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看看这个大动态范围微弱电流测量电路!

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楼主: hoosyman
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jokeking| | 2008-8-22 12:10 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览

呵呵,一点就通,是干这一行的

这样我说起来也很轻松。

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hoosyman|  楼主 | 2008-8-22 12:20 | 只看该作者

这个电路的误差来源

首先应该是100欧姆电阻的匹配误差,还有就是运放的失调电压,显然失调电压要越小越好。
另外一个就是运放的偏置电流,必须很小。

为了提高测量精度,是不是有必要增加分流的通道数,从目前的电路来看,分成了3路,每路之间相差100倍,那么如果低档刚好满,则对于高档而言采集到的电压才1%,显然误差较大。

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hoosyman|  楼主 | 2008-8-22 12:29 | 只看该作者

也可以不用分很细的档

也可以不用分很细的档,仔细看了你前面说到要后面再加放大,如果这样的话,我只要选择一个片内带PGA的ADC即可,如果我测量得到的数字量太小,那么就调整PGA增益,再测量一次,这样是否就可以提高精度?
那也就说整个的测量最多需要4次,最少1次
恩,这个电路真是太美妙了,此帖比火啊,应该有很多看帖之人。

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hoosyman|  楼主 | 2008-8-22 12:49 | 只看该作者

为啥别人可以想到这样的思路,我则不行?

为啥别人可以想到这样的思路,我则不行?

平时看到坛子里的牛人经常有很多的奇思妙想,思路非常的跳跃,真是羡慕不已。

试着模拟一下jokeking的思路:
第一步:既然模拟开关对于检测电流会有很大影响,显然模拟开关必须不能直接处于输入电流的回路,只能在后级。
第二步:既然模拟开关只能在后级,那么前级就必须要有多路检测,没有多路检测多路模拟开关就无从谈起。
第三步:既然要多路检测显然就要分流,当然最好是平均分流,要平均分流就只有使用n个相同的电阻进行分流。
第四步:n等分后的电流各自进入自己的支路,那显然I/V电阻不能相同,如果相同了,那多路开关的切换就没有意义,那肯定需要进行量程设计,也就是根据n等分,设计各自的I/V采样电阻。这样就确定了1k,100k,10M。
第五步:由于采用电阻分流,那必然带来输入端的电位的变化,为了保证电位为零,而又不影响电流,运放的虚短,虚断就刚好可以满足这个要求。

经过上诉五步完成设计。

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bald| | 2008-8-22 13:11 | 只看该作者

高增益时模拟开关泄漏电流可能会增大线性误差

理想情况下,这个电路动态范围不低,如果用12位AD,其测量范围超过150db。但实际上模拟开关的泄漏电流已经限制了被测电流的下限不低于100pA。感觉100M电阻那挡基本没有意义。

电阻的精度和温度系数都可能会成为制约设计成功的因素。这么多高精度电阻采购都很麻烦。尤其是那100M电阻,不知道到哪去找这么高阻值的高精度电阻去。

建议采用T型电阻网络,这个网络电阻甚至不用购买,选一个合适的8位或12位DA,只用其内部集成的的电阻网络和模拟开关(如果用12位DA其动态范围不会比你这个电路低多少)。辅助电路自己思考一下吧。这样其成本和复杂程度都会比现在这个电路低。

当然,好的微电流测量电路线路板的布线和地线的连接也要十分讲究。


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computer00| | 2008-8-22 13:20 | 只看该作者

楼主总结得不错,不过楼主漏掉了很关键的一点,

就是前面三个这样的电路,当输入电流较大时,必然增益大的运放要饱和,这样那个运放就不再满足虚短的条件。
也就是说,当增益大的运放饱和时,就不再是1/3平均分流了。

所以jokeking给出的计算电流公式在不同量程(实际上是运放饱和时)下,需要乘上不同的倍数。
当最大增益运放未饱和时,是1/3分流,所以最终结果乘3。最大增益运放饱和后,如果忽略反馈电阻的电流,
那么就变成了1/2分流,最终结果要乘以3。如果不忽略反馈电阻的电流值,那么这时还要加上反馈电阻的电流
值,这个值是多大呢?输入端电压可以近似看做0V,而输出电压为运放饱和电压,用这个电压除以反馈电阻即是
(也就是jokeking所说的满量程电流,事实是上,设计时不会选取到运放接近饱和时做满量程的,因为这时线性
已经不好了)。

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hoosyman|  楼主 | 2008-8-22 15:43 | 只看该作者

圈圈分析的很有道理,我确实忽略了这个最大的问题

如果这样的话,为了减少测量误差,最好是实测每个档的满量程电流,对于10M档,就需要测量10M电阻两端的实际电压,换算成电流。

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bdkonly| | 2008-8-23 15:06 | 只看该作者

妙,实在是妙!

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赤铸| | 2008-8-23 16:12 | 只看该作者

1nA 微弱信号, 还是低频的

不是这么容易的
100M 电阻用在输入级, 该产生多大噪声?
要大范围调节, 起码应该用 T 型电阻网络, 避免大电阻
通过模拟开关调节前面两个电阻的分压比, 调节增益

那个 100pF 电阻位置也不合适, 因为带宽随增益变化太大

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pengjianxue| | 2008-8-25 13:24 | 只看该作者

意见

1,微电流测量怕漏电
 (1)模拟开关的漏电很大,最大可达0.1微安, 电源及控制端对反向输入端有漏
    电,
   此漏电不单从芯片内部,也会从芯片及PCB表面漏.
 (2)运放自身漏电,运放供电端对反向输入端漏电
 (3)运放输入输出端之间PCB表面绝缘不良,反馈高阻表面不干净,会导致等效反
    馈电阻变小.
 (4)工频漏电, 380VAC即使通过阻抗10万M欧电阻流过反向输入端,也可有3.8纳
    安电流.
  措施:
 (1)不要用模拟开关,用其它(也不要用继电器,太土,寿命短)
 (2)必须使漏电漏到地上
 (3)开槽
 (4)加地保护环
 (5)元器表面用裸铜扎紧接地
2,地线很重要
  同相端地电位会反映到输出端
3,屏蔽很重要
  多重屏蔽,一点接地. 任何感应噪声和幅射噪声都会产生严重后果,如射频整流
4,低功耗,低电压有好处
5,采用调制
  采用调制,可销除放大电路自身的失调(包括偏置电流影响),对运放要求降低
  不过,要考虑调制本身不能引入漏电流,还要考虑调制噪声的消除或抑制
6,反馈端多路开关会等效于多个大电阻并联,会产生分流,使最大电阻的等效值减
  小
 我目前水平是最小量程2PA,误差3%,最高量程20毫安.

彭建学  上海

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shalixi| | 2008-8-29 09:02 | 只看该作者

关注

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gjg191| | 2008-8-29 09:15 | 只看该作者

o

没见过这样用的,一般都是先转换成电压信号来处理,100pa 的漏电流也很大的.

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pengjianxue| | 2008-8-29 09:38 | 只看该作者

问题

jokejing的电路有问题,3个100欧电阻分流, 如1纳安, 每个电阻两端电压才33纳伏, 而运放的失调电压可能是微伏级, 即运放反相端对地电压可能是微伏级,所以分流不确定,误差很大.

彭建学  上海

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davidhu| | 2008-8-30 22:42 | 只看该作者

不可行

半导体开关的漏电流已经是nA级的,其导通电阻也会导致不同级别时勿差不一样,其实只有1000倍的动态范围,不算大,可以用一个仪表放大器处理,例如转换成5mV~5V,然后用一个高精度的A/D,就可以满足要求。

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dianzihan| | 2008-8-31 08:39 | 只看该作者

T型网络代替100M电阻会带来更大的噪声

T型网络代替100M电阻会带来更大的噪声,不理想.

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音乐乐乐| | 2008-8-31 16:32 | 只看该作者

彭建学 是做什么的?好像很牛啊,呵呵~

 

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li_mu| | 2008-8-31 23:50 | 只看该作者

PLC吧

原来看他做过PLC,没想到模拟也厉害
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pengjianxue 发表于 2005-4-19 14:31:18 模拟技术 ←返回版面  按此给该网友发送邮件 按此察看该网友的资料 按此把**加入收藏夹

这个问题几年前就讨论过。
1:自然界是模拟的,永远是。
2:离散是自然界的极少数特例,而且要从某个角度去看。
3:数字技术只是用来认识自然、逼近自然的方法而已。
4:最难的技术是模拟技术,日本、德国、台湾数字技术够先进了,但模拟技术
   还是只看美国!
                              上海  彭建学  2005-4-18
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zoupeng139| | 2008-9-1 17:09 | 只看该作者

1、用模拟开关不好,漏电流过大!可以用继电器!看国外的pA表之类的都是用继电器切换。切换速度跟不上?楼主的测量频率不是20hZ以内么?
2、1nA电流用不到100M电阻吧?

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nicetomeetsj| | 2008-9-2 12:29 | 只看该作者

10M和100M的档位建议采用T型电阻网络来实现

10M和100M的档位建议采用T型电阻网络来实现

电子开关保留着

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zoupeng139| | 2008-9-2 14:15 | 只看该作者

你好

能用大电阻的用大电阻,尽量少用T型网络
因为T型网络相当于二级放大,信噪比相对于大电阻来讲低!

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