基于nA級電流信號的多通道高精度采集系統設計

閆靜純，富 帥，蘇浩航，榮 鵬，申一偉

基于nA級電流信號的多通道高精度采集系統設計

閆靜純，富 帥，蘇浩航，榮 鵬，申一偉

（北京空間機電研究所，北京 100094）

在大氣成份和含量探測的傅里葉變換光譜探測技術中，紅外探測器輸出的電流信號一般極其微弱。本文針對電流信號頻率為kHz級、電流強度在nA級的多元型紅外探測器，通過分析系統噪聲來源，選取高精度、低噪聲的精密集成運算放大器，合理選取電路參數，設計了一種多通道微弱電流信號高精度采集電路。通過對電路性能進行分析，結果表明，該系統可以精確采集到nA級的1kHz微弱電流信號，系統的噪聲低，滿足設計要求。

微弱電流信號；高精度；低噪聲；數據采集系統

0 引言

隨著對大氣成份和含量的探測需求越來越大，要求越來越高，基于干涉型的傅里葉變換光譜探測技術由于具有光通量大、譜段范圍寬、光譜分辨率高等諸多優勢，已成為國內外紅外光譜探測技術的發展熱點。

在傅里葉變換光譜探測技術[1-2]中，大氣紅外輻射信號具有信號幅值低、動態范圍大、探測精度要求高的特點，對探測系統的抗干擾能力、噪聲抑制水平、量化位數等有很高要求。目前微弱信號探測的研究多集中在微弱電壓信號檢測，杜沂東[3]、王建宇[4]、李軍雨[5]等針對微弱電壓信號的放大電路設計進行了分析。李輝[6]等針對單路信號帶寬百赫茲以內的pA級微電流檢測系統設計進行了研究。本文針對電流信號頻率為kHz級、電流強度在nA級的多元型紅外探測器[7-8]，設計了一種多通道微弱電流信號高精度采集電路，并分析了電路性能，進一步完善了微弱電流信號探測的研究。

1 采集系統總體方案設計

多通道微弱電流信號高精度采集電路總體方案設計如圖1所示。探測器輸出的微弱電流信號經過電流電壓轉換電路轉換為電壓信號，再經過二級放大濾波將混雜在電壓信號中的高頻噪聲進行濾波去除，并將有效信號放大到AD器件的最大輸入范圍，后經過A/D器件進行模數轉換后生成相應的數字信號，再傳輸到數據處理部分進行數據處理編排，最后上傳到上位機進行數據處理及分析。

為了擴大電路的動態范圍，模擬部分均采用高壓供電芯片，且均為正負雙電源供電，以保證零點附近的信號可有效采集，并能降低電源噪聲。

圖1 微弱電流信號采集系統的總體方案

2 電路分析設計

2.1 電流-電壓轉換電路

電流-電壓轉換電路（即轉換電路）是將待采集的微弱電流信號轉換并放大到一個較大的電壓信號，后續系統再對此電壓信號進行濾波放大采集處理。由于探測器輸出的電流信號非常微弱，極易受到噪聲的干擾，此環節的噪聲水平直接影響了整個采集系統，所以需要進行精細的設計。

1）方案選取

電流電壓轉換電路[9]一般有兩種。一種如圖2(a)所示，電阻s作為采樣電阻，直接與探測器輸出相連，將電流信號轉換為相應的電壓信號，然后再通過放大電路進行二次放大。

此電路中采樣電阻承擔電流電壓轉換的任務，但實際上有效的電阻是s與探測器內阻d的并聯值，此時需要探測器內阻遠遠大于采樣電阻s。在微弱信號采集系統中，有效電阻需要很大，至少為MΩ級，但探測器內阻很少能達到很高的阻值，故此方法不適用于nA級微弱電流信號采集。

另一種是利用高輸入阻抗運放的跨阻放大電路，如圖2(b)所示，由于運放的輸入阻抗很高，輸入運放的電流幾乎為0，電流基本都會流過反饋電阻F，實現輸出電壓信號o＝p×F。這個電路可以將微弱的電流信號精準地轉換為相應的電壓信號。

2）器件選擇

電流電壓轉換的典型電路如圖3所示，該電路主要包括4種噪聲源：運放電壓噪聲密度、運放電流噪聲密度、反饋電阻的熱噪聲以及探測器體電阻的熱噪聲。若想獲得低噪聲電路需要降低這4種噪聲。

圖3 典型IV轉換電路原理圖

在選擇運放時，選用低電壓噪聲密度、低電流噪聲密度、低偏置電流、低溫漂的高精度運放，從而降低運放的噪聲。本文選用的精密運放的電壓噪聲密度為1.8nV/rtHz，電流噪聲密度為1.2pA/rtHz，輸入偏置電流僅為5pA，且溫度特性良好（＜1mV/℃）。供電電壓最大為±15V，且為小封裝，可節省電路板面積。

在選擇反饋電阻時，由于轉換電路的輸出電壓o＝P×F，反饋電阻F直接影響著輸出電壓的幅值。在微弱電流采集系統里，為了得到大轉換增益，反饋電阻應盡量大，以便放大到適合后端AD的輸入電壓范圍。但電阻會產生熱噪聲，熱噪聲n2＝4bW，以V2/Hz為單位，其中n是噪聲電壓；b是玻爾茲曼常數，1.38×10－23J/K；是溫度，K；是電阻；W是帶寬。當電阻阻值越大，熱噪聲越大。故需要在電壓放大及熱噪聲大小之間折中處理，且需要選擇低溫漂低噪聲的高精度電阻。

政治經濟學批判視域中法與市場經濟內生關系的生成——兼論社會主義市場經濟的法治向度 …………………………………………………… 王 程（3．61）

在選取反饋電容時，由于轉換電路負端直接與探測器輸出相連，探測器的輸出電容、布線的分布電容以及運放負端的電容會與反饋電阻引起輸出電壓相位滯后，并且過大的反饋電阻還會造成運算放大器的不穩定。加入反饋電容后，會對電路進行一個相位補償，并會使電路更加穩定，還可以降低反饋電阻上的等效噪聲帶寬，起到抑制電路噪聲的作用。

3）抗干擾設計

由于微弱電流信號的放大電路前端更容易拾取干擾，會引入很多噪聲，影響輸出信號的質量，所以在實際電路中需要做更多的抗干擾屏蔽措施。

在PCB設計時，轉換電路輸入端信號走線盡量短，且在中間層走線，在信號線的上下參考層均設計為地參考層，起到屏蔽干擾的作用，減少運放前端引入的干擾。

采用等電位的漏電流噪聲抑制技術對轉換電路進行屏蔽保護，即在敏感引腳外圍設置保護環，且保護環的偏置電壓與敏感引腳相同，這樣漏電流就會通過保護環流向模擬地，因而不會對輸入產生干擾，降低轉換電路外部波動電壓經電路板引入的微小電流波動，從而提高系統的電流分辨力。并在每片芯片的電源管腳處添加濾波電容，以減少電源噪聲的影響。

2.2 二級放大濾波及高精度AD數據采集

由于待采集的電流信號非常微弱，所以整個采集系統的總增益是非常大的，而單個運放增益又不宜過大，所以系統采用二級放大的方式，放大濾波[9]電路如圖4所示。根據系統要求，二級放大倍數為1000倍。該環節主要根據系統帶寬設定電路參數，從而實現對信號帶通濾波，濾除帶外噪聲，保證系統信噪比。

圖4 放大濾波電路

設計多通道高精度信號同步采集系統，必須對待測信號進行高分辨率的模數轉換（ADC: analog-to-digital conversion），且選擇多通道器件。本文選用的是8通道模數轉換芯片，量化位數為16bits，可支持8通道同步采樣。供電電壓最大為＋15V，差分輸入電壓范圍：±20.48V（最大值），電壓范圍大，有利于提高動態范圍；片內具有采樣保持功能，滿足同步采集的要求。

其芯片功能框圖如圖5所示。

圖5 模數轉換器件功能框圖

3 系統性能分析測試

3.1 交流傳輸特性分析

為了更好地分析系統的交流傳輸特性，使用Multisim14.1對設計電路進行仿真，圖6所示為電流電壓轉換電路中F分別為100MΩ、10MΩ、1MΩ，反饋電容C＝0pF的情況下得到的采集系統交流傳輸特性曲線。從圖中可以看出，在一定頻率范圍內，系統可以根據設計要求將電流放大，但隨著頻率升高，由于運放的開環增益的限制使得放大倍數在某一頻率c開始下降。

從圖6中可以看到在c附近有個尖峰，這是由于運放的輸入端寄生電容與反饋電阻在傳遞函數中構成極點，導致頻率特性發生變化，影響放大電路的穩定性。

通常采用相位補償的方法，在反饋電阻F兩端并聯一個小電容F，構成零點使得相位超前來補償輸入端寄生電容所帶來的相位變化。

選擇F＝1MΩ并在其兩端并聯不同的反饋電容F（0pF、1pF、5pF、10pF），得到仿真結果如圖7所示。從仿真圖中可以看出，只需要很小的電容量就會對頻率特性產生很大影響。電容越大，－3dB帶寬越小。根據系統要求，選擇1pF反饋電容。

圖6 不同反饋電阻下的系統交流傳輸特性

圖7 不同反饋電容下的系統交流傳輸特性

3.2 輸入輸出信號測試

本文實驗中采用信號源與電阻分壓網絡的方式產生微弱電流信號來初步驗證采集系統的性能，具體方案是：信號發生器輸出正弦電壓信號，經電阻分壓網絡后，產生待測的微弱正弦電流信號（電流信號幅值為4nA、頻率為1kHz），經過轉換，二級放大，AD轉換及數據合成后，在圖采接收端采集到的raw格式圖像如圖8所示。可以看出，采集系統可以準確的采集到1kHz的nA級微弱電流信號。

3.3 采集系統的噪聲測試：

為驗證采集系統電路的噪聲性能，在不加探測器的情況下對整個采集系統的噪聲進行了測試。將采集系統的最前級即轉換電路的輸入端連接器使用銅箔紙屏蔽起來，防止引入干擾，采集經過轉換，二級放大，模數轉換及數據合成后的數據，對上位機圖采設備采集后的raw格式圖像進行統計分析，并計算其標準差即整個采集系統的電路噪聲。圖9所示為系統的放大倍數為109時，上位機圖采設備采集到的48通道噪聲情況，其中橫坐標表示系統的48路通道，縱坐標表示采集到的電路噪聲。從圖中可看出電路噪聲為30mV左右。

3.4 加探測器的干涉信號測試

在對采集系統電路進行了充分的輸入輸出信號測試及噪聲測試后，加上電流型探測器，并配上前置光學系統及高靈敏度干涉儀系統，進行了紅外輻射干涉信號的采集。圖10為黑體輻射源溫度為300K時，經數據采集系統電流電壓轉換后測得的干涉信號波形圖。從測得的波形分析，數據采集系統可以正確地探測到紅外輻射干涉信號。

圖8 接收端采集到的1kHz信號

圖9 48通道噪聲情況

圖10 干涉信號波形圖

4 結論

本文利用低噪聲的高精度運放、高分辨率的多通道模數轉換器件，合理選擇電路參數，設計了一種多通道微弱電流信號高精度采集電路，并進行抗干擾設計。通過對電路性能進行分析，可知該電路可以精確采集到nA級的1kHz微弱電流信號，系統的噪聲低，滿足設計要求，對微弱電流信號探測電路設計具有實際指導意義。

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Design of Multi-channel High Precision Data Acquisition System Based on nA Level Current Signal

YAN Jingchun，FU Shuai，SU Haohang，RONG Peng，SHEN Yiwei

(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)

In the Fourier transform spectrum detection technology of atmospheric composition and content detection, the output current signal of infrared detector is generally very weak. In this paper, a multi-channel weak current signal high-precision acquisition circuit is designed by analyzing the source of system noise, using high-precision and low-noise integrated operational amplifier, and reasonably selecting circuit parameters. An analysis of the circuit performance shows that the system can accurately acquire the nA level 1kHz current signal, and meet the requirements of weak signal detection.

weak signal, high-precision, low noise, data acquisition system

TN23

A

1001-8891(2021)05-0417-05

2020-08-26；

2020-12-25.

閆靜純（1986-），女，河北衡水人，工程師，主要從事空間紅外視頻電子學方面的研究工作。E-mail: yanjingchun_12@163.com。

國家重點研發計劃項目（2016YFB0500703）。