704612@qq.com