一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，包括：依次连接的电流积分器、阈值甄别电路、复位逻辑电路、单稳态触发电路和信号采集与处理系统，以及与所述电流积分器和复位逻辑电路连接的所述积分复位电路。本发明专利技术通过电流积分器、积分复位电路、复位逻辑电路和单稳态触发电路将待测微弱电流转换为数字脉冲频率信号，通过信号采集与处理系统测量得到待测微弱电流的值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路及方法
本专利技术涉及微弱电流测量领域，具体涉及一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路及方法。
技术介绍
一般将nA(10-9A)量级以下的电流称为微弱电流。在核技术应用、电离辐射探测、电化学、新型材料等领域的生产、科研、教学工作中经常需要开展微弱电流信号的测量。微弱电流测量的难点在于待测信号幅度小且极易受到各类干扰源(电子学噪声、机械振动的摩擦电效应、外界电磁场、电化学效应等)影响，各类干扰源不仅会产生测量误差还有可能致使测量无法进行。此外，以上应用领域的测量任务中待测微弱电流信号范围经常跨越多个数量级，如电离辐射探测中通常需要测量电离室产生的微弱电流信号范围为10-15A～10-8A。有时因为应用环境(温度、湿度)与应用场景需求(小空间)的差异对电路环境适应能力和体积有一定要求，这就导致经常使用的基于大体积高值电阻的I-V变换法无法使用。因此，需要一种小体积、宽量程、高精度的微弱电流测量电路及方法。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路及方法，将待测微弱电流转换为数字脉冲频率信号后进行测量，具有更好的测量精度与更小的测量不确定度。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，包括：依次连接的电流积分器、阈值甄别电路、复位逻辑电路、单稳态触发电路和信号采集与处理系统，以及与所述电流积分器和复位逻辑电路连接的所述积分复位电路；所述电流积分器，用于收集微弱电流信号并输出电压信号至所述阈值甄别电路，其中，所述电压信号的幅度正比于所述微弱电流信号的总电荷量；所述阈值甄别电路，用于对所述电压信号进行阈值甄别，输出相应的逻辑信号至所述复位逻辑电路；所述复位逻辑电路，用于根据所述逻辑信号，向所述积分复位电路输出复位触发信号的同时向所述单稳态触发电路输出触发信号，或者关闭所述积分复位电路；所述积分复位电路，用于在接收到所述复位触发信号后开始工作并输出复位电流；所述单稳态触发电路，用于对所述触发信号进行整形后输出固定宽度的数字电平逻辑脉冲信号至所述信号采集与处理系统，其中，所述数字电平逻辑脉冲信号频率正比于所述微弱电流信号；所述信号采集与处理系统，用于对所述数字电平逻辑脉冲信号进行采集和处理，得到所述微弱电流信号的值。进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述电流积分器包括：积分电容、第一限流电阻和低偏置电流的运算放大器，所述积分电容的一端和所述第一限流电阻的一端均连接微弱电流信号，所述第一限流电阻的另一端连接所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的同相输入端接地，所述积分电容的另一端和所述运算放大器的输出端连接所述阈值甄别电路。进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述阈值甄别电路包括：并行的两路迟滞比较器，第一路迟滞比较器包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一高速比较器，所述第一电阻的一端连接所述电流积分器，所述第一电阻的另一端连接所述第二电阻的一端、所述第一高速比较器的第一输入端和所述第三电阻的一端，所述第二电阻的另一端和所述第一高速比较器的第二输入端接地，所述第三电阻的另一端和所述第一高速比较器的输出端连接所述复位逻辑电路的1CLK端；第二路迟滞比较器包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻和第二高速比较器，所述第四电阻的一端连接所述电流积分器，所述第四电阻的另一端连接所述第五电阻的一端、所述第二高速比较器的第一输入端和所述第六电阻的一端，所述第五电阻的另一端和所述第二高速比较器的第二输入端接地，所述第六电阻的另一端和所述第二高速比较器的输出端连接所述复位逻辑电路的-1CLK端。进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述第一高速比较器的触发阈值为上电压阈值，当所述电压信号超过所述上电压阈值时所述第一高速比较器输出为高电平，当所述电压信号低于所述上电压阈值时所述第一高速比较器输出为低电平；所述第二高速比较器的触发阈值为下电压阈值，当所述电压信号超过所述下电压阈值时所述第二高速比较器输出为高电平，当所述电压信号低于所述下电压阈值时所述第二高速比较器输出为低电平。进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述复位逻辑电路具体用于：当所述第一高速比较器和所述第二高速比较器输出均为高电平时，复位端口输出高电平，使得所述积分复位电路工作并输出复位电流；当所述第一高速比较器和所述第二高速比较器输出均为低电平时，复位端口输出低电平，关闭所述积分复位电路。进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述积分复位电路包括：第一二极管、第二二极管、第二限流电阻和复位电源开关，所述第一二极管的正极和所述第二二极管的负极连接所述电流积分器的输入端，所述第一二极管的负极和所述第二二极管的正极连接所述第二限流电阻的一端，所述第二限流电阻的另一端连接所述复位电源开关的输出端，所述复位电源开关的输入端连接所述复位逻辑电路。进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述单稳态触发电路包括：第一或非门、第一电容、第八电阻、第二或非门、第三或非门和第四或非门，所述第一或非门的第一输入端为所述单稳态触发电路的输入端，所述第一或非门的输出端连接所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端连接所述第八电阻的一端和所述第二或非门的第一输入端，所述第八电阻的另一端连接电源，所述第一或非门的第二输入端连接所述第二或非门的输出端，所述第二或非门的第二输入端接地，所述第二或非门的输出端连接所述第三或非门的第一输入端，所述第三或非门的第二输入端连接所述第四或非门的第二输入端并接地，所述第三或非门的输出端连接所述第四或非门的第一输入端，所述第四或非门的输出端为所述单稳态触发电路的输出端。进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述单稳态触发电路包括：第一与非门、第二与非门、第三与非门、第四与非门、第二电容和第九电阻，所述第一与非门的第一输入端为所述单稳态触发电路的输入端，所述第一与非门的第一输入端连接第二输入端和所述第二与非门的第一输入端，所述第一与非门的输出端连接所述第九电阻的一端，所述第九电阻的另一端连接所述第二电容的一端和所述第二与非门的第二输入端，所述第二与非门的输出端连接所述第三与非门的第一输入端和第二输入端，所述第三与非门的输出端连接所述第四与非门的第一输入端和第二输入端，所述第四与非门的输出端为所述单稳态触发电路的输出端。进一步，如上所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，所述信号采集与处理系统包括：依次连接的脉冲计数器、微控制器和显示器，用于对所述数字电平逻辑脉冲信号进行采集和处理，得到两个脉冲间的时间间隔T或单位时间脉冲计数n；若积分的时间为t1，复位的时间为t2，则T＝t1+t2＝1/n；通过下式计算得到t1和t2：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，其特征在于，包括：依次连接的电流积分器、阈值甄别电路、复位逻辑电路、单稳态触发电路和信号采集与处理系统，以及与所述电流积分器和复位逻辑电路连接的所述积分复位电路；/n所述电流积分器，用于收集微弱电流信号并输出电压信号至所述阈值甄别电路，其中，所述电压信号的幅度正比于所述微弱电流信号的总电荷量；/n所述阈值甄别电路，用于对所述电压信号进行阈值甄别，输出相应的逻辑信号至所述复位逻辑电路；/n所述复位逻辑电路，用于根据所述逻辑信号，向所述积分复位电路输出复位触发信号的同时向所述单稳态触发电路输出触发信号，或者关闭所述积分复位电路；/n所述积分复位电路，用于在接收到所述复位触发信号后开始工作并输出复位电流；/n所述单稳态触发电路，用于对所述触发信号进行整形后输出固定宽度的数字电平逻辑脉冲信号至所述信号采集与处理系统，其中，所述数字电平逻辑脉冲信号频率正比于所述微弱电流信号；/n所述信号采集与处理系统，用于对所述数字电平逻辑脉冲信号进行采集和处理，得到所述微弱电流信号的值。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，其特征在于，包括：依次连接的电流积分器、阈值甄别电路、复位逻辑电路、单稳态触发电路和信号采集与处理系统，以及与所述电流积分器和复位逻辑电路连接的所述积分复位电路；
所述电流积分器，用于收集微弱电流信号并输出电压信号至所述阈值甄别电路，其中，所述电压信号的幅度正比于所述微弱电流信号的总电荷量；
所述阈值甄别电路，用于对所述电压信号进行阈值甄别，输出相应的逻辑信号至所述复位逻辑电路；
所述复位逻辑电路，用于根据所述逻辑信号，向所述积分复位电路输出复位触发信号的同时向所述单稳态触发电路输出触发信号，或者关闭所述积分复位电路；
所述积分复位电路，用于在接收到所述复位触发信号后开始工作并输出复位电流；
所述单稳态触发电路，用于对所述触发信号进行整形后输出固定宽度的数字电平逻辑脉冲信号至所述信号采集与处理系统，其中，所述数字电平逻辑脉冲信号频率正比于所述微弱电流信号；
所述信号采集与处理系统，用于对所述数字电平逻辑脉冲信号进行采集和处理，得到所述微弱电流信号的值。


2.根据权利要求1所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，其特征在于，所述电流积分器包括：积分电容、第一限流电阻和低偏置电流的运算放大器，所述积分电容的一端和所述第一限流电阻的一端均连接微弱电流信号，所述第一限流电阻的另一端连接所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的同相输入端接地，所述积分电容的另一端和所述运算放大器的输出端连接所述阈值甄别电路。


3.根据权利要求1所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，其特征在于，所述阈值甄别电路包括：并行的两路迟滞比较器，第一路迟滞比较器包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一高速比较器，所述第一电阻的一端连接所述电流积分器，所述第一电阻的另一端连接所述第二电阻的一端、所述第一高速比较器的第一输入端和所述第三电阻的一端，所述第二电阻的另一端和所述第一高速比较器的第二输入端接地，所述第三电阻的另一端和所述第一高速比较器的输出端连接所述复位逻辑电路的1CLK端；第二路迟滞比较器包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻和第二高速比较器，所述第四电阻的一端连接所述电流积分器，所述第四电阻的另一端连接所述第五电阻的一端、所述第二高速比较器的第一输入端和所述第六电阻的一端，所述第五电阻的另一端和所述第二高速比较器的第二输入端接地，所述第六电阻的另一端和所述第二高速比较器的输出端连接所述复位逻辑电路的-1CLK端。


4.根据权利要求3所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，其特征在于，所述第一高速比较器的触发阈值为上电压阈值，当所述电压信号超过所述上电压阈值时所述第一高速比较器输出为高电平，当所述电压信号低于所述上电压阈值时所述第一高速比较器输出为低电平；
所述第二高速比较器的触发阈值为下电压阈值，当所述电压信号超过所述下电压阈值时所述第二高速比较器输出为高电平，当所述电压信号低于所述下电压阈值时所述第二高速比较器输出为低电平。


5.根据权利要求4所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，其特征在于，所述复位逻辑电路具体用于：
当所述第一高速比较器和所述第二高速比较器输出均为高电平时，复位端口输出高电平，使得所述积分复位电路工作并输出复位电流；
当所述第一高速比较器和所述第二高速比较器输出均为低电平时，复位端口输出低电平，关闭所述积分复位电路。


6.根据权利要求1所述的一种基于电流频率变换法的微弱电流测量电路，其特征在于，所述积分复位电路包括：第一二极管、第二二极管、第二限流电阻和复位电源开关，所述第一二...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪宁，宋明哲，高飞，刘蕴韬，魏可新，张曦，徐阳，王红玉，侯金兵，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11