[发明专利]一种微弱电流测量装置

权利要求书

1.一种微弱电流测量装置，其特征在于，包括依序连接的I-V转换及放大电路、模数转换电路、单片机和显示器；其中，

所述I-V转换及放大电路，用于根据待测微弱电流信号的类型，选择相应的I-V转换及放大电路将微弱电流信号转换成微弱电压信号并进行噪声抑制及信号放大处理；其中，所述待测微弱电流信号的类型包括纳安nA级微弱电流信号、皮安pA级微弱电流信号和飞安fA级微弱电流信号；所述I-V转换及放大电路包括用于处理nA级微弱电流信号的nA级I-V转换及放大电路、用于处理pA级微弱电流信号的pA级I-V转换及放大电路和用于处理fA级微弱电流信号的fA级I-V转换及放大电路；

所述模数转换电路，用于将噪声抑制及信号放大处理后的电压信号转换为数字信号；

所述单片机，用于对所述数字信号进行分析得到电压值，并根据所述电压值，在预设的电压与微弱电流映射表中，得到待测微弱电流信号的电流值；

所述显示器，用于显示所述待测微弱电流信号的电流值及其对应的电压值；所述nA级I-V转换及放大电路包括依序连接的nA级I-V转换电路、第一反相比例电压放大电路和第一同相比例电压放大电路；其中，

所述nA级I-V转换电路包括第一运算放大器IC1和第一反馈电阻R1；其中，所述第一运算放大器IC1的同相输入端接地，反相输入端接入待测的nA级微弱电流信号，输出端通过电阻R2连接所述第一反相比例电压放大电路的输入端并还通过所述第一反馈电阻R1反向连接自身的反相输入端；

所述第一反相比例电压放大电路包括第二运算放大器IC2和第二反馈电阻R3；所述第二运算放大器IC2的同相输入端通过第一分压电阻R4接地，所述第二运算放大器IC2的反相输入端通过所述电阻R2连接所述nA级I-V转换电路中第一运算放大器IC1的输出端，所述第二运算放大器IC2的输出端通过电阻R5连接第一电压跟随器的反相输入端并还通过所述第二反馈电阻R3反向连接自身的反相输入端；

所述第一同相比例电压放大电路包括第三运算放大器IC3和第三反馈电阻R7；所述第三运算放大器IC3的同相输入端通过电阻R5连接所述反相比例电压放大电路中第二运算放大器IC2的输出端，所述第三运算放大器IC3的反相输入端通过第二分压电阻R6接地，所述第三运算放大器IC3的输出端与所述模数转换电路的输入端相连并还通过所述第三反馈电阻R7反向连接自身的反相输入端；

所述第一运算放大器IC1、所述第二运算放大器IC2和所述第三运算放大器IC3的结构相同，均为AD8603型运算放大器芯片；所述第一反相比例电压放大电路和所述第一同相比例电压放大电路的放大倍数均为10倍；

所述pA级I-V转换及放大电路包括依序连接的pA级I-V转换电路、第二反相比例电压放大电路、第一电压跟随电路和第二同相比例电压放大电路；其中，

所述pA级I-V转换电路包括第四运算放大器IC4和第一T型反馈网络；其中，所述第四运算放大器IC4的同相输入端接地，所述第四运算放大器IC4的反相输入端接入待测的pA级微弱电流信号，所述第四运算放大器IC4的输出端通过电阻R11连接所述第二反相比例电压放大电路的输入端并还通过所述第一T型反馈网络反向连接自身的反相输入端；所述第一T型反馈网络包括电阻R8、电阻R9和第一电容C9；所述电阻R8的一端通过电阻R10接地，R8的另一端连接所述第一电容C9的一端并与所述第四运算放大器IC4的反相输入端相连；所述电阻R9的一端通过电阻R10接地，R9的另一端连接所述第一电容C9的另一端并与所述第四运算放大器IC4的输出端相连；

所述第二反相比例电压放大电路包括第五运算放大器IC5和第四反馈电阻R12；所述第五运算放大器IC5的同相输入端通过第三分压电阻R14接地，所述第五运算放大器IC5的反相输入端通过电阻R11连接所述pA级I-V转换电路中第四运算放大器IC4的输出端，所述第五运算放大器IC5的输出端通过第一隔离电阻R13连接所述第一电压跟随电路的输入端并还通过所述第四反馈电阻R12反向连接自身的反相输入端；

所述第一电压跟随电路包括第一隔离电阻R13和第六运算放大器IC6；所述第一隔离电阻R13的一端连接所述第二反相比例电压放大电路中第五运算放大器IC5的输出端，R13的另一端连接所述第六运算放大器IC6的同相输入端；所述第六运算放大器IC6的输出端通过电阻R15连接所述第二同相比例电压放大电路的输入端并还反向连接自身的反相输入端；

所述第二同相比例电压放大电路包括第七运算放大器IC7和第五反馈电阻R17；所述第七运算放大器IC7的同相输入端通过电阻R15连接所述第一电压跟随电路中第六运算放大器IC6的输出端，所述第七运算放大器IC7的反相输入端通过第四分压电阻R16接地，所述第七运算放大器IC7的输出端与所述模数转换电路的输入端相连并还通过所述第五反馈电阻R17反向连接自身的反相输入端；

所述第一电压跟随电路还包括第一低通滤波电路；其中，所述第一低通滤波电路由第二电容C10组成，所述第二电容C10的一端接地，C10的另一端连接于所述第一隔离电阻R13与所述第六运算放大器IC6的同相输入端之间；

所述第四运算放大器IC4、所述第五运算放大器IC5、所述第六运算放大器IC6和所述第七运算放大器IC7的结构相同，均为AD8603型运算放大器；所述第二反相比例电压放大电路和所述第二同相比例电压放大电路的放大倍数均为10倍；所述第一T型反馈网络中电阻R8=200MΩ、电阻R9=9.9kΩ、第一电容C9=5pF；

所述fA级I-V转换及放大电路包括依序连接的fA级I-V转换电路、第三反相比例电压放大电路、第二电压跟随电路和第三同相比例电压放大电路；其中，

所述fA级I-V转换电路包括第八运算放大器IC8和第二T型反馈网络；其中，所述第八运算放大器IC8的同相输入端接地，IC8的反相输入端接入待测的fA级微弱电流信号，IC8的输出端通过电阻R21连接所述第三反相比例电压放大电路的输入端并还通过所述第二T型反馈网络反向连接自身的反相输入端；所述第二T型反馈网络包括电阻R18、电阻R19和第三电容C11；所述电阻R18的一端经电阻R20接地，另一端连接所述第三电容C11的一端并与所述第八运算放大器IC8的反相输入端相连；所述电阻R19的一端通过电阻R20接地，R19的另一端连接所述第三电容C11的另一端并与所述第八运算放大器IC8的输出端相连；

所述第三反相比例电压放大电路包括第九运算放大器IC9和第六反馈电阻R23；所述第九运算放大器IC9的同相输入端通过第五分压电阻R22接地，所述第九运算放大器IC9的反相输入端通过电阻R21连接所述fA级I-V转换电路中第八运算放大器IC8的输出端，所述第九运算放大器IC9的输出端通过电阻R24连接所述第二电压跟随电路的输入端并还通过所述第六反馈电阻R23反向连接自身的反相输入端；

所述第二电压跟随电路包括第二隔离电阻R24和第十运算放大器IC10；所述第二隔离电阻R24的一端连接所述第三反相比例电压放大电路中第九运算放大器IC9的输出端，另一端连接所述第十运算放大器IC10的同相输入端；所述第十运算放大器IC10的输出端通过电阻R25连接所述第三同相比例电压放大电路的输入端并还反向连接自身的反相输入端；

所述第三同相比例电压放大电路包括第十一运算放大器IC11和第七反馈电阻R27；所述第十一运算放大器IC11的同相输入端通过电阻R25连接所述第二电压跟随电路中第十运算放大器IC10的输出端，所述第十一运算放大器IC11的反相输入端通过第六分压电阻R26接地，所述第十一运算放大器IC11的输出端与所述模数转换电路的输入端相连并还通过所述第七反馈电阻R27反向连接自身的反相输入端；

所述第二电压跟随电路还包括第二低通滤波电路；其中，所述第二低通滤波电路由第四电容C12组成，所述第四电容C12的一端接地，另一端连接于所述第二隔离电阻R24与所述第十运算放大器IC10的同相输入端之间；

所述第八运算放大器IC8、所述第九运算放大器IC9、所述第十运算放大器IC10和所述第十一运算放大器IC11的结构相同，均为AD549型运算放大器；所述第三反相比例电压放大电路和所述第三同相比例电压放大电路的放大倍数均为10倍；所述第二T型反馈网络中电阻R18=200MΩ、电阻R19=99kΩ、第三电容C11=5pF。

2.如权利要求1所述的微弱电流测量装置，其特征在于，所述单片机为ATC89C51型CPU芯片。