1 导言
实践丈量时，噪声和搅扰无法逃避，影响了丈量的活络度和准确性。以研讨丈量pA级电流为意图，开发规划出准确度为0.5级的微电流丈量仪，丈量的最小规模为10 pA。关于pA级电流丈量，丈量电路无法直接捕获电流信号，需求进行I/U转化。关于转化后的电压信号需进行进一步的扩大，不然会被运算扩大器的失调电压、偏置电流这些直流信号搅扰。问题在于，在扩大捕获待测信号的一起，工频搅扰、噪声、电路失调等杂质信号也一起被扩大，所以需求规划出相关的后续电路加以过滤、去除。关于工频搅扰，经过采纳屏蔽、滤波即可。而关于电路失调等这些直流杂质信号的消除，是本文所要论述的中心地址，即经过选用调制电路、差分电路过滤掉这些杂质直流信号。
2 微电流丈量方法概述
2.1 丈量办法
弱小信号检测便是要从信号源中过滤掉搅扰信号，增强/最大极限地复原有用的待测信号，进步信噪比(SNR)，有用按捺噪声是微电流丈量的难点和要点。新的微电流检测办法的提出及微电流丈量仪的研发是现在该范畴内的一大热门。就检测办法而言，现在主要有：取样积分法、相关检测法、噪声分析法、调制解调法、小波变换法、高阻抗输入法、光电耦合法、集成运放、计算机程序操控等，但取样电阻法和运放反应电流法是微电流丈量常用的办法。
噪声搅扰是一种有用的压制性搅扰信号，根据噪声的品种和特色，主要有2大来历：1)来自电子体系内部固有噪声，包含运放的偏置电流、失调电压，电子元件发热发生的热噪声，数字电路搅扰发生的脉冲式噪声，开关电路发生的尖峰噪声等;2)来自电子体系外部，比如工频搅扰、射频噪声、大气噪声、机械噪声等。丈量中，对噪声的处理极端重要，该文提出，微电流丈量的关键在于按捺电路杂质直流信号和工频搅扰。
2.2 微电流丈量技能开展现状
美国吉时利公司使用在活络电流丈量仪器上的技能优势，现已开宣布6482型双通道皮安表/电压源，丈量分辨率高达1 fA，6位半，丈量规模2 nA～20 mA。
3 规划理论
3.1 微电流一电压转化原理
由戴维南定理可知，任何一个两头网络都可当作一个等效电压源Us与等效电阻Rs串联，即Rs=Us/Is。运放反应电流法丈量原理如图1所示。
图1运放反应电流丈量法原理
图中：Rf为反应电阻;R’为平衡电阻;UI0为运放失调电压;Ib-、Ib+为运放偏置电流;Is为待测微电流;Uo为输出电压。
抱负电路输出为Uo= – IsRf。因为运放存在失调电压、偏置电流，所以，实践电路输出为：
U’o= – IsRf+UI0+Ib+R’+Ib-Rf (1)
电压输出差错为：
△Uo=UI0+Ib+R’+Ib-Rf (2)
3.2 差分、调制电路原理
提出运用差分、调制电路过滤掉电路中直流杂质信号的丈量办法，彻底消除微电流丈量进程中丈量仪器本身电路发生的搅扰。差分、调制是指调制开关由中央处理器操控，对微电流进行调制，经过选用调制电路、差分电路过滤掉这些杂质直流信号，得到与待测信号成比例关系的微压信号。差分、调制电路原理如图2所示。
图2 弱小电流差分、调制前置扩大器模型
当K1断开，K2闭合，即输出：
U01= IsRf+UI0+Ib+R’+Ib-Rf (3)
当K1闭合，K2断开，即输出：
U02= UI0+Ib+R’+Ib-Rf (4)
式(3)减式(4)，即可消除体系差错，即：
Uo=U01- U02= IsRf(5)
经过式(5)得知，直流杂质信号被消除，可见，Uo与Is成正比。但Uo信号极端弱，Uo需求经过层层扩大，再进行差分。设总的扩大倍数为K，则输出为：Uo=KIsRf;被测微电流为：
Is=Uo/(KRf) (6)
丈量成果送往仪器的中央处理器，最终经过显现电路显现出来。
4 体系规划
4.1丈量电路构成
本丈量电路由3部分组成。
1)前置扩大阶段，对信号进行调制扩大，一起将微电流信号转化成微压信号;
2)信号扩大阶段，别离由低通滤波电路、调零电路、开关挑选电路、状况判别电路构成;
3)微电流输出，由采样坚持、差分电路等构成，由调制开关对扩大后的电压信号别离进行采样坚持，经过差分电路去除体系差错，最终输出与被测微电流成正比的电压信号。丈量电路构成如图3所示。
图3丈量电路体系构成
4.2 第1级扩大电路原理
扩大进程分为8小级(V1～V8)完结，框图由上至下，逐步扩大如图4所示。前置扩大电路输出的微压信号在第l级进行扩大时，由中央处理器操控扩大级数。级数的确认先由多路开关顺次闭合，由状况判别电路做出判别，当输出信号初次超越运放作业的线性规模时，级数后退1级，并送往中央处理器。为防止工频搅扰信号数次被扩大，每级扩大电路都设置低通滤波器。调零电路设置在扩大电路的末级，以防止丈量电路本身失调信号被数次扩大后，或许超出其作业的线性规模。
图4第1级扩大电路原理
4.3 第2级扩大电路原理
共分4级扩大，每级扩大倍数不宜过大，以不超越运放的饱满电压且输出信号最大为准，如图5所示。
图5 第2级扩大电路原理
根据调制开关的不一起态，将信号扩大阶段输出的成果存储在2个寄存器中，使用差分电路，使得前置扩大电路，主扩大电路中伴跟着的杂质直流信号得以消除。
4.4 状况判别电路原理
选用供电电源为3 V的前置扩大电路，J/U转化后的信号输出给1号状况判别电路，由判别电路做出判别将成果送至中央处理器;中问主扩大电路均选用电源为15 V的运算扩大器，电路输出给2号状况判别电路，将成果送至中央处理器如图6所示。
图6状况判别电路原理
5 装置留意事项
除电路结构规划外，在元器材挑选、电路装置及工艺上也要采纳必定的办法。为到达pA级微电流丈量，有必要留意以下几点：
1)为了尽量防止搅扰，应将输入接线端用屏蔽环彻底盘绕，并将屏蔽层与外壳、衬底及信号地连接口]，将保护环设置在印刷板的正反两面。
2)电路的各条回路都应以地作为电流回来的通道，鉴于地线上的阻抗不是零而构成电位差，地线与信号线间的电容耦合会进一步添加噪声搅扰，因而，要尽量设置少的接地址或减小接地址间的间隔。
3)PCB布线时，要留意各种器材的摆放，每个芯片有必要装备去耦%&&&&&%，功率大的元器材要求挨近电源方位，尽量减小电线长度，在电源和扩大器的输出部分大面积敷铜。在进行线路板的走线时，先走地线及电源线。
6 实验仿真
6.1 工频搅扰实验
工频噪声能够经过空间辐射、传导进入，经过对丈量仪器加装金属屏蔽层，测验者手触摸仪器外壳时，测验电路输出波形如图7所示;撤掉金属屏蔽层，测验者手挨近仪器外壳时，测验电路输出波形如图8所示，从两图比照中能够看出50 Hz噪声得到有用按捺。
图7屏蔽时电路输出波形
图8无屏蔽时电路输出波形
6.2 验证调制采样电路、差分电路的有用性
为过滤掉电路失调等直流杂质信号，选用调制电路、差分电路。为验证电路的有用性，用示波器别离丈量采样坚持输入端波形和差分电路输出端波形，如图9所示。很明显，直流杂质被有用过滤。
图9差分电路后输出波形
6.3 测验数据
测验数据，如表1所示不同值的5次丈量成果。
关于100 pA，丈量平均值：
=100.156 pA，丈量差错为0.16%，丈量重复性s=0.24 pA;
关于10 pA，丈量平均值：=9.993 pA，丈量差错为- 0.07%，丈量重复性s=0.04 pA。
丈量准确度、重复性到达预期意图，契合0.5级要求。
7 定论
跟着电子丈量技能的进一步开展，pA等级的电流丈量在很多范畴具有极端重要的位置，微电流丈量极易遭到环境条件和丈量仪器本身噪声的影响。根据提出的丈量办法规划的丈量仪器经高、低温、电磁搅扰等实验，关于10 pA电流，仪器准确度可达0.5级，具有较高的准确度和较好的丈量重复性、稳定性。实验数据标明，去除工频搅扰和直流差错的影响是减小微电流丈量差错的主要因素。
