Pxi微電流檢測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種PXI微電流檢測(cè)裝置。所述PXI微電流檢測(cè)裝置，包括控制電路、微電流檢測(cè)電路和供電電路，控制電路包括FPGA和PXI接口，F(xiàn)PGA通過PXI接口接收來自零槽控制器的數(shù)據(jù)并向微電流檢測(cè)電路和供電電路發(fā)送控制命令，微電流檢測(cè)電路包括I-V轉(zhuǎn)換電路和ADC采集電路，在I-V轉(zhuǎn)換電路上設(shè)置兩條運(yùn)算放大器支路，通過FPGA控制繼電器開關(guān)分時(shí)切換兩條運(yùn)算放大器支路接入I-V轉(zhuǎn)換電路，可以對(duì)同一個(gè)微電流信號(hào)進(jìn)行兩次測(cè)量，并將兩次結(jié)果比較和取平均，減小了大阻值反饋電阻性能不穩(wěn)定和運(yùn)算放大器的偏置電流溫度特性不穩(wěn)定對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。
【專利說明】PXI微電流檢測(cè)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種PXI微電流檢測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]科學(xué)研究和生產(chǎn)過程中，諸如泄漏電流、絕緣電阻以及其它參數(shù)的測(cè)量、光電器件 的光電流的測(cè)量、光電倍增管與粒子和波束監(jiān)控、以及用于確定產(chǎn)品特性的半導(dǎo)體、傳感器 和電纜等都必須進(jìn)行微電流測(cè)試。微弱電流測(cè)試的關(guān)鍵在于將微電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，同 時(shí)盡量避免或者排除引入的空間輻射以及其他干擾信號(hào)，只將純凈的微電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電 壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，由計(jì)算機(jī)采集，再換算為電流。微電流測(cè)試技術(shù)有 如下兩方面的難點(diǎn):一是如何將非常微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換并放大成可由模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集的 電壓信號(hào)，二是如何盡量避免將空間輻射和其他干擾信號(hào)一并轉(zhuǎn)換和放大從而引入較大誤 差。
[0003]現(xiàn)有的微電流測(cè)試設(shè)備以臺(tái)式儀器為主，其原理框圖如圖1所示，微電流測(cè)試設(shè) 備，主要由1-V轉(zhuǎn)換電路、ADC采集電路和主控CPU組成；其中1-V轉(zhuǎn)換電路的主要組成是 放大器和反饋電阻切換電路，對(duì)應(yīng)不同大小的微電流，切換不同的反饋電阻，使1-V的輸出 電壓始終落在ADC采集電路的可采集范圍內(nèi)。由于微電流小可到fA (I(T15A)級(jí)別，大可到 PA級(jí)別，所以反饋電阻的電阻范圍很大，可從100MQ到ITQ (IXlO12Q);主控CPU根據(jù) ADC采集電路的采集電壓切換合適的反饋電阻接入1-V轉(zhuǎn)換電路，使1-V轉(zhuǎn)換電路的輸出電 壓落在ADC采集電路良好的線性采集區(qū)，減小測(cè)量誤差。
[0004]圖1中1-V轉(zhuǎn)換電路的原理框圖如圖2所示。由圖2可知，放大器接成典型的反 向放大器，沒有輸入電阻。反饋電阻Rfb是一個(gè)關(guān)鍵元件，其阻值選擇取決于所要求的靈敏 度和噪音；例如若電路的反饋電阻Rfb達(dá)到1T，那么IpA的輸入電流就會(huì)引起IV的輸出， 即靈敏度是lV/pA ;反饋電阻Rfb也與電流噪音密切相關(guān)，阻值越大則理論噪音越小，例如 選擇100G，理論噪音極限是0.25fArms ;當(dāng)然，反饋電阻Rfb不能取得太大，因?yàn)檫\(yùn)放的偏置 電流Ib是完全流過這個(gè)電阻的，產(chǎn)生壓降，也產(chǎn)生噪音、溫度系數(shù)等弊病。
[0005]為滿足微電流測(cè)試的不同量程，反饋電阻Rfb—般由幾個(gè)不同數(shù)量級(jí)的電阻并 聯(lián)，并加開關(guān)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示，對(duì)應(yīng)不同的微電流量程，切換開關(guān)將相應(yīng)的反饋 電阻接入I;轉(zhuǎn)換電路。運(yùn)放的選擇，最重要的參數(shù)就是偏置電流Ib，在微電流測(cè)試中，運(yùn) 放的偏置電流Ib必須盡量小，同時(shí)必須進(jìn)行補(bǔ)償、調(diào)零和抵消。反饋電容Cf的作用有兩個(gè): 一方面抵消輸入電容、提高階越的響應(yīng)速度；另一方面與反饋電容Rf —起決定1-V轉(zhuǎn)換電 路的自由時(shí)間常數(shù)。Cf的值越小，1-V轉(zhuǎn)換電路的響應(yīng)速度越高，但是會(huì)增加輸出噪音。
[0006]現(xiàn)有的微電流測(cè)試設(shè)備，如圖4所示，為方便控制和供電，微電流測(cè)試電路和控制 電路集成在一塊電路板上，這種方案無法對(duì)微電流測(cè)試電路進(jìn)行完整的全包圍屏蔽，屏蔽 盒外側(cè)的電路板依然可以引入外界雜散信號(hào)，而且容易引入控制電路上的串?dāng)_信號(hào)，屏蔽 效果一般。電路板的面積較大，不利于儀器的小型化和集成。
[0007]此外，1-V轉(zhuǎn)換電路中的反饋電阻Rfb的阻值比較大，不僅難以購(gòu)買，而且精度不高，性能不穩(wěn)定，另外大阻值電阻會(huì)有電容特性，對(duì)微電流測(cè)試造成影響；選擇1-V轉(zhuǎn)換電 路中的運(yùn)放時(shí)，雖然運(yùn)放的偏置電流Ib要盡量小，然而偏置電流Ib實(shí)際上總是存在，而且 1-V轉(zhuǎn)換電路中的Rfb阻值很大，盡管Ib很小，在Rfb上還是會(huì)產(chǎn)生壓降，造成測(cè)試結(jié)果的 不準(zhǔn)確；而且偏置電流Ib不穩(wěn)定，會(huì)帶來電流噪音，尤其是其溫度系數(shù)很大，會(huì)在很大程度 上干擾測(cè)試結(jié)果，溫漂會(huì)給數(shù)據(jù)校準(zhǔn)帶來很大困難。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種PXI微電流檢測(cè)裝置， 其采用如下技術(shù)方案:
[0009]PXI微電流檢測(cè)裝置，包括控制電路、微電流檢測(cè)電路和供電電路，控制電路包括 FPGA和PXI接口，F(xiàn)PGA通過PXI接口接收來自零槽控制器的數(shù)據(jù)并向微電流檢測(cè)電路和供 電電路發(fā)送控制命令，微電流檢測(cè)電路包括1-V轉(zhuǎn)換電路和ADC采集電路，所述1-V轉(zhuǎn)換電 路包括兩條運(yùn)算放大器支路，即第一運(yùn)算放大器支路和第二運(yùn)算放大器支路；第一運(yùn)算放 大器支路上設(shè)置有第一繼電器開關(guān)和第一運(yùn)算放大器，第一繼電器開關(guān)的一端連接在第一 運(yùn)算放大器的反向輸入端，第一運(yùn)算放大器的同向輸入端接地；第二運(yùn)算放大器支路上設(shè) 置有第二繼電器開關(guān)和第二運(yùn)算放大器，第二繼電器開關(guān)的一端連接在第二運(yùn)算放大器的 反向輸入端，第二運(yùn)算放大器的同向輸入端接地；第一繼電器開關(guān)的另一端和第二繼電器 開關(guān)的另一端連接并作為I;轉(zhuǎn)換電路的輸入端，第一運(yùn)算放大器的輸出端和第二運(yùn)算放 大器的輸出端連接并作為1-V轉(zhuǎn)換電路的輸出端；在1-V轉(zhuǎn)換電路的輸入端和輸出端之間 設(shè)置有反饋電阻電路和反饋電容電路；第一繼電器開關(guān)和第二繼電器開關(guān)的控制端分別連 接到FPGA上，F(xiàn)PGA控制第一繼電器開關(guān)和第二繼電器開關(guān)通斷分時(shí)切換第一運(yùn)算放大器 支路和第二運(yùn)算放大器支路接入1-V轉(zhuǎn)換電路。
[0010]進(jìn)一步，所述控制電路還包括溫度傳感器、EEROM和DA采集芯片，溫度傳感器、 EEROM和DA采集芯片分別連接到FPGA上，F(xiàn)PGA通過DA采集芯片采集微電流檢測(cè)電路輸出 的電壓信號(hào)。
[0011]進(jìn)一步，所述微電流檢測(cè)電路置于微電流檢測(cè)板上，控制電路置于控制電路板上， 在微電流檢測(cè)板的外側(cè)設(shè)置有一個(gè)屏蔽盒，微電流檢測(cè)板完全置于屏蔽盒的腔體內(nèi)部并加 以固定，在屏蔽盒上開設(shè)有供電接口和光耦隔離控制接口，供電電路通過供電接口為微電 流檢測(cè)電路供電，控制電路通過光耦隔離控制接口與微電流檢測(cè)電路連接。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0013]本發(fā)明采用運(yùn)算放大器冗余技術(shù)，在1-V轉(zhuǎn)換電路上設(shè)置兩條運(yùn)算放大器支路， 通過FPGA控制繼電器開關(guān)分時(shí)切換兩條運(yùn)算放大器支路接入1-V轉(zhuǎn)換電路，可以對(duì)同一個(gè) 微電流信號(hào)進(jìn)行兩次測(cè)量，并將兩次結(jié)果比較和取平均，減小了大阻值反饋電阻性能不穩(wěn) 定和運(yùn)算放大器的偏置電流溫度特性不穩(wěn)定對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；另外，在控制電路中增加 溫度傳感器和EER0M，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的讀寫，每個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)一套校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，消除大阻值反 饋電阻性能不穩(wěn)定和運(yùn)算放大器偏置電流溫度系數(shù)大對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；通過微電流檢測(cè) 電路獨(dú)立屏蔽技術(shù)，將微電流檢測(cè)電路獨(dú)立于控制電路和供電電路，采用屏蔽盒進(jìn)行全包 圍屏蔽，最大限度的排除外界信號(hào)為微電流測(cè)試的干擾，利于縮小屏蔽盒的體積，在PXI模 塊上實(shí)現(xiàn)微電流檢測(cè)技術(shù)，將傳統(tǒng)的微電流測(cè)試的臺(tái)式儀器縮小為模塊化儀器，在保證測(cè)試精度的基礎(chǔ)上縮小了體積、降低了功耗、提高了精度，實(shí)現(xiàn)了微電流測(cè)量?jī)x器的模塊化， 更利于系統(tǒng)的集成。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中微電流檢測(cè)的原理框圖；
[0015]圖2為圖1中1-V轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3為圖2中反饋電阻電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4為現(xiàn)有技術(shù)中微電流檢測(cè)電路的屏蔽結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖5為本發(fā)明中PXI微電流檢測(cè)裝置的電路結(jié)構(gòu)框圖；
[0019]圖6為本發(fā)明中1-V轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖7為本發(fā)明中微電流檢測(cè)電路的屏蔽結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明:
[0022]結(jié)合圖5至圖7所示，PXI微電流檢測(cè)裝置，包括控制電路、微電流檢測(cè)電路和供 電電路?？刂齐娐钒‵PGA和PXI接口，F(xiàn)PGA通過PXI接口接收來自零槽控制器的數(shù)據(jù) 并向微電流檢測(cè)電路和供電電路發(fā)送控制命令。
[0023]微電流檢測(cè)電路包括1-V轉(zhuǎn)換電路和ADC采集電路。1-V轉(zhuǎn)換電路包括兩條運(yùn)算 放大器支路，即第一運(yùn)算放大器支路和第二運(yùn)算放大器支路。
[0024]第一運(yùn)算放大器支路上設(shè)置有第一繼電器開關(guān)S5和第一運(yùn)算放大器I，第一繼電 器開關(guān)S5的一端連接在第一運(yùn)算放大器I的反向輸入端，第一運(yùn)算放大器I的同向輸入端 接地；第二運(yùn)算放大器支路上設(shè)置有第二繼電器開關(guān)S6和第二運(yùn)算放大器2，第二繼電器 開關(guān)S6的一端連接在第二運(yùn)算放大器2的反向輸入端，第二運(yùn)算放大器的同向輸入端接 地；第一繼電器開關(guān)S5的另一端和第二繼電器開關(guān)的另一端S6連接并作為1-V轉(zhuǎn)換電路 的輸入端，第一運(yùn)算放大器的輸出端和第二運(yùn)算放大器的輸出端連接并作為I;轉(zhuǎn)換電路 的輸出端；在1-V轉(zhuǎn)換電路的輸入端和輸出端之間設(shè)置有反饋電阻電路和反饋電容電路； 第一繼電器開關(guān)和第二繼電器開關(guān)分別電連接到FPGA上，F(xiàn)PGA控制第一繼電器開關(guān)和第 二繼電器開關(guān)通斷分時(shí)切換第一運(yùn)算放大器支路和第二運(yùn)算放大器支路接入I;轉(zhuǎn)換電 路。第一運(yùn)算放大器I和第二運(yùn)算放大器2優(yōu)選采用LMC6042系列運(yùn)算放大器。反饋電阻 電路采用如圖3所示的電阻電路即可，此處不再贅述。
[0025]在1-V轉(zhuǎn)換電路上設(shè)置兩條運(yùn)算放大器支路，通過FPGA控制繼電器開關(guān)分時(shí)切換 兩條運(yùn)算放大器支路接入1-V轉(zhuǎn)換電路，對(duì)同一個(gè)微電流信號(hào)進(jìn)行兩次測(cè)量，兩次測(cè)量的 結(jié)果分別為I11和I12，若I I11-112 I < In/10，則判定兩次結(jié)果相近將兩次結(jié)果取平均，作 為最終結(jié)果；若I I11-112 I > In/10，則判定兩次結(jié)果差別比較大，則將兩次結(jié)果拋棄，重 新進(jìn)行測(cè)量；將同一個(gè)微電流信號(hào)經(jīng)過不同的運(yùn)算放大器分時(shí)進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)換并判斷結(jié)果， 盡量避免了因放大器性能的不穩(wěn)定造成的誤差，而且相當(dāng)于多次測(cè)量取平均值作為結(jié)果， 可以減少大阻值反饋電阻Rfb性能不穩(wěn)定和運(yùn)算放大器的偏置電流Ib不穩(wěn)定帶來的溫漂 等影響。
[0026]此外，控制電路還包括溫度傳感器、EEROM和DA采集芯片，溫度傳感器、EEROM和DA采集芯片分別連接到FPGA上，F(xiàn)PGA通過DA采集芯片采集微電流檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)。
[0027]在實(shí)際校準(zhǔn)中，將溫度作為一個(gè)獨(dú)立因素進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，在-10°C下，將標(biāo)準(zhǔn)微電流源輸出的已知電流值的微電流信號(hào)Itl接到微電流檢測(cè)電路上，測(cè)試結(jié)果記為I1，將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)A I1=10-11寫入EER0M，然后在-10°C~40°C溫度范圍內(nèi)，以0.1°C為步進(jìn)，將標(biāo)準(zhǔn)微電流源輸出的已知電流值的微電流信號(hào)Itl接到該微電流檢測(cè)電路，測(cè)試結(jié)果記為Ii,將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)A Ii=10-1i寫入EEROM，I ^ i ^ 501，這樣可以得到表1所示的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的表格。
[0028]
【權(quán)利要求】
1.PXI微電流檢測(cè)裝置，包括控制電路、微電流檢測(cè)電路和供電電路，控制電路包括 FPGA和PXI接口，F(xiàn)PGA通過PXI接口接收來自零槽控制器的數(shù)據(jù)并向微電流檢測(cè)電路和供電電路發(fā)送控制命令，微電流檢測(cè)電路包括1-V轉(zhuǎn)換電路和ADC采集電路，其特征在于， 所述I;轉(zhuǎn)換電路包括兩條運(yùn)算放大器支路，即第一運(yùn)算放大器支路和第二運(yùn)算放大器支路；第一運(yùn)算放大器支路上設(shè)置有第一繼電器開關(guān)和第一運(yùn)算放大器，第一繼電器開關(guān)的一端連接在第一運(yùn)算放大器的反向輸入端，第一運(yùn)算放大器的同向輸入端接地；第二運(yùn)算放大器支路上設(shè)置有第二繼電器開關(guān)和第二運(yùn)算放大器，第二繼電器開關(guān)的一端連接在第二運(yùn)算放大器的反向輸入端，第二運(yùn)算放大器的同向輸入端接地；第一繼電器開關(guān)的另一端和第二繼電器開關(guān)的另一端連接并作為1-V轉(zhuǎn)換電路的輸入端，第一運(yùn)算放大器的輸出端和第二運(yùn)算放大器的輸出端連接并作為1-V轉(zhuǎn)換電路的輸出端；在1-V轉(zhuǎn)換電路的輸入端和輸出端之間設(shè)置有反饋電阻電路和反饋電容電路；第一繼電器開關(guān)和第二繼電器開關(guān)控制端分別連接到FPGA上，F(xiàn)PGA控制第一繼電器開關(guān)和第二繼電器開關(guān)通斷分時(shí)切換第一運(yùn)算放大器支路和第二運(yùn)算放大器支路接入1-V轉(zhuǎn)換電路中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PXI微電流檢測(cè)裝置，其特征在于，所述控制電路還包括溫度傳感器、EEROM和DA采集芯片，溫度傳感器、EEROM和DA采集芯片分別連接到FPGA上，F(xiàn)PGA 通過DA采集芯片采集微電流檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PXI微電流檢測(cè)裝置，所述微電流檢測(cè)電路置于微電流檢測(cè)板上，控制電路置于控制電路板上，在微電流檢測(cè)板的外側(cè)設(shè)置有一個(gè)屏蔽盒，微電流檢測(cè)板完全置于屏蔽盒的腔體內(nèi)部并加以固定，在屏蔽盒上開設(shè)有供電接口和光耦隔離控制接口，供電電路通過供電接口為微電流檢測(cè)電路供電，控制電路通過光耦隔離控制接口與微電流檢測(cè)電路連接。
【文檔編號(hào)】G01R19/25GK103604982SQ201310581097
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】薛沛祥, 喬宏志, 秦贊 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所