摘 要：针对微弱电流检测，设计了一种基于I-V 变换法的电流检测电路，系统采用STM32F767主控芯片和ADS1271数模转换芯片，并利用keithley2400为标准的恒流源进行了测试，结果表明在电流大于1nA相对误差小于1%。
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1 前言
隧道烘箱验证方案微弱电流的测量是电子学技术中一项重要的技术分支，在光电探测、分析化学、高精度传感器和核电子学等学科都有广泛的应用。微弱电流一般只幅度微安以下的电流，此类信号不仅本身信号微弱，而且在传输和测量过程中容易受到受到噪声及外部干扰，对其测量难度较大。微弱电流测量原理主要有两种，一种是将微弱电流信号通过电路转换成频率信号，测量频率来转换成电流，即I-F变换法[1]。另一种是将微弱电流信号通过电路转换成电压信号，测量电压转换成电流，即I-V变换法[2]。本文设计了一种双通道微弱电流测量电路，实现两路信号同步采集。
2系统结构
微弱电流测量系统由I-V变换电路、量程转换开关、模数转换电路、温度传感器、单片机微控制器及通信模块等部分组成，系统示意图见图 1 。待测两路电流信号分别通过I-V变换电路转换为电压信号，单片机微控制器通过AD模数转换电路对电压信号进行采样并进行处理，同时系统根据采样电压的大小自动控制继电器，实现量程的切换。系统配有温度传感器用于采集环境温度，对测量结果进行温度补偿。通信模块配有RS232通信接口用于传送测量结果或对系统进行控制。
图 1 微弱电流测量系统示意图
3硬件设计
3.1 I-V 变换电路
I-V变换电路是微弱电流信号I转换为电压信号，一般经过换后的电压信号也会被放大有利于后面的采样。由于在转换过程中需要使用一个高阻值电阻作为反馈电阻，因此这种方法又称为“高阻法”[3]。 本文使用ADA4530-1低偏置电流的放大电路，最大偏置电流±20 fA,低失调电压最大值50μV，放大器默认配置为跨阻模式，采用100Ω-10 GΩ的电阻和高绝缘的继电器组成反馈网络，电路图见图2。
图2 I-V变换电路
3.2模拟数字转换器
模拟数字转换器采用两片ADS1271[4]紫菀散，ADS1271是高带宽的24位工业用模/数转换器(ADC),实现了DC精度与AC性能的突破性结合，拥有50 kHz的带宽,105 kSPS的转换速率,1.8μV/℃的失调漂移以及高达109 dB的信噪比(SNR)。ADS1271使用SPI接口与MCU通讯。使用MAX6126做为参考电源。
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图3 ADC电路图单细胞生物>假两性人
3.3微控制器
系统采用STM32F767微控制器，该控制器基于高性能ARM Cortex-M7 32位RISC核心，工作频率高达216MHz。Cortex M7内核具有一个浮点单元（FPU），支持ARM双精度和单精度数据处理指令和数据类型。具有2 MB Flash、216 MHz CPU、ART加速器、一级缓存、SDRAM等，还实现了一套完整的DSP指令和一个内存保护单元（MPU），提高了应用程序的安全性。
3.4模拟电源
为了提高ADC的采集精度，除了要考虑AD和放大电路性能，为其提供电源的电路也至关重要。模拟部分电源使用±15V和±5V双电源，要求电源稳定且纹波小，因此采用TPS7A4701和TPS7A3301。这两款芯片是低噪声的大电流超低噪声低压降 (LDO) 稳压器，具有1A的电流输出能力，在 10 Hz至100 kHz 带宽下支持低于4.17 uVrms 的输出噪声，无需昂贵的大量滤波便可实现各种高性能应用。
图4 电源电路
3.5 PCB设计
PCB设计采用两片ADS1271，两者共用一个27M高稳定性晶振,考虑到两路信号之间的信号干扰问题，采用了隔离电源和隔离通信芯片进行电气隔离。隔离电源采用金升阳的A0524S，隔离电压为1000V，隔离通信芯片采用SI8441，隔离电压为2500V。
图5 PCB电路
4性能测试
微弱电流测试采用keithley2400为标准的恒流源，通过设定 keithley2400的输出电流值，记录keithley2400的读数和微弱电流测值，并计算误差，最终的测试结果如表1。
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