微电流测量仪的设计与制作

孟繁昌 孔志勇 刘雨轩 张秀新 胡浩然

摘 要：为了实现对微电流的测量，设计了T型电阻反馈网络实现I-V转换电路，利用3个运算放大器组成的精密线性放大电路以及压控电压源二阶低通滤波电路，三部分为主要结构的测量电路。同时利用Multisim进行电路仿真、PCB板制作、表盘制作以及实物焊接等，完成实物制作。采集实验数据，最后运用Matlab进行精密度分析，最终测试结果，具有稳定性好、低漂移、制作价格低廉等优点。

关键词：微电流低漂移I-V转换滤波电路运算放大器

中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract：In order to realize measurement of micro electric current，a T-type resistance feedback network is designed to realize the I-V conversion circuit，using a precision linear amplifying circuit composed of three operational amplifiers and a second-order low-pass filter circuit of a voltage-controlled voltage source. These three parts are the measurement of the main structure， the circuit simulation at the same time， PCB production， material welding， etc.， and the experimental data obtained， the use of Matlab precision analysis， the final test results， has a good stability， low drift， production price is low wait for an advantage.

Key Words： Micro electric current;Low driftr ;I-V conversion circuit;Filter;Operational amplifier

电流作为基本物理量之一，在科学研究及工程应用中有重要作用，电流的测量在基础研究和工程实际中必不可少，1 μA级别以下的微弱电流在经典研究、材料测试、生物医学领域、电力系统等中有重要应用[1-2]，传统的测量仪器难以实现1 μA以下的电流测量，为实现微安级别以下的电流测量，采用精密运算放大器电流反馈法，通过改进电流设计，经过电路设计、PCB板设计、实物制造，最终测得1 μA以下的电流，经过测试，仪器具有良好的精确度，且相对其它设计具有简单易行，成本低，精度高的优势[3]。

1  总体设计方案

设计共分为3个部分，如图1所示，第一部分是将微弱电流转换为小电压的转换电路[4]，采用T型电阻反馈网络。第二部分采用线性放大电路，将小电压放大为大电压由于第一级获得的为较小的差模信号且内含有较大的共模信号干扰，这就要求放大器除了必须具有一个足够大的放大功率倍数外，还需要具有高的输入电阻与共模抑制比。因此，选择由3个运放组合而成的精密放大器。第三部分为滤波电路，能够具有良好的输入信噪比，采用了一个压控电压源二阶低通滤波电路[5]。

2  电路设计原理设计

2.1 I-V转换电路

由于需要测量10-6A以下的电流，所以采用一种T型反馈网络方式来进行反向使用比列进行运算。可以减小由于仪器制造商和工艺的各种原因电阻值不稳定及电阻值过大带来的噪声，另一方面，可以减小因多个电阻不同数量级带来的频率变化[6-7]。如图1所示。

通过原理图布线图对线路板进行设计，并做出电路板，根据电路图及电路板，同时焊接得到最终成品[10]。

4  成品测试

（1）基于以上各部分设计，得到实物图具体见图8。

根据图8可知，最终仪表由外壳、改装电流表、焊接完成的PCB电路板、外部引线构成。

（2）数据分析。启动实验装置，观察并记录多组有效数据，并对所得数据进行拟合，得到输入电压与输出电压关系式[11]。实验数据具体见表1。

对数据进行拟合得到图9数据图。

将数据通过最小二乘法直线拟合得到以下函数：Vo=0.4931Vi-0.0960

非线性误差为z=-4.7985e-04，误差相对于测量范围及精确度均较小，具有很好的线性度，由输入电压与输出电压关系图可知，两者具有很好的线性关系.

5  结语

该文介绍了一种用于微弱電流测量的电路设计、仿真以及实现的方法。电路设计过程中采用了较高准确度的运算放大器构成I-V转换电路、三级运算放大器、二阶低通滤波从而最终实现高性能微弱电流的放大，经过Multisim对各个电路的组成部分分别进行仿真实验，最后我们使用PCB板完成了整个设计的制作，经过对装置进行封装处理，得到了完整的仪表。该装置的测量精度达到10-6A，同时可以通过调节电阻可达到10-12A的微电流测量。该仪表具有测量精度高，稳定性好等特点。此设计获得2020年第六届全国大学生物理实验竞赛中荣获三等奖。

参考文献

[1] 张越翔，何彪，肖佳珣，等.微纳电流表的设计与制作[J].大学物理实验，2021，34（4）：70-73.

[2] 李德行，王恩元，岳建华，等.煤岩动力灾害预测的微电流技术及其应用研究[J/OL].岩石力学与工程学报：1-11[2021-12-06].https：//www.doi.org/10.13722/j.cnki.jrme.2021.0749.

[3] 汪小婷.微电流测量方法探讨[J].计量与测试技术，2016，43（12）：65-66，68.

[4] 谭同，何慧敏，李宝霞，等.光电模块中微弱电流测量电路的设计与测试[J].电子设计工程，2017，25（9）：6-9，13.

[5] 赵杰，曹凡，李翔宇. 微弱电流测量电路的设计和仿真[J].电子技术，2009，36（12）：39-41

[6] 韩钰，杨戴博，李昆，等.超宽量程fA级高精密微电流信号输出电路设计研究[J].仪器仪表用户，2021，28（4）：71-74.

[7] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社，2005.

[8] 雷升杰，魏智勇，陈国云，等.空间粒子探测器中一种微电流测量电路设计[J].宇航计测技术，2010，30（6）：45-50.

[9] 庄所增.一种微电流测量方法[J].电子技术与软件工程，2019（5）：228-229.

[10] 王明卫.详述电子电路焊接基本操作技巧[J].职业，2012（30）：62.

[11] 叶磊. 高精度数字程控微电流测量装置的研究[D].成都：成都理工大学，2019.