充電式便攜pA微電流監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及充電式便攜pA微電流監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單節(jié)鋰電池作為電能的存儲和供應單元，采用低功耗設計、高精度運算放大器和反饋電路，以pA級微電流I/V轉(zhuǎn)換電路為核心，通過多種抗干擾保護電路，能夠通過充電開關選擇USB充電，通過供電選擇開關選擇系統(tǒng)供電，系統(tǒng)供電來源于USB配合鋰電池，完成pA微電流的監(jiān)測。本發(fā)明可作為便攜式測量儀器使用，可以在室內(nèi)或室外以及其他需要監(jiān)測的地方，在室內(nèi)外均可有鋰電池供電，也可以由USB供電。本發(fā)明監(jiān)測儀尺寸僅為手掌大小，重量輕、方便攜帶、監(jiān)測精度高、價格便宜和測試方便，按要求插上待監(jiān)測微電流可以測試出對應的轉(zhuǎn)換電壓值。
【專利說明】
充電式便攜PA微電流監(jiān)測系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及微電流監(jiān)測領域，特別是涉及充電式便攜微電流監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]世界是由很多物質(zhì)組成的，而物質(zhì)中的電子是基本粒子之一，電子運動會產(chǎn)生電流。微弱信號普遍存在于人類生活中，例如弱光、弱聲、弱磁、小電容、小位移和微壓力等。隨著科學技術的飛快發(fā)展，很多領域都離不開微弱電流的測量。在半導體生產(chǎn)中、絕緣材料、微弱探測等領域，微電流的發(fā)生和測試有著十分重要的地位，而大多微弱電流的測量范圍遠低于10_1()A。因此，測量微電流的技術在各領域具有廣泛應用前景，具有重要意義。
[0003]常規(guī)的pA監(jiān)測儀體積很大，電源不可充電，重量也很大，不便于可移動監(jiān)測，在一些特定位置無法進行測量。而且大部分從國外進口，價格昂貴，增加了使用成本。
[0004]為此，本發(fā)明完成了一種充電式便攜pA級微弱直流電流的高精度檢測。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的PA監(jiān)測儀體積大，重量大，功耗大，布線復雜度高，價格高而造成的使用不便，為此本發(fā)明完成了一種微電流監(jiān)測系統(tǒng)。本發(fā)明監(jiān)測儀尺寸僅為手掌大小，方便攜帶，按要求插上待監(jiān)測微電流可以測試出對應的轉(zhuǎn)換電壓值。
[0006]本發(fā)明可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0007]充電式便攜pA微電流監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于相應檢測設備實現(xiàn)的，該檢測設備包括設備外殼體、電路板；電路板上安裝有電源開關、USB充電接口、鋰電池、I/V轉(zhuǎn)換電路、電壓發(fā)生器、供電選擇開關;電路板固定在設備外殼體內(nèi)。設備外殼體為一規(guī)則金屬小長方體且內(nèi)部上方的電路板前版面的中間固定I/V轉(zhuǎn)換電路;設備外殼體內(nèi)部上方的電路板左側設有電源開關、USB充電接口開關、供電選擇開關;外殼體內(nèi)部上方的電路板右側固定電壓發(fā)生器和微電流監(jiān)測外接線端子;外殼體內(nèi)部下方的電路板設有鋰電池接口、鋰電池固定裝置。
[0008]充電式便攜pA微電流監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測終端包括四大部分:I/V轉(zhuǎn)換電路、電源管理電路、保護電路和接口電路；
[0009]電源管理電路與I/V轉(zhuǎn)換電路相連接，I/V轉(zhuǎn)換電路與保護電路相連接，同時，I/V轉(zhuǎn)換電路的輸入輸出端與接口電路相連接。
[0010]其中，I/V轉(zhuǎn)換電路由I/V轉(zhuǎn)換運算放大器和電流輸入端電路組成；電源管理電路由充電管理電路、供電管理電路和電池電壓監(jiān)測電路組成;保護電路由短路環(huán)保護電路、大面積地電路、BNC插頭屏蔽線和金屬屏蔽盒組成。
[0011]該系統(tǒng)采用單節(jié)鋰電池作為電能的存儲和供應單元，以I/V轉(zhuǎn)換電路為核心，能夠通過充電開關選擇充電方式為USB充電，通過供電選擇開關選擇系統(tǒng)供電，系統(tǒng)供電來源于USB配合鋰電池。本系統(tǒng)將單節(jié)鋰電池輸出或者外部充電部分的輸出與電源供應電路相連，目的是為I/V轉(zhuǎn)換電路、電壓發(fā)生器、運算放大器以及其他各個電路部分提供可用的高品質(zhì)供電，滿足了供電要求。
[0012]實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的各單元模塊分別為:I/V轉(zhuǎn)換電路單元、充電單元、供電單元、輸入單元、保護單元和接口單元;其中，充電單元與供電單元相連，供電單元與各個電路部分相連，電壓發(fā)生器與Ι/v轉(zhuǎn)換電路相連，方便調(diào)試。接線端子都采用高性能絕緣線與內(nèi)部電路相連，采用高性能插頭屏蔽線與外部測量電路相連。
[0013]下面對各部分模塊單元進行具體說明。
[0014]I/V轉(zhuǎn)換電路單元包括運算放大器、反饋回路、輸入端電路單元。其中反饋回路與運算放大器的反相輸入端和輸出端相連接，輸入端電路單元與運算放大器的反相輸入端相連接。
[0015]充電單元包括USB充電控制電路和電壓指示電路。USB充電控制電路與電壓指示電路和電池相連接。
[0016]供電單元包括穩(wěn)壓電路、+/-2.5V分壓電路和電池電量指示電路。電池與穩(wěn)壓電路相連接，穩(wěn)壓電路與+/-2.5V分壓電路和電池電量指示電路相連接。
[0017]輸入單元包括pA微電流輸入端、運算放大器輸入端、反饋電阻和電容連接的輸入端。其中PA微電流輸入端與運算放大器輸入端相連接，反饋電阻和電容相并聯(lián)后，與運算放大器的反相輸入端和輸出端相連接。
[0018]保護單元包括短路環(huán)保護電路和金屬屏蔽罩保護器。短路環(huán)保護電路是一個獨立的環(huán)路，隔離外接干擾信號進入PCB電路板，從而保護整個電路;金屬屏蔽罩，將電路部分罩起來，改善電路抗干擾能力。
[0019]接口單元包括輸入輸出接線端子，穿過屏蔽殼的接線柱、內(nèi)部采用高絕緣性能的絕緣導線引出和高絕緣性能抗干擾的測試線。
[0020]與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明可以獲得以下有益效果。
[0021 ]本發(fā)明與目前各類微電流監(jiān)測系統(tǒng)相比，可設置USB接口對內(nèi)置鋰電池進行充電，體積小，價格低、方便測量、便攜帶和精度高。本發(fā)明的電路部分均采用低功耗低偏置電流、高絕緣抗干擾設計，整個系統(tǒng)在很低的功耗下運行，既節(jié)省電池電量的使用，使得設備在單純電池供電的情況下可以長時間工作。又可以減小熱噪聲干擾。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)微電流PA精確監(jiān)測。本發(fā)明可以作為便攜式設備，放置在室內(nèi)或者室外以及其他需要監(jiān)測的地方，在室內(nèi)可以連接USB充電配合鋰電池使用，鋰電池供電使用。本發(fā)明可作為微電流PA監(jiān)測終端、可配合普通萬用表使用，具有體積小，重量輕，方便攜帶，低功耗的特點。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的結構原理圖；
[0023]圖2.1為本發(fā)明的電路板的系統(tǒng)保護電路原理圖；
[0024]圖2.2為本發(fā)明的電路板的I/V轉(zhuǎn)換電路原理圖；
[0025]圖2.3為本發(fā)明的電壓發(fā)生電路原理圖；
[0026]圖3.1為USB充電電路的原理結構圖；
[0027 ]圖3.2為本發(fā)明的其余電路板的電源電路原理圖；
[0028]圖4為本發(fā)明的電路板結構框圖。
[0029]圖中:1、保護電路，2、I/V轉(zhuǎn)換電路，3、電壓發(fā)生器，4、USB充電電路，5、電源供電電路，6、+/-2.5V分壓電路，7、電池電量指示電路。
【具體實施方式】
[0030]以下將結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0031]圖1為本發(fā)明的結構原理圖，本發(fā)明所用I/V轉(zhuǎn)換電路的運算放大器是低偏置電流，低失調(diào)電壓的精密運放。本發(fā)明按照放大電路的計算方法，設計相應電路原理圖，創(chuàng)新的懸空焊接輸入端，繪制印刷電路板。考慮到輸入端的抗干擾問題，在印刷電路板上沒有留出輸入端焊盤，而是將所有與輸入端相連的引腳懸空焊接，成為一個獨立的與周圍絕緣的孤立的輸入模塊。
[0032]圖2.1-2.3為本發(fā)明的電路板的電路原理圖。電路板的電路包括系統(tǒng)保護電路1、I/V轉(zhuǎn)換電路2、電壓發(fā)生電路3。整個結構的框圖如圖4所示。
[0033]系統(tǒng)保護電路I包括短路環(huán)保護電路、大面積地電路和金屬屏蔽罩保護器。短路環(huán)保護電路是一個獨立的環(huán)路，隔離外接干擾信號進入PCB電路板，從而保護整個電路;金屬屏蔽罩將整個電路罩起來，改善電路抗干擾能力。
[0034]I/V轉(zhuǎn)換電路2通過高精度運算放大器、偏置電流fA級、極低的超調(diào)電壓、確保I/V轉(zhuǎn)換的精度。PA級微電流輸入端通過Pl、P2接口和超大電阻10G、反饋電容C4和運放的放大作用，使得IpA對應輸出0.1V電壓，通過P3、P4接口的接線端子輸出。其中C4作為反饋電容，要求超低漏電，容量盡量小，用來抵消運算放大器的極間分布電容帶來的噪聲影響，同時也加深了負反饋，防止電路增益峰化，進入飽和狀態(tài)。選用超大電阻減小了微弱電流小電阻帶來的噪聲干擾問題。P1、P2、P3和P4接線端子采用內(nèi)部高絕緣的導線，穿過屏蔽的金屬殼，且殼體接地，以保證高抗干擾性能。與接線端子相連的測試導線也采用高絕緣性能的導線，以防止外在環(huán)境的干擾。
[0035]電壓發(fā)生器電路3與I/V轉(zhuǎn)換電路的輸入端通過接插件相連接，從而為整個電路提供調(diào)試信號。與電源電壓-2.5￥相連接的電流電壓發(fā)生器，分別產(chǎn)生0.1￥，0.5￥，1￥和1.235￥電壓，經(jīng)過100G電阻后，分別變?yōu)?ρΑ、5ρΑ、10ρΑ、和12.35pA供實驗測試用。
[0036]圖3.1-3.2為本發(fā)明的電源電路原理圖包括USB充電電路4、供電電路5、+/_2.5V分壓電路6和電池電量指示電路7。其中USB充電電路4 一端與USB接口相連，一端和充電選擇開關相連，選用低功耗芯片，參考芯片數(shù)據(jù)手冊，調(diào)節(jié)可編程端口的電阻，匹配合適的電容，使其可以為單節(jié)鋰電池充電。供電電路5由供電電路、穩(wěn)壓電路和分壓電路組成。穩(wěn)壓電路選擇了低功耗高精度穩(wěn)壓芯片。+/-2.5V分壓電路6中R3、R4電阻相等，將5V電壓平分，最后運放跟隨器確定了接地的位置在R3和R4的連接點，從而為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+/-2.5V電源。電池電量指示電路7的運放同相輸入端與阻值不等的Rl和R2連接點相連接，反相輸入端與等量阻值的R3和R4的連接點相連接，由Ql控制兩個紅綠發(fā)光二極管指示電池電量。供電電路5能夠通過開關選擇兩種供電模式，模式一:USB充電配合鋰電池工作，模式二:鋰電池單獨工作。
[0037]當電路處于模式一時，撥動充電選擇開關SI選擇USB輸入端并且撥動供電選擇開關S2選擇USB充電與鋰電池端，如果USB充電可以提供正常工作電壓，即供電部分經(jīng)鋰電池連接，由USB充電電路為系統(tǒng)供電，從而減少電池電量的損耗。當USB充電電路不能提供正常工作電壓，選用模式二，撥動開關S2即供電部分與鋰電池連接，由鋰電池為系統(tǒng)供電；
[0038]電池電量LED顯示電路6中采用一個η溝道增強模式場效應晶體管，相當于一個開關，當電量足夠時，開關管自動導通，下面的燈LED2亮，當電量不足時，開關管不工作，上面的LEDI燈殼；
[0039]其他接口電路7包括USB接口、電源接口和測試接口，方便以后的測試和系統(tǒng)維護。USB接口和電源接口通過保護環(huán)保護隔離，且采用電容濾波，確保穩(wěn)定的電壓。測量接口采用BNC插頭屏蔽線，其中輸入、輸出端Pl、Ρ2、Ρ3和Ρ4接在金屬盒輸出的BNC插頭上，另一端將屏蔽線外層剝開，中間的芯已留出接頭，能夠接在測試表的正極，屏蔽層已留出接頭可接在測速表的負極，即接地。
[0040]經(jīng)過測量后的結果證明是用屏蔽線的方法是可行的，數(shù)值十分平穩(wěn)精確。
【主權項】
1.充電式便攜PA微電流監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于相應檢測設備實現(xiàn)的，該檢測設備包括設備外殼體、電路板；電路板上安裝有電源開關、USB充電接口、鋰電池、I/V轉(zhuǎn)換電路、電壓發(fā)生器、供電選擇開關;電路板固定在設備外殼體內(nèi)；設備外殼體為一規(guī)則金屬小長方體且內(nèi)部上方的電路板前版面的中間固定Ι/ν轉(zhuǎn)換電路;設備外殼體內(nèi)部上方的電路板左側設有電源開關、USB充電接口開關、供電選擇開關;外殼體內(nèi)部上方的電路板右側固定電壓發(fā)生器和微電流監(jiān)測外接線端子;外殼體內(nèi)部下方的電路板設有鋰電池接口、鋰電池固定裝置； 其特征在于:該監(jiān)測終端包括四大部分I/V轉(zhuǎn)換電路、電源管理電路、保護電路和接口電路； 電源管理電路與I/V轉(zhuǎn)換電路相連接，I/V轉(zhuǎn)換電路與保護電路相連接，同時，I/V轉(zhuǎn)換電路的輸入輸出端與接口電路相連接； 其中，Ι/ν轉(zhuǎn)換電路由I/V轉(zhuǎn)換運算放大器和電流輸入端電路組成；電源管理電路由充電管理電路、供電管理電路和電池電壓監(jiān)測電路組成;保護電路由短路環(huán)保護電路、大面積地電路、BNC插頭屏蔽線和金屬屏蔽盒組成； 該系統(tǒng)采用單節(jié)鋰電池作為電能的存儲和供應單元，以I/V轉(zhuǎn)換電路為核心，能夠通過充電開關選擇充電方式為USB充電，通過供電選擇開關選擇系統(tǒng)供電，系統(tǒng)供電來源于USB配合鋰電池;本系統(tǒng)將單節(jié)鋰電池輸出或者外部充電部分的輸出與電源供應電路相連，目的是為I/V轉(zhuǎn)換電路、電壓發(fā)生器、運算放大器以及其他各個電路部分提供可用的高品質(zhì)供電，滿足了供電要求； 實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的各單元模塊分別為:I/V轉(zhuǎn)換電路單元、充電單元、供電單元、輸入單元、保護單元和接口單元;其中，充電單元與供電單元相連，供電單元與各個電路部分相連，電壓發(fā)生器與Ι/v轉(zhuǎn)換電路相連，方便調(diào)試;接線端子都采用高性能絕緣線與內(nèi)部電路相連，采用高性能插頭屏蔽線與外部測量電路相連。2.根據(jù)權利要求1所述的充電式便攜PA微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:I/V轉(zhuǎn)換電路單元包括運算放大器、反饋回路、輸入端電路單元;其中反饋回路與運算放大器的反相輸入端和輸出端相連接，輸入端電路單元與運算放大器的反相輸入端相連接。3.根據(jù)權利要求1所述的充電式便攜PA微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:充電單元包括USB充電控制電路和電壓指示電路;USB充電控制電路與電壓指示電路和電池相連接。4.根據(jù)權利要求1所述的充電式便攜PA微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:供電單元包括穩(wěn)壓電路、+/-2.5V分壓電路和電池電量指示電路；電池與穩(wěn)壓電路相連接，穩(wěn)壓電路與+/_2.5V分壓電路和電池電量指示電路相連接。5.根據(jù)權利要求1所述的充電式便攜PA微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:輸入單元包括pA微電流輸入端、運算放大器輸入端、反饋電阻和電容連接的輸入端;其中PA微電流輸入端與運算放大器輸入端相連接，反饋電阻和電容相并聯(lián)后，與運算放大器的反相輸入端和輸出端相連接。6.根據(jù)權利要求1所述的充電式便攜PA微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:保護單元包括短路環(huán)保護電路和金屬屏蔽罩保護器;短路環(huán)保護電路是一個獨立的環(huán)路，隔離外接干擾信號進入PCB電路板，從而保護整個電路;金屬屏蔽罩，將電路部分罩起來，改善電路抗干擾能力。7.根據(jù)權利要求1所述的充電式便攜PA微電流監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:接口單元包括輸入輸出接線端子，穿過屏蔽殼的接線柱、內(nèi)部采用高絕緣性能的絕緣導線引出和高絕緣性能抗干擾的測試線。8.根據(jù)權利要求1所述的充電式便攜PA微電流監(jiān)測系統(tǒng)，I/V轉(zhuǎn)換電路的運算放大器是低偏置電流，低失調(diào)電壓的精密運放;本系統(tǒng)按照放大電路的計算方法，設計相應電路，創(chuàng)新的懸空焊接輸入端，繪制印刷電路板;考慮到輸入端的抗干擾問題，在印刷電路板上沒有留出輸入端焊盤，而是將所有與輸入端相連的引腳懸空焊接，成為一個獨立的與周圍絕緣的孤立的輸入模塊； 其特征在于:電路板的電路包括系統(tǒng)保護電路(I)、I/V轉(zhuǎn)換電路(2)、電壓發(fā)生電路(3)； 系統(tǒng)保護電路(I)包括短路環(huán)保護電路、大面積地電路和金屬屏蔽罩保護器;短路環(huán)保護電路是一個獨立的環(huán)路，隔離外接干擾信號進入PCB電路板，從而保護整個電路;金屬屏蔽罩將整個電路罩起來，改善電路抗干擾能力； I/V轉(zhuǎn)換電路(2)通過高精度運算放大器、偏置電流f A級、極低的超調(diào)電壓、確保I/V轉(zhuǎn)換的精度;PA級微電流輸入端通過P1、P2接口和超大電阻10G、反饋電容C4和運放的放大作用，使得IpA對應輸出0.1V電壓，通過P3、P4接口的接線端子輸出；其中C4作為反饋電容，要求超低漏電，容量盡量小，用來抵消運算放大器的極間分布電容帶來的噪聲影響，同時也加深了負反饋，防止電路增益峰化，進入飽和狀態(tài);選用超大電阻減小了微弱電流小電阻帶來的噪聲干擾問題;P1、P2、P3和P4接線端子采用內(nèi)部高絕緣的導線，穿過屏蔽的金屬殼，且殼體接地，以保證高抗干擾性能;與接線端子相連的測試導線也采用高絕緣性能的導線，以防止外在環(huán)境的干擾； 電壓發(fā)生器電路(3)與I/V轉(zhuǎn)換電路的輸入端通過接插件相連接，從而為整個電路提供調(diào)試信號；與電源電壓-2.5V相連接的電流電壓發(fā)生器，分別產(chǎn)生0.1V,0.5V，IV和1.235V電壓，經(jīng)過1006電阻后，分別變?yōu)??4、5?4、10?4、和12.35?4供實驗測試用； 電源電路包括USB充電電路(4)、供電電路(5)、+/-2.5V分壓電路(6)和電池電量指示電路(7);其中USB充電電路(4)一端與USB接口相連，一端和充電選擇開關相連，選用低功耗芯片，參考芯片數(shù)據(jù)手冊，調(diào)節(jié)可編程端口的電阻，匹配合適的電容，使其可以為單節(jié)鋰電池充電；供電電路(5)由供電電路、穩(wěn)壓電路和分壓電路組成;穩(wěn)壓電路選擇了低功耗高精度穩(wěn)壓芯片;+/-2.5V分壓電路(6)中R3、R4電阻相等，將5V電壓平分，最后運放跟隨器確定了接地的位置在R3和R4的連接點，從而為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+/-2.5V電源；電池電量指示電路(7)的運放同相輸入端與阻值不等的Rl和R2連接點相連接，反相輸入端與等量阻值的R3和R4的連接點相連接，由Ql控制兩個紅綠發(fā)光二極管指示電池電量;供電電路(5)能夠通過開關選擇兩種供電模式，模式一:USB充電配合鋰電池工作，模式二:鋰電池單獨工作； 當電路處于模式一時，撥動充電選擇開關SI選擇USB輸入端并且撥動供電選擇開關S2選擇USB充電與鋰電池端，如果USB充電可以提供正常工作電壓，即供電部分經(jīng)鋰電池連接，由USB充電電路為系統(tǒng)供電，從而減少電池電量的損耗；當USB充電電路不能提供正常工作電壓，選用模式二，撥動開關S2即供電部分與鋰電池連接，由鋰電池為系統(tǒng)供電； 電池電量LED顯示電路(6)中采用一個η溝道增強模式場效應晶體管，相當于一個開關，當電量足夠時，開關管自動導通，下面的燈LED2亮，當電量不足時，開關管不工作，上面的LE!D1燈殼； 其他接口電路(7)包括USB接口、電源接口和測試接口，方便以后的測試和系統(tǒng)維護；USB接口和電源接口通過保護環(huán)保護隔離，且采用電容濾波，確保穩(wěn)定的電壓;測量接口采用BNC插頭屏蔽線，其中輸入、輸出端Pl、P2、P3和P4接在金屬盒輸出的BNC插頭上，另一端將屏蔽線外層剝開，中間的芯已留出接頭，能夠接在測試表的正極，屏蔽層已留出接頭可接在測速表的負極，即接地； 經(jīng)過測量后的結果證明是用屏蔽線的方法是可行的，數(shù)值十分平穩(wěn)精確。
【文檔編號】H02J7/00GK105914836SQ201610350167
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】耿淑琴, 劉晨, 何蘊良, 彭曉宏, 侯立剛, 汪金輝, 袁穎, 高祥凱
【申請人】北京工業(yè)大學