一种pA量级弱电流的精密测量系统

一种pa量级弱电流的精密测量系统
技术领域
1.本发明涉及pa量级弱电流测量领域，尤其涉及一种pa量级弱电流的精密测量系统。


背景技术：

2.1996年，剑桥大学卡文迪什实验室shilton等人利用 gaas 的压电性和分裂门技术研制出第一个千兆赫兹的声表面波单电子输运（saw/set）器件，实现声表面波（saw）对单个电子的搬运，首次得到 pa 量级的量子化电流：i = nef，其中n是正整数， f是微波频率，其精度达10-15
量级，e是电子电量。因此，利用声表面波单电子效应就有可能建立一种基于基本物理常量的量子基准。实验中，f =1 ghz时，量子化声电电流坪台第一个台阶处电流信号约为160 pa。如何测量如此微弱的电流信号，成为实验成功的关键因素。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提供一种pa量级弱电流的精密测量系统。
4.本发明通过以下技术方案实现：一种pa量级弱电流的精密测量系统，包括数据采集卡、bnc盒、隔离适配器、低温系统和电流表，所述数据采集卡的输出端包括两路，所述数据采集卡的第一路输出端和数据采集卡的第二路输出端分别通过bnc盒连接隔离适配器的一路输入端，所述隔离适配器的一路输出端通过连接低温系统，分别向低温系统提供门电压和漏源偏置电压的驱动信号，所述隔离适配器的另一路输入端通过连接低温系统，接收低温系统提供的声电电流，所述隔离适配器的另一路输出端通过连接电流表，向电流表提供声电电流，所述低温系统用于形成声电电流。
5.进一步的，所述低温系统包括叉指换能器和声表面波单电子输运器件，所述声表面波单电子输运器件包括6个引脚，所述隔离适配器的漏源偏置电压输出端连接源端引脚，所述隔离适配器的门电压输出端分别连接两个门电压引脚，所述隔离适配器的电流信号输入端连接测量端引脚。
6.进一步的，所述叉指换能器的输入端通过微波信号发生器连接终端，所述叉指换能器的输出端输出驱动声表面波单电子输运器件的声表面波。
7.进一步的，所述隔离适配器包括隔离衰减叠加电路、芯片供电电路和电源电压指示电路，所述隔离衰减叠加电路包括第一隔离器、第二隔离器、电阻r1、r2、r3和求和运算叠加电路，所述第一隔离器的输入端和第二隔离器的输入端分别连接两路输入电压，所述第一隔离器的输出端包括两路，一路连接求和运算叠加电路的一路输入端，另一路连接滤波电路的输入端，所述第二隔离器的输出端连接r1，所述r1的输出端包括两路，一路通过r2接地，另一路连接求和运算叠加电路的一路输入端，所述求和运算叠加电路的另一路输出端通过r3接地，所述求和运算叠加电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路用于输出经滤波后的门电压和漏源偏置电压。
8.进一步的，所述隔离衰减叠加电路还分别连接门电压隔离衰减叠加电路和漏源偏置电压隔离衰减叠加电路，所述门电压隔离衰减叠加电路连接隔离衰减叠加电路的门电压输出端，所述漏源偏置电压隔离衰减叠加电路连接隔离衰减电路的漏源偏置电压输出端。
9.进一步的，所述门电压衰减叠加电路包括隔离衰减模块，所述隔离衰减模块包括隔离放大器ic15、ic16、和电阻r45、r46、r56、r57，所述隔离衰减模块包括两路输入端，一路输入端j7通过连接r45和r56，进行衰减，再通过ic15进行隔离，所述ic15的38引脚连接输出端u out1，所述ic15的引脚37接地，另一路输入端通过r46和r56，进行衰减，再通过ic16进行隔离，所述ic16的38引脚连接输出端u out2，所述ic16的引脚37接地，所述隔离放大器采用输入范围为
±
5v 的ad202芯片。
10.进一步的，所述门电压衰减叠加电路包括叠加模块，所述叠加模块包括运算放大器ic10、电阻rv8、rv10、r60、r61和反向比例运算电路，所述叠加模块包括两路输入端u out1和u out2，所述uout1通过连接rv8，进行增益误差调节，所述uout2通过连接rv10，进行增益误差调节，再通过r60和r61，进行分压，所述r60、r61和rv8通过连接反向比例运算电路，进行叠加再反相，所述反向比例运算电路连接ic10，所述ic10的6引脚连接输出端，所述运算放大器采用op07芯片。
11.进一步的，所述漏源偏置电压隔离衰减叠加电路包括射极跟踪器、t形电阻网和电阻rv7、rv9，所述漏源偏置电压隔离衰减叠加电路的输入端通过射极跟踪器，进行匹配抗阻，再通过t形电阻网，进行叠加衰减，所述rv7和rv9设置于射极跟踪器和t形电阻网连接的电路上，用于对衰减倍数进行误差微调。
12.进一步的，所述隔离适配器还包括开关选择电路，所述开关选择电路连接多个声表面波单电子输运器件，所述开关选择电路用于对声表面波单电子输运器件的分裂门的栅极电压进行单独控制。
13.本发明的有益效果：（1）本发明利用电压隔离、衰减、叠加电路，消除共地干扰，降低本底噪声，以满足器件测量时电压的量程和步进需求；（2）本发明利用其开关选择电路，为数据采集提供挡位选择（3）本发明结合商用电子元件，搭建了弱电流测量系统，该系统的测量精度达到pa量级，本底噪声仅为0.2 pa。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明实施例提出的一种pa量级弱电流的精密测量系统的测量系统原理示意图；图2为本发明实施例提出的隔离适配器的电路原理示意图；图3为本发明实施例提出的门电压隔离衰减叠加电路的隔离衰减模块的电路原理示意图；
图4为本发明实施例提出的门电压隔离衰减叠加电路的叠加模块的电路原理示意图；图5为本发明实施例提出的源漏偏置电压隔离衰减叠加电路的电路原理示意图；图6为本发明实施例提出的开关选择电路的电路原理示意图；图7为本发明实施例提出的传统接地方法的方法流程图；图8为本发明实施例提出的改进后的接地方法的的终端设备的方法流程图；图9为本发明实施例提出的一种pa量级弱电流的精密测量系统的终端设备的结构示意图。
具体实施方式
16.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
17.实施例1如图1，本实施例提出一种pa量级弱电流的精密测量系统，包括数据采集卡、bnc盒、隔离适配器、低温系统和电流表，所述数据采集卡的输出端包括两路，所述数据采集卡的第一路输出端和数据采集卡的第二路输出端分别通过bnc盒连接隔离适配器的一路输入端，所述隔离适配器的一路输出端通过连接低温系统，分别向低温系统提供门电压和漏源偏置电压的驱动信号，所述隔离适配器的另一路输入端通过连接低温系统，接收低温系统提供的声电电流，所述隔离适配器的另一路输出端通过连接电流表，向电流表提供声电电流，所述低温系统用于形成声电电流。
18.进一步的，所述低温系统包括叉指换能器和声表面波单电子输运器件，所述声表面波单电子输运器件包括6个引脚，所述隔离适配器的漏源偏置电压输出端连接源端引脚，所述隔离适配器的门电压输出端分别连接两个门电压引脚，所述隔离适配器的电流信号输入端连接测量端引脚。
19.进一步的，所述叉指换能器的输入端通过微波信号发生器连接终端，所述叉指换能器的输出端驱动声表面波单电子输运器件的声表面波。
20.进一步的，所述隔离适配器包括隔离衰减叠加电路、芯片供电电路和电源电压指示电路，所述隔离衰减叠加电路包括第一隔离器、第二隔离器、电阻r1、r2、r3和求和运算叠加电路，所述第一隔离器的输入端和第二隔离器的输入端分别连接两路输入电压，所述第一隔离器的输出端包括两路，一路连接求和运算叠加电路的一路输入端，另一路连接滤波电路的输入端，所述第二隔离器的输出端连接r1，所述r1的输出端包括两路，一路通过r2接地，另一路连接求和运算叠加电路的一路输入端，所述求和运算叠加电路的另一路输出端通过r3接地，所述求和运算叠加电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路用于输出经滤波后的门电压和漏源偏置电压。
21.进一步的，所述隔离衰减叠加电路还分别连接门电压隔离衰减叠加电路和漏源偏置电压隔离衰减叠加电路，所述门电压隔离衰减叠加电路连接隔离衰减叠加电路的门电压输出端，所述漏源偏置电压隔离衰减叠加电路连接隔离衰减电路的漏源偏置电压输出端。
22.进一步的，所述门电压衰减叠加电路包括隔离衰减模块，所述隔离衰减模块包括
隔离放大器ic15、ic16、和电阻r45、r46、r56、r57，所述隔离衰减模块包括两路输入端j7和j8，所述j7通过连接r45和r56，进行衰减，再通过ic15进行隔离，所述ic15的38引脚连接输出端u out1，所述ic15的引脚37接地，所述j8通过r46和r56，进行衰减，再通过ic16进行隔离，所述ic16的38引脚连接输出端u out2，所述ic16的引脚37接地，所述隔离放大器采用输入范围为
±
5v 的ad202芯片。
23.进一步的，所述门电压衰减叠加电路还包括叠加模块，所述叠加模块包括运算放大器ic10、电阻rv8、rv10、r60、r61和反向比例运算电路，所述叠加模块包括两路输入端u out1和u out2，所述uout1通过连接rv8，进行增益误差调节，所述uout2通过连接rv10，进行增益误差调节，再通过r60和r61，进行分压，所述r60、r61和rv8通过连接反向比例运算电路，进行叠加再反相，所述反向比例运算电路连接ic10，所述ic10的6引脚连接输出端，所述运算放大器采用op07芯片。
24.进一步的，所述漏源偏置电压隔离衰减叠加电路包括射极跟踪器、t形电阻网和电阻rv7、rv9，所述漏源偏置电压隔离衰减叠加电路的输入端通过射极跟踪器，进行匹配抗阻，再通过t形电阻网，进行叠加衰减，所述rv7和rv9设置于射极跟踪器和t形电阻网连接的电路上，用于对衰减倍数进行误差微调。
25.进一步的，所述隔离适配器还包括开关选择电路，所述开关选择电路连接声表面波单电子输运器件，所述开关选择电路用于对声表面波单电子输运器件的分裂门的栅极电压进行单独控制。
26.本实施例的具体实施原理流程如下：在声表面波单电子输运实验中，待测信号为pa量级的弱电流信号。因此，高精度的测量系统及合适的测量方案是实验成功的关键。如图1所示， ni 6289数据采集卡输出两路电压信号，经bnc盒，进入自制隔离适配器，输出符合测量需求的电压信号，为器件提供门电压和源漏偏置电压的驱动。图中，器件接口6是作为源端；接口1是作为测量端；接口2、5施加门电压。agilent 8648d是微波信号发生器，输出微波信号至叉指换能器（idt），激发声表面波，搬运电子通过准一维量子通道，形成声电电流。电流信号通过器件接口1，进入keithley 6430高精度电流表进行测量。
27.本实施例的有益效果为：1. 为器件提供合适量程和步进的门电压及源漏偏置电压，并消除共地干扰，降低本底噪声；2. 为器件数据采集提供更多的挡位选择，如：测量三对分裂门器件的时候，利用隔离适配器的开关选择电路，可分别控制器件每对分裂门的栅极电压。
28.实施例2在实施例1的基础上，本实施例进一步提出隔离适配器工作原理，其中，ni 6289数据采集卡输出两路电压信号，经bnc盒进入隔离适配器，先由电阻分压一半，再输入隔离器，然后其中一路再经电阻分压，衰减500倍后与另一路用求和运算电路叠加，得到门电压和源漏偏置电压。该电压信号在被输出端输出前还经过了一组滤波电路。这是因为器件上加有微波信号，对测量回路将产生高频干扰，这组滤波电路用于防止高频干扰影响衰减叠加电路的工作。
29.进一步的，为了避免市电干扰，隔离适配器采用外接镍氢可充电电池供电，在电路
板上除隔离衰减叠加电路外还有芯片供电电路和电源电压指示电路。芯片供电电路能产生＋15 v、+7.5 v和－7.5 v三种电压供给芯片。电源电压指示电路保证当电池电压降到18 v以下时，发光二极管由绿转红，同时蜂鸣器报警，提醒更换电池。一组电池可连续工作12小时以上。隔离适配器的壳体由铝板制成，具有良好的屏蔽功能。
30.实施例3在实施例1的基础上，本实施例进一步提出门电压的衰减、叠加电路，其中，如图2、图3，图中j7、j8是衰减叠加电路的两个输入端，直接通过导线连接电压源。输入电压分别经电阻r45、r56和r46、r57分压后衰减一半，再用隔离放大器进行隔离，在ic15和ic16的38脚输出，输出电压为j7、j8的一半。ic15和ic16为隔离放大器，其主要作用是消除回路中的共地干扰，因为电路中接地线存在电阻，当地线上存在干扰时，形成共地回路，在电路中就会产生一个有害的噪声电压。电路中加装的隔离放大器能保证电路输入端和输出端电压一致，但输入端电路和输出端电路相互独立，从而切断了共地回路，避免了共地干扰。
31.进一步的，隔离放大器采用ad202芯片，所述型号是一种变压器耦合、微型封装的精密隔离放大器。通过芯片内变压器耦合，对信号的输入和输出进行电气隔离，具有精度高、功耗低、共模性能好、体积小和价格低等特点。在输入电路中，芯片内独立放大器能够作为输入信号的缓冲或放大。放大后的信号经调制器调制后能把该信号变换成载波信号，经变压器送入同步解调器，以致在输出端重现信号。而且解调信号要经三阶滤波器滤波，从而使得输入信号中噪声和波纹达到最小，为后级应用电路提供良好的激励源。由于ad202的输入范围是
±
5v，而电压源输出范围是
±
10v,因此在输入端先用电阻分压一半，再输入ad202。此外，电路中rv4和rv5用来调节输出的零点。
32.进一步的，如图4所示，电压信号经隔离放大器后输出u out1和u out2，一路接rv8，另一路接rv10，再经r60、r61（分压500倍）。rv8和rv10用于调节增益误差。再加上隔离放大器之前衰减的一半，两路总共衰减1/2和1/1000。衰减之后两路电压再经反相比例运算电路（ic12、r48、r59、r58组成）叠加，再反相，在ic10的6脚输出电压。此时ic10的6脚输出电压经过隔离、衰减和叠加，范围
±
5v，最小步进达0.3 μv。射极跟踪器和运算电路所需运算放大器采用op07芯片，具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声幅度及长期稳定等特点。
33.实施例4在实施例1的基础上，本实施例进一步提出源漏偏置电压的衰减、叠加电路，其中，信号先经过衰减一半再隔离，再经过射极跟踪器（ic9和ic11）匹配阻抗后，直接用图5所示t形电阻网进行衰减叠加。经ic11的一路衰减了1/5000，经ic9的一路衰减了1/500，再加上隔离之前衰减的一半，共衰减1/10000和1/1000。rv7和rv9可对衰减倍数进行误差微调。
34.实施例5在实施例1的基础上，本实施例进一步提出开关选择电路，其中，如图6所示，图中多对门电压的情况相同，只显示了一对。来自器件的六根导线，1、3、4、6引自器件的源漏焊盘，2、5引自器件的门电压焊盘（见图1）。1、3、4、6进入适配器后各自分成两支，分别接两个单刀多掷开关。两个开关的公共端分别接keithley 6430电流表的输入端和电路板上的源漏偏置电压输出端。图中所示源漏偏置电压接6脚，电流表输入端接1脚。2、5脚的导线则分别接入一个双刀多掷开关的两个公共端。周围端口分别接门电压vg、gnd，还有一个悬浮端。
开关从左至右顺时针拨动时，接线情况如下：第一档，2脚接vg，5脚接地，此时不加源漏偏置电压，可测量2脚经过器件沟槽到准一维电子通道的漏电流；第二档，5脚接vg， 2脚接地，可测量2脚到准一维电子通道的漏电流。第三档，2、5脚都接vg，可测量2、5脚到准一维电子通道的总漏电流。再加源漏偏置电压，可测量器件的钳断曲线；加微波可测量声电电流。第四档是悬浮端。器件工作时，六个接地开关都断开。不工作时，合上接地开关使六个焊盘都接地。
35.实施例6在实施例1的基础上，本实施例进一步提出电路系统的接地，其中，如图7所示，接地法（a）是采用串联单点接地，即所有的器件的地都连接到同一个接地点，再通过该接地点连接到信号地。我们测量系统的公共接地点就是机柜上的接地点，而隔离适配器，低温系统均通过机柜接地。由于对地分布电容的影响，会产生并联谐振现象，大大增加地线的阻抗，产生公共阻抗耦合干扰，从而影响我们的测量精度。当采用此种接地法，测量系统的噪声起伏达到了8 pa,显然不能满足测量要求。因此，我们将隔离适配器，低温系统直接与信号地相连，不再通过机柜接地。这样消除公共阻抗耦合干扰，大大提高了我们的测量精度，当我们采用如图8所示的接地方法时，测量系统的噪声起伏大大减小，其峰峰值为0.2 pa，已经能够满足我们测量要。
36.实施例3如图9，在实施例1的基础上，本实施例提出一种pa量级弱电流的精密测量的终端设备，终端设备200包括至少一个存储器210、至少一个处理器220以及连接不同平台系统的总线230。
37.存储器210可以包括易失性存储器形式的可读介质，例如随机存取存储器(ram)211和/或高速缓存存储器212，还可以进一步包括只读存储器(rom)213。
38.其中，存储器210还存储有计算机程序，计算机程序可以被处理器220执行，使得处理器220执行本技术实施例中上述任一项一种pa量级弱电流的精密测量方法，其具体实现方式与上述方法的实施例中记载的实施方式、所达到的技术效果一致，部分内容不再赘述。存储器210还可以包括具有一组(至少一个)程序模块215的程序/实用工具214，这样的程序模块包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
39.相应的，处理器220可以执行上述计算机程序，以及可以执行程序/实用工具214。
40.总线230可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器、外围总线、图形加速端口、处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。
41.终端设备200也可以与一个或多个外部设备240例如键盘、指向设备、蓝牙设备等通信，还可与一个或者多个能够与该终端设备200交互的设备通信，和/或与使得该终端设备200能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口250进行。并且，终端设备200还可以通过网络适配器260与一个或者多个网络(例如局域网(lan)，广域网(wan)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器260可以通过总线230与终端设备200的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合终端设备200使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、
设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、raid系统、磁带驱动器以及数据备份存储平台等。