一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路及方法与流程

本发明涉及微弱电流测量领域，具体涉及一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路及方法。

背景技术：

一般将na(10^-9a)量级以下的电流称为微弱电流。在核技术应用、电离辐射探测、电化学、新型材料等领域的生产、科研、教学工作中经常需要开展微弱电流信号的测量。微弱电流测量的难点在于待测信号幅度小且极易受到各类干扰源(电子学噪声、机械振动的摩擦电效应、外界电磁场、电化学效应等)影响，各类干扰源不仅会产生测量误差还有可能致使测量无法进行。此外，以上应用领域的测量任务中待测微弱电流信号范围经常跨越多个数量级，如电离辐射探测中通常需要测量电离室产生的微弱电流信号范围为10^-15a～10^-8a。有时因为应用环境(温度、湿度)与应用场景需求(小空间)的差异对电路环境适应能力和体积有一定要求，这就导致经常使用的基于大体积高值电阻的i-v变换法无法使用。因此，需要一种小体积、宽量程、高精度的微弱电流测量电路及方法。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路及方法，将待测微弱电流转换为数字脉冲频率信号后进行测量，具有更好的测量精度与更小的测量不确定度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，包括：依次连接的电流积分器、阈值甄别电路、复位逻辑电路、单稳态触发电路和信号采集与处理系统，以及与所述电流积分器和复位逻辑电路连接的所述积分复位电路；

所述电流积分器，用于收集微弱电流信号并输出电压信号至所述阈值甄别电路，其中，所述电压信号的幅度正比于所述微弱电流信号的总电荷量；

所述阈值甄别电路，用于对所述电压信号进行阈值甄别，输出相应的逻辑信号至所述复位逻辑电路；

所述复位逻辑电路，用于根据所述逻辑信号，向所述积分复位电路输出复位触发信号的同时向所述单稳态触发电路输出触发信号，或者关闭所述积分复位电路；

所述积分复位电路，用于在接收到所述复位触发信号后开始工作并输出复位电流；

所述单稳态触发电路，用于对所述触发信号进行整形后输出固定宽度的数字电平逻辑脉冲信号至所述信号采集与处理系统，其中，所述数字电平逻辑脉冲信号频率正比于所述微弱电流信号；

所述信号采集与处理系统，用于对所述数字电平逻辑脉冲信号进行采集和处理，得到所述微弱电流信号的值。

进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述电流积分器包括：积分电容、第一限流电阻和低偏置电流的运算放大器，所述积分电容的一端和所述第一限流电阻的一端均连接微弱电流信号，所述第一限流电阻的另一端连接所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的同相输入端接地，所述积分电容的另一端和所述运算放大器的输出端连接所述阈值甄别电路。

进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述阈值甄别电路包括：并行的两路迟滞比较器，第一路迟滞比较器包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一高速比较器，所述第一电阻的一端连接所述电流积分器，所述第一电阻的另一端连接所述第二电阻的一端、所述第一高速比较器的第一输入端和所述第三电阻的一端，所述第二电阻的另一端和所述第一高速比较器的第二输入端接地，所述第三电阻的另一端和所述第一高速比较器的输出端连接所述复位逻辑电路的1clk端；第二路迟滞比较器包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻和第二高速比较器，所述第四电阻的一端连接所述电流积分器，所述第四电阻的另一端连接所述第五电阻的一端、所述第二高速比较器的第一输入端和所述第六电阻的一端，所述第五电阻的另一端和所述第二高速比较器的第二输入端接地，所述第六电阻的另一端和所述第二高速比较器的输出端连接所述复位逻辑电路的-1clk端。

进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述第一高速比较器的触发阈值为上电压阈值，当所述电压信号超过所述上电压阈值时所述第一高速比较器输出为高电平，当所述电压信号低于所述上电压阈值时所述第一高速比较器输出为低电平；

所述第二高速比较器的触发阈值为下电压阈值，当所述电压信号超过所述下电压阈值时所述第二高速比较器输出为高电平，当所述电压信号低于所述下电压阈值时所述第二高速比较器输出为低电平。

进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述复位逻辑电路具体用于：

当所述第一高速比较器和所述第二高速比较器输出均为高电平时，复位端口输出高电平，使得所述积分复位电路工作并输出复位电流；

当所述第一高速比较器和所述第二高速比较器输出均为低电平时，复位端口输出低电平，关闭所述积分复位电路。

进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述积分复位电路包括：第一二极管、第二二极管、第二限流电阻和复位电源开关，所述第一二极管的正极和所述第二二极管的负极连接所述电流积分器的输入端，所述第一二极管的负极和所述第二二极管的正极连接所述第二限流电阻的一端，所述第二限流电阻的另一端连接所述复位电源开关的输出端，所述复位电源开关的输入端连接所述复位逻辑电路。

进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述单稳态触发电路包括：第一或非门、第一电容、第八电阻、第二或非门、第三或非门和第四或非门，所述第一或非门的第一输入端为所述单稳态触发电路的输入端，所述第一或非门的输出端连接所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端连接所述第八电阻的一端和所述第二或非门的第一输入端，所述第八电阻的另一端连接电源，所述第一或非门的第二输入端连接所述第二或非门的输出端，所述第二或非门的第二输入端接地，所述第二或非门的输出端连接所述第三或非门的第一输入端，所述第三或非门的第二输入端连接所述第四或非门的第二输入端并接地，所述第三或非门的输出端连接所述第四或非门的第一输入端，所述第四或非门的输出端为所述单稳态触发电路的输出端。

进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述单稳态触发电路包括：第一与非门、第二与非门、第三与非门、第四与非门、第二电容和第九电阻，所述第一与非门的第一输入端为所述单稳态触发电路的输入端，所述第一与非门的第一输入端连接第二输入端和所述第二与非门的第一输入端，所述第一与非门的输出端连接所述第九电阻的一端，所述第九电阻的另一端连接所述第二电容的一端和所述第二与非门的第二输入端，所述第二与非门的输出端连接所述第三与非门的第一输入端和第二输入端，所述第三与非门的输出端连接所述第四与非门的第一输入端和第二输入端，所述第四与非门的输出端为所述单稳态触发电路的输出端。

进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述信号采集与处理系统包括：依次连接的脉冲计数器、微控制器和显示器，用于对所述数字电平逻辑脉冲信号进行采集和处理，得到两个脉冲间的时间间隔t或单位时间脉冲计数n；

若积分的时间为t1，复位的时间为t2，则t＝t1+t2＝1/n；

通过下式计算得到t1和t2：

其中，ireset为所述复位电流，iin为所述微弱电流信号，cf为积分电容；

若所述复位电流ireset远大于所述微弱电流信号iin，t1为固定值，且t1远大于t2，t近似等于t1，则所述微弱电流信号iin的值通过下式计算得到：

其中，vthh为所述上电压阈值，vthl为所述下电压阈值。

一种基于电流频率变换法的微弱电流测量方法，包括：

(1)电流积分器收集微弱电流信号并输出电压信号至阈值甄别电路，其中，电压信号的幅度正比于所述微弱电流信号的总电荷量；

(2)所述阈值甄别电路对电压信号进行阈值甄别，输出相应的逻辑信号至复位逻辑电路；

(3)所述复位逻辑电路根据逻辑信号，向积分复位电路输出复位触发信号的同时向单稳态触发电路输出触发信号，或者关闭所述积分复位电路；其中，所述积分复位电路在接收到所述复位触发信号后开始工作并输出复位电流；

(4)所述单稳态触发电路对所述触发信号进行整形后输出固定宽度的数字电平逻辑脉冲信号至信号采集与处理系统，其中，所述数字电平逻辑脉冲信号频率正比于所述微弱电流信号；

(5)所述信号采集与处理系统对所述数字电平逻辑脉冲信号进行采集和处理，得到所述微弱电流信号的值。

本发明的有益效果在于：本发明通过电流积分器、积分复位电路、复位逻辑电路和单稳态触发电路将待测微弱电流转换为数字脉冲频率信号，通过信号采集与处理系统测量得到待测微弱电流的值，具有更好的测量精度与更小的测量不确定度。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路图；

图2为本发明实施例中提供的积分复位电路图；

图3为本发明实施例中提供的复位逻辑电路图；

图4为本发明实施例中提供的复位逻辑电路的时序图；

图5为本发明实施例中提供的一种单稳态触发电路图；

图6为本发明实施例中提供的另一种单稳态触发电路图；

图7为本发明实施例中提供的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

针对广泛使用的基于高值电阻的i-v变换微弱电流测量电路体积大，需要使用多个高值电阻(10¹⁰ω或以上)和高绝缘继电器切换量程，高值电阻环境温度、湿度较为敏感，环境适应性较差的问题，因此提供一种采用电容积分方式，无需量程切换，通过积分电路、复位电路和逻辑电路将待测微弱电流转换为数字脉冲频率信号的小体积、宽量程、高精度微弱电流测量电路。

如图1所示，一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，包括：依次连接的电流积分器、阈值甄别电路、复位逻辑电路、单稳态触发电路和信号采集与处理系统，以及与电流积分器和复位逻辑电路连接的积分复位电路；

电流积分器，用于收集微弱电流信号并输出电压信号至阈值甄别电路，其中，电压信号的幅度正比于微弱电流信号的总电荷量；

阈值甄别电路，用于对电压信号进行阈值甄别，输出相应的逻辑信号至复位逻辑电路；

复位逻辑电路，用于根据逻辑信号，向积分复位电路输出复位触发信号的同时向单稳态触发电路输出触发信号，或者关闭积分复位电路；

积分复位电路，用于在接收到复位触发信号后开始工作并输出复位电流；

单稳态触发电路，用于对触发信号进行整形后输出固定宽度的数字电平逻辑脉冲信号至信号采集与处理系统，其中，数字电平逻辑脉冲信号频率正比于微弱电流信号；

信号采集与处理系统，用于对数字电平逻辑脉冲信号进行采集和处理，得到所述微弱电流信号的值。

电流积分器包括：积分电容、第一限流电阻和低偏置电流的运算放大器，积分电容的一端和第一限流电阻的一端均连接微弱电流信号，第一限流电阻的另一端连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接地，积分电容的另一端和运算放大器的输出端连接阈值甄别电路。

如图1所示，电流(电荷)积分器由电阻r7、低偏置电流(ib)高速精密放大器u4、电容cf基于运算放大器的深度负反馈结构构成。精密运算放大器选型主要考虑低偏置电流(ib)、高单位增益带宽(gbp)和压摆率(sr)指标，其中低偏置电流往往伴随更低输入电流噪声，有利于提高的测量下限指标与分辨力指标，单位增益带宽和压摆率可以实现更快的积分速率即有利于提高测量上限，一般选用jfet输入级或cmos工艺的运算放大器，在此电路中运算放大器u4采用的型号为opa128j(或opa129、ad549、ada4530-1等)；电容作为反馈积分电容应具有高绝缘电阻(rinsulation＞10¹⁴ohm)、高品质因素(q＞0.99)、低损耗角(d＜0.01)的特征，在此选用聚苯乙烯电容，容值可选范围为12pf～100pf，当需要更高的灵敏度时优先选用更低容值的电容，本电路的典型电容容值为33pf；电阻r7阻值为1mω，作为运算放大器的限流保护电阻。

阈值甄别电路包括：并行的两路迟滞比较器，第一路迟滞比较器包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一高速比较器，第一电阻的一端连接电流积分器，第一电阻的另一端连接第二电阻的一端、第一高速比较器的第一输入端和第三电阻的一端，第二电阻的另一端和第一高速比较器的第二输入端接地，第三电阻的另一端和第一高速比较器的输出端连接复位逻辑电路的1clk端；第二路迟滞比较器包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻和第二高速比较器，第四电阻的一端连接电流积分器，第四电阻的另一端连接第五电阻的一端、第二高速比较器的第一输入端和第六电阻的一端，第五电阻的另一端和第二高速比较器的第二输入端接地，第六电阻的另一端和第二高速比较器的输出端连接复位逻辑电路的-1clk端。

第一高速比较器的触发阈值为上电压阈值，当电压信号超过上电压阈值时第一高速比较器输出为高电平，当电压信号低于上电压阈值时第一高速比较器输出为低电平；

第二高速比较器的触发阈值为下电压阈值，当电压信号超过下电压阈值时第二高速比较器输出为高电平，当电压信号低于下电压阈值时第二高速比较器输出为低电平。

如图1所示，阈值甄别电路由双路高速比较器，电阻r1～r6组成的两路迟滞比较器构成，其中双路高速比较器采用max991eub芯片，电阻r1、r5为1％的15kω电阻，r2、r6为1％的8.2k电阻，r3、r4为1％的1.2mω电阻，vthl和vthh可以根据灵敏度进行调节，vthl和vthh典型值分别为100mv和300mv。

复位逻辑电路具体用于：

当第一高速比较器和第二高速比较器输出均为高电平时，复位端口输出高电平，使得积分复位电路工作并输出复位电流；

当第一高速比较器和第二高速比较器输出均为低电平时，复位端口输出低电平，关闭积分复位电路。

如图3所示，复位逻辑电路由74ls74芯片构成，图1中的u5a输出接u3芯片的3引脚，图1中的u5b的输出接u3芯片的1引脚，2、4引脚接逻辑高电平，其逻辑及时序如图4所示。

积分复位电路包括：第一二极管、第二二极管、第二限流电阻和复位电源开关，第一二极管的正极和第二二极管的负极连接电流积分器的输入端，第一二极管的负极和第二二极管的正极连接第二限流电阻的一端，第二限流电阻的另一端连接复位电源开关的输出端，复位电源开关的输入端连接复位逻辑电路。

如图2所示，积分复位电路由二极管、限流电阻和复位电源开关构成。复位电源开关采用模拟开关芯片adg419；二极管d1a采用双低反向偏置泄漏电流二极管，型号为bav199，也可以使用两个相同类型的jfet型和mos型场效应管作为二极管代替；双二极管并联后和限流电阻r10串联，限流电阻r10的阻值为1mω，二极管和限流电阻串联后二极管的一侧与电流积分器的输入端连接，电阻一侧与复位电源输出端连接；d1a和d1b分别用于不同极性的复位电流；积分复位电路停止时复位电源输出为零电位；复位电流大小ireset为(vreset-vdiode)/r10，其中vreset为复位电压，vdiode为二极管导通时电压约0.7v，vreset极性需要根据输入电流极性选择相反极性，为降低复位时间的影响一般复位电流值设置为1μa(1×10^-6a)。

单稳态触发电路包括：第一或非门、第一电容、第八电阻、第二或非门、第三或非门和第四或非门，第一或非门的第一输入端为单稳态触发电路的输入端，第一或非门的输出端连接第一电容的一端，第一电容的另一端连接第八电阻的一端和第二或非门的第一输入端，第八电阻的另一端连接电源，第一或非门的第二输入端连接第二或非门的输出端，第二或非门的第二输入端接地，第二或非门的输出端连接第三或非门的第一输入端，第三或非门的第二输入端连接第四或非门的第二输入端并接地，第三或非门的输出端连接第四或非门的第一输入端，第四或非门的输出端为单稳态触发电路的输出端。

单稳态触发电路包括：第一与非门、第二与非门、第三与非门、第四与非门、第二电容和第九电阻，第一与非门的第一输入端为单稳态触发电路的输入端，第一与非门的第一输入端连接第二输入端和第二与非门的第一输入端，第一与非门的输出端连接第九电阻的一端，第九电阻的另一端连接第二电容的一端和第二与非门的第二输入端，第二与非门的输出端连接第三与非门的第一输入端和第二输入端，第三与非门的输出端连接第四与非门的第一输入端和第二输入端，第四与非门的输出端为单稳态触发电路的输出端。

单稳态触发电路中的或非门由或非逻辑芯片74ls02构成，与非门由与非逻辑芯片74ls00构成。图5为由或非逻辑芯片74ls02构成的单稳态触发器，图6为由与非逻辑芯片74ls00构成的单稳态触发器，可选择两种中任意一种电路，经单稳态触发电路整形后输出为脉冲宽度约1μs的数字电平脉冲信号。

信号采集与处理系统包括：依次连接的脉冲计数器、微控制器和显示器，用于对数字电平逻辑脉冲信号进行采集和处理，得到两个脉冲间的时间间隔t或单位时间脉冲计数n；

若积分的时间为t1，复位的时间为t2，则t＝t1+t2＝1/n。

通过下式计算得到t1和t2：

其中，ireset为复位电流，iin为微弱电流信号，cf为积分电容。

若复位电流ireset远大于微弱电流信号iin，t1为固定值，且t1远大于t2，t近似等于t1，则微弱电流信号iin的值通过下式计算得到：

其中，vthh为上电压阈值，vthl为下电压阈值，cf为积分电容。

脉冲计数器可以由单片机的外部计数功能实现，如采用stm32f103rct32位微控制器时，可以采用其tim8-etr引脚配置为外部计数模式完成计数功能，通过采集固定时间内脉冲个数n，既可以通过公式(3)完成输入电流值的计算；也可以通过标准微弱电流源直接对电路进行刻度，由标准电流值和计数率之间的线性关系得到电路的参数。

如图7所示，一种基于电流频率变换法的微弱电流测量方法，包括：

s100、电流积分器收集微弱电流信号并输出电压信号至阈值甄别电路，其中，电压信号的幅度正比于微弱电流信号的总电荷量；

s200、阈值甄别电路对电压信号进行阈值甄别，输出相应的逻辑信号至复位逻辑电路；

s300、复位逻辑电路根据逻辑信号，向积分复位电路输出复位触发信号的同时向单稳态触发电路输出触发信号，或者关闭积分复位电路；其中，积分复位电路在接收到复位触发信号后开始工作并输出复位电流；

s400、单稳态触发电路对触发信号进行整形后输出固定宽度的数字电平逻辑脉冲信号至信号采集与处理系统，其中，数字电平逻辑脉冲信号频率正比于微弱电流信号；

s500、信号采集与处理系统对数字电平逻辑脉冲信号进行采集和处理，得到微弱电流信号的值。

本发明的微弱电流测量电路及方法，包括以下优点：

1、通过电容容值、时间分参数测量的方式间接得到待测量微弱电流值，因电容测量、时间测量的测量精度及不确定度优于高值电阻阻值测量，因此具有更好的测量精度与更小的测量不确定度。

2、通过电流至频率(计数率或时间)转换，无需额外量程切换电路既可以实现7～8个量级的宽范围微弱电流测量。

3、未使用大体积元器件，如高值电阻和高绝缘继电器，因此电路体积较小。

4、使用电容作为测量的核心器件，因电容的温度系数与绝缘电阻的湿度敏感性远小于高值电阻，相比采用高值电阻的测量方案可使用温度范围、湿度范围更宽，环境适应性更佳。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。