鉴别微电流测量水平的镜子

只看该作者 · 2011-8-3 17:49

检验产品性能水平必须有个标准,
检验微电流测量仪器的水平,应当参考以下技术指标:

1, 最小等效电压源电动势
电流源与电压源间可等效变换。
  虽然大多高阻测量, 泄漏电流测量,半导体测试等,所加的测试电压较高, 运算放大器失调电压和信号输入回路的热电势等等可忽略,  但当等效电压源电动势较小时影响将极大.

例如光电二极管和某些场合，光敏二极管的等效模型是电流源与分流体电阻和二极管的并联.

  以滨松的S2386-8K为例，25度时，体电阻最小200M欧，反向饱和电流最大50pA，
  光照度10-6lx时光电流最小0.26pA，不考虑二极管影响时，等效电压源的电动势为
  52微伏。如采用类似LMC6062的前置运放，不考虑其他因素，仅0~50度时失调电压可达150微伏，可造成极大误差。
LMC6062的失调电压150微伏时，300K度可使二极管分流0.29pA，体电阻可分流0.075pA，而光电流仅为0.26pA，误差极大。

2，测量的动态范围
做为产品，尤其是仪器，必须有可测量的范围：如最小量程和最高量程。
在相同读数精度下，一个仪器量程范围1pA~100pA(100倍）, 另一个仪器1pA~20mA（20亿倍），哪个好？

3，测量精度
读数精度：若干次测量示值的平均值与参考值的差与参考值之比
读数重复精度：若干次测量示值间的最大跳动量与参考值之比
满量程精度：若干次测量示值的平均值与参考值的差与量程之比
满量程重复精度：若干次测量示值间的最大跳动量与量程之比
灵敏度（分辨率）：若干次测量示值间的最大跳动量的2倍
测量范围：灵敏度值~最大量程

显然，读数精度比满量程精度苛刻的多。

4，响应速度
当输入信号阶跃变化，示值达到稳定所需的时间。

5，输入电缆最大长度
绝大多数实际应用，输入信号电缆是伸出仪器的，其长度对测量可有很大影响。

6，环境温度范围
很多参数是温度的函数

7，环境最高湿度
   湿度对高阻及微电流测量影响极大

8，IP防护等级
   污染等级对高压系统、高阻测量和微电流测量影响极大

9，开机预热时间
   好仪器不存在预热，一些仪器需预热数十分钟甚至一两小时。

10，供电电源
   电网供电，还是电池供电，结果可差很大

11，EMC
   EMC不同等级对此类测量影响差别可极大

12，振动冲击
   对此类测量的影响不容忽视

13，量程转换
   自动还是手动，对响应速度指标影响很大。

彭建学  上海

只看该作者 · 2011-8-3 18:01

还有：
1，材料成本
2，制造环境要求
3，制造工艺成本（含周期）
4，产品的一致性
5，产品的维护成本
6，采购周期
7，检验及测试成本（含周期）

彭建学上海

彭建学上海

只看该作者 · 2011-8-3 18:11

借机会问下彭老师
下面这个图是加个环，起到屏蔽作用。
但运放输入引脚如何和其他地方连线呢？被包围了。。。。。
这个保护环只是在一层？保护环不穿透所有层吗？若是所有层都有，那我的管脚引线没法出来了啊

只看该作者 · 2011-8-3 18:19

如果每层都有可能漏电时，每层都得加，
此时，只能架“高架桥”了。

做到完全不漏电不可能，首先彻底绝缘的材料不存在，其次，运放表面和其内部也会漏电。

彭建学上海

只看该作者 · 2011-8-3 19:58

谢谢彭老师，
言外之意不用每层都加保护环，那我就留出一层不加，然后从运放脚引出线来，哈哈

只看该作者 · 2011-8-3 23:01

彭老师有关LMC6062测试误差那段，看来是多虑了。

首先，Vos，可以通过零点调节电路来大部分消除。彭老师好像没见过知名厂家的微电流计的产品吧？其外部或内部均有调零电路，有时还不止一个。比如这个是吉时利的创纪录的微电流仪642：

德国的微电流测试前端：

其次，看元件的参数不能只看最坏的，也要同时看典型的。现在做产品，还哪有像彭老师这样循规蹈矩全部按照最坏的可能来设计？那还不赔到家。LMC6062的Ib其实最大值为4pA，看这个那干脆不能用了。举个例子，现在用途非常广泛的电压基准，LM399，其长稳指标的典型值为20ppm每1000小时：

1000小时其实就是一个多月，而经典的惠普台式万用表34401A，用了这个LM399做内部基准，但看一下其准确度指标：

90天的整体准确度指标居然与所用的元件的41天的典型指标相同，说明仪器的指标是可以好于元件的典型值的。

最后，类似微电流这样的极限产品，所用的关键元件都要事先筛选的，而且产品出厂前都要进行反复调测的，不能焊好装好就完事，也不能仅仅测试一下，不合格的就废掉。

其实依我看，要做好一个微电流测试仪，最好的方法就是解剖一两个经典的商品微电流计，看人家到底是怎么做的。我到不是鼓励照抄，但要了解人家的原理、电路、布局和所用的元器件，适当借鉴，才能做好自己的产品。

只看该作者 · 2011-8-4 11:55

回6楼：
1，考虑最坏情况进行设计，绝不一定增加成本。
好的技术就是用低廉的原材料，实现性能优异的产品，这是我一贯的设计风格。
比如，我测量1PA, 用偏置电流1000pA的运放就可了，我也不会用超过100M的取样电阻，我也不用
电池供电，我也不会用金属机箱，测试电缆长度允许至少2米，

2，如果非自动校零，那么温漂指标将难以保证，这会对环境温度有严格要求，并且开机必须进行较长时间
的预热（热稳定时间）。
  我设计的产品必为自动校零，且一般最多只有一个调节电位器，那就是A/D转换电压基准调节。

3，筛选必会增加原材料成本（当选用原材料本身就贵时，更是如此），和人工成本。
  我设计产品时因考虑了离散性和最坏情况，因此不需筛选，并且原材料本身就便宜。

  一些原材料筛选代价很高，甚至只能在整机后筛选。

4，非线性时变的偏差无法消除。
比如100G欧取样电阻，如果要求不管在工业或实验室环境怎么变，等效取样电阻误差不超过0.1%，
那么与100G电阻并联的分流泄漏电阻要高达100000G，除非整台仪器置于真空中。

  相对于100M ，100G对生产工艺要求会高很多，材料成本和人工成本会高很多。

5，测量范围和精度是仪器的重要指标

用假如1pA~20mA, 取样电阻分10档，最大取样电阻100G，如果用干簧继电器切换取样电阻，假如对100G档分流误差0.1%，不考虑其他分流，仅考虑干簧管分流，要求每个干簧管断开电阻高达10×1000×100＝1000000G欧，工艺能保证吗？如何检验工艺？

6，只按典型值设计，是不负责任的设计，这会产生两个结果：一是依赖整机筛选，而是让用户碰运气。
说到低，要么责任心问题，要么水平问题，要么认识问题。
大多大学老师无法理解15年总工经历的我为什么要在不增成本的基础上，非按最坏情况设计产品不可。
引起动车事故的产品是否按典型值设计的，我得怀疑。

7，就个体而言，我不认为外国人设计的就是好的，我见多了去了。很多问题用耳朵也能想出来，为何要解剖外国的？

8，弄个运放、电池、几个电阻放在金属盒里开着，就算达到某某级别啦，那还要什么产品规范和标准干吗？

不谈测量范围、不谈精度、不谈环境条件、不谈...........，只谈达到多少级，还比来比去，是否欠谨慎.

我的贴子很少有绝对的词，常用“可，大概，约，较”等字眼。

彭建学  上海

只看该作者 · 2011-8-4 13:58

彭老师，我也想请教个问题。
我现在产品需要测量一个0～20mA的电流，就是将重力变化转变成一个可变的0~20mA的恒流源。需要精确到测量到1nA的变化。目前采用的方法是采用250ohm的取样电阻，通过24bit的adc测量0～5Vd的电压信号。我看到有产品通过一个锯齿波和电压比较产生一个脉宽可变的频率信号。想问一下，这两种情况那种更好。
主要是针对噪音，零飘，温漂方面的影响，那种更容易做到高精度。

还有你的主贴中有提到光敏二极管，其实在产品中也会因为光敏二极管受到的温度变化，就算是在同样的光强下电流也会有很大的变化，同时在不同环境的自然光噪音下也有区别，对于高精度来数仅仅几个pA的电流变化也使结果产生很大的误差。还有红外发光管也会受到温度变化而改变输出的光强变化。
我想请教一下有什么方法能改善这些性能。

只看该作者 · 2011-8-4 16:38

路过学习

只看该作者 · 2011-8-4 21:51

好贴

只看该作者 · 2011-8-4 22:04

回9楼：你这个24位AD就算能到24位的话也只能分辨到298nA，你的取样电阻是250欧姆，1nA才250nA，你这个设计肯定不能满足指标，取样电阻还得取的大一些。你说的调制的方法，是在电流出来之后调制还是在电流出来之前调制呢，我个人意见，能让传感器产生交流信号是最好的，调制主要是去除零飘，别的感觉没什么好处。欢迎拍砖！

只看该作者 · 2011-8-4 22:23

调制是对产生电流之后的信号调制，零飘问题在这类产品中是比较重要的，我想这也是别的厂家的目的。另外调制信号之后，是测量脉冲宽度，而这类产品对速度要求不高，就算以每秒取样一次，使用200nS时钟的cpld，也就能分辨到200百万的精度，这样比采用adc24bit才16百万的精度高很多。当然这里面也有一个速度问题，同时还有调制信号的脉冲本身的精度，就是上升沿和下降沿的响应时间问题。
我所做的产品是通常实验室用的高精度天平，采用电磁平衡技术。目前国际上做的常用最高精度是100g/0.01mg. 这类精度都采用测量调制信号的方法。我设计的目前采用adc方法只能到300g/0.1mg.

只看该作者 · 2011-8-5 00:35

洋洋洒洒很多条，其实在实际设计中并不一定同时需要满足。
比如成本，以前做自动化仪表的时候，因为竞争激烈，对成本要求很苛刻，花不少时间去降低成本，同时还要提高性能，虽然有一些技术，但现在想想，不过是雕虫小技。花时间去做哪些真是不值。这个社会是讲究分工的，既然有人做出高性能芯片，为何不用？自己去做往往出力不讨好，倒不如做一些自己更擅长的，人的时间和精力总是有限的。以前做变送器安全栅之类的，才几百顶多千把块一台，竞争激烈，自己软硬通吃，费事不讨好，做了两三年，进步有限，挣钱有限。后来不干了，读书去。后来做其他仪器，几万十几万几十万一台，那点儿器件的成本根本不算啥，用好芯片，省心。比如lymex，本来就是玩家，根本就不在意器件成本，又舍得花时间，可以筛选器件。

又比如响应时间，有的仪器对此要求不高；还有温度影响，非线性等，一定程度上可以调教和补偿。要求面面俱到，也没必要，具体情况具体分析。如果仪器的某几项甚至一项指标是别人达不到的，而这指标又是用户特别重要的，那就够了。将军能将兵就行，不必和士兵比十项全能。刘邦能将将就行，不必和韩信比领兵。人嘛，总是有限的，有一两件特长就行。

1万 · 2011-8-5 07:35

彭老师，我司用的pA计大多keithly的，不知道您老卖的能便宜百分之多少？
满量程5mA即可。最低精度0.1uW*0.8A/W=80nA即可。分辨率可以更低，稳定时间百毫秒级别。

1万 · 2011-8-5 07:35

keithley

只看该作者 · 2011-8-5 10:35

回9楼：
  1，对24位A/D方案：
   根：基准和250欧电阻稳定性
   关键点：对满度20mA，24A/D极限分辨力1.192nA；实际分辨取决于等效带宽（1秒即1Hz）内的噪声
         量； D/A等效位数需至少26位。
  2，对PWM方案：
   根：基准稳定性、斜波稳定性及斜波中杂波分量
   关键点：比较器和驱动器件的响应速度、边沿陡度、传输电缆分布参数。

如此高的分辨率，能否采用通信？

回15楼：
   主要技术指标：
   测量范围0.1pA~20mA, 最小量程1pA,
      精度：5%@1～100pA, 2%@100pA-10nA, 1%@10nA~1uA, 0.5%@1uA~100uA,
               0.2%@100uA~20mA
      速度：0.5秒～1毫秒@手动量程转换；3秒～30毫秒@自动量程转换
   工作环境温度：－10～55度
   工作环境湿度：20～85%RH
   开机预热：小于5度开机预热15分钟，高于5度无需预热。
   供电：220VAC+/-20%
   电缆长度：最大2米
RS232接口：

定型产品为 keithley的1/5价格。

彭建学  上海

只看该作者 · 2011-8-5 10:54

用什么原材料不是关键，关键是作为产品必须要有适应性，要符合规范和标准。

先不谈成本（包括制造、装配、检验成本），100M欧和100G欧那个适应性好？哪个更令人放心？

绝大多数技术秘密都是窗户纸，没捅破前很费劲，所以不要小看雕虫小计，细节决定成败，我很欣赏雕虫小计多的人，我很想做这样的人。

复杂高深的东西，分解开都是雕虫小计。

我们公司的产品高的80万一台，但我们还是努力减小成本，用我们同事的话说，可至少省出天天喝酒的钱。

减少成本和降低资源消耗，至少是做事努力的表现。

彭建学上海

只看该作者 · 2011-8-5 11:22

......
7 ...... 很多问题用耳朵也能想出来，为何要解剖外国的？
......
很多问题就错在自信和想当然.就是山寨产品,也有它的可取之处.

只看该作者 · 2011-8-5 11:27

回8楼

首先，我用了一些“可，大概”等，原因是尽量委婉一些而已。其实我对元器件的性能是了解的，每种器件都会实测，每个电路我都会去试验，而不是仅仅依赖指标值。不过，我会在本贴里有啥说啥，不含糊。

其次，彭老师对我的DIY有很多误解，所以我要做如下辩解和澄清。
我的DIY 1pA在这里：https://bbs.21ic.com/icview-245474-1-1.html

1、“不谈测量范围、不谈精度、不谈环境条件、不谈...........，”
这是完全的误解，或者您没有看。
测量范围，只要手动改换反馈电阻和电容，就可以覆盖从10fA到10mA，达到11个数量级；
“精度”，在我的帖子里47楼有测试，有说明，最后定在2.5fA。
环境条件，我在49楼有谈及，并在56楼和58楼有测试。

2、“只谈达到多少级，还比来比去，是否欠谨慎”
我可没有谈“级别”，更没有给谁去定级。画出一个直观图，按照噪音的大小把不同的测试器放在一起，是一种常规的做法，有对比才有鉴别。如果那个图画法有错误，或者哪个点放错了，请明示。

3、“弄个运放、电池、几个电阻放在金属盒里开着，就算达到某某级别啦，那还要什么产品规范和标准干吗？”
这又是误解了。我从一开始就说过这只是一个DIY，我只花了大半天时间制作，只提供一种方法和验证，并非产品，我给自己定什么级别呢？
有关规范和标准，这些我不会不知道，我机器里专门有个区域保存这些内容，我在38度上专门有一个帖子，发了几十个规范供大家下载。

4、“用假如1pA~20mA, 取样电阻分10档，最大取样电阻100G”
还是误解。尽管我的题目是DIY 1pA，实际上那是一种委婉的说法，我用100G实际上是DIY了0.03pA满度、“精度”0.003pA的超微电流测试仪。测试不同的电流自然要选用不同的电阻的，如果只测试1pA，那电阻选1G就足够了，甚至可以选100M。

5、“假如对100G档分流误差0.1%”
这个假设是没有道理的。您用100M只能达到10%，为什么我用100G反而要0.1%？

6、“测量范围和精度是仪器的重要指标”
同意。但是，有了1pA微电流测试器，是向0.01pA扩展困难，还是向1mA扩展困难？微电流测试仪，是具有0.01pA的最小档好，还是只具备1pA的好？
显然，向小的方向扩展是难点，因此我才注重更小电流。小的做出来，大的就容易，甚至无需用微电流的方法，测试1mA常规的万用表就可以解决。
至于“精度”问题，这是个老概念了，计量界早就不用了，而是转为不确定度。

7、“相对于100M ，100G对生产工艺要求会高很多，材料成本和人工成本会高很多”
同意。但是，高电阻是在超微电流测试里所必需的，要想超微电流，必需超高阻，这个代价必须要花的。这个道理如果不明白，那就是真的走入误区了。况且，技术在进步，100G电阻并不很高、成本并不很大、效果并不很差。

8、“只按典型值设计，是不负责任的设计”
这个不能这样说。我在6楼就给出了惠普典型设计的例子。应该说，按照典型值还是按照最大值设计，是两种不同的方法，各有利弊。至于谁采用什么办法，那是他自己的选择，最后只要其结果满足指标、不虚夸。但不能把自己的办法强加于人，更不能用自己的办法来导出某个特例的场合来得出“误差极大”的结论。

9、“就个体而言，我不认为外国人设计的就是好的，我见多了去了。”
这就矛盾了，您在“1PA微电流测量”的那贴里也多次提及吉时利公司，也让别人去参考吉时利的手册。
在“我做的微电阻和微电流测量仪”，您有如下看法：

既然2008年就认为吉时利是最好的，为什么不能了解一下人家的做法呢？

10、最后，看您以前的一贴：

我想问一下，您的满量程0.1pA、分辨10fA的的测试仪，做出来了吗？

让我做个断言吧。如果您以后一直**目前的方式，**不参考吉时利的方法，**用偏置电流1000pA的运放，**采用不超过100M的高阻，是不可能做出来的。

彭老师，我在此贴讲的直白一些，如有冒犯，请海涵。都是在讨论技术问题，前面我已经说了，本来我是想更委婉一些的。

只看该作者 · 2011-8-5 13:32

回楼上:
1, 测量范围不是叫用户拆来拆去的，
那不是仪器，是玩具
2，梅雨天10pA, 晴天1fA, 不是仪器，是玩具

3, 最小量程1pA（灵敏度0.1pA），不超过100M ,这是我的过往成绩。
最小量程0.1pA(灵敏度10fA），就用100M ,凭我的经验，没有任何问题，速度会降低3倍，
而且自动量程，最大量程20mA, 而且满足电子测量仪器通用技术条件。

我只看人家的说明书，从不拆人家的东西，我做的东西，照样不少国外著名企业买。

彭建学上海

鉴别微电流测量水平的镜子

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