【基于开关电容的微电流测量方法与仿真探究8700字（论文）】

基于开关电容的微电流测量方法与仿真研究摘要随着科学技术的发展,微电流的检测日渐迫切,其检测技术在许多领域具有广泛的应用前景、对推动相关领域的发展具有重要意义。本课题通过对微电流测量方法的研究,设计实用电路以实现对皮安级微电流的测量在分析常用微电流测量方法—高输入阻抗法和积分法的基础上,提出新的微电流测量法—开关电容微电流测量法这种方法不仅实现电流向电压的转换,同时将被测信号调制成交流信号,调制后的交流信号同时被放大,其幅值与被测电流信号的幅值成正比。开关电容式微电流测鱼法克服了高输入阻抗法调零难和积分法时间响应慢的缺点。在微电流测量技术中,主要是考虑在有效抑制噪声的条件下对从微电流转换来的电压信号放大方法的研究。本论文提出选频放大的方法对前级调制后的信号进行放大,然后通过开关式相敏检波对放大后的信号进行解调。本课题设计的选频电路由高通滤波电路和低通滤波电路级联组成,电路参数较少,易于设计和调节。由于选频滤波放大电路对噪声的有效抑制,放大倍数可以做到16万倍。通过实验验证,整个电路系统具有线性好、漂移小、稳定性好的优点。关键词：开关电容；微电流；选频放大；测量与仿真目录TOC\o"1-3"\h\u320621绪论 172311.1课题背景及意义 11091.2微电流测量国内外的现状 1292521.3课题的目的 2234992相关概念简述 2213752.1电容电流简介 2151642.2电容电流测量概述 352232.3测量电容电流的必要性 384372.4微电流测量方法 460302.4.1微电流测量方法之一—高输入阻抗法 4290922.4.2微电流测量方法之二—积分法 6127193电容电流测量 7119933.1电容电流测量装置硬件设计部分的简要介绍 7181553.2测量装置所用主要芯片的介绍 8147753.3电容电流测量装置硬件部分 10131113.3.1电源部分 1021083.3.2主控制器电路 11243363.3.3功率放大电路 12188394软件设计 13109874.1DA输出子程序 1367604.2测量子程序 14284074.3显示子程序 16122625结束语 1631282参考文献 171绪论1.1课题背景及意义微电流(小于10-6安培)普遍存在于人类生活中，随着科学的发展，对微电流的测量技术要求越高。例如在航天方面，探测器产生的总电离量与输出电路中积累的电荷直接有关，并在某一段时间内所要测量的电路中电流是十分微弱的(通常仅在10-8~10-14安范围内);在医疗方面，微电流疗法就是利用微电流刺激细胞能量合成，增强局部组织的生物电流，促进愈合。此外，测量半导体的反相漏电流，估计空气高层大气的电离率以及为其它许多科学领域提供资料方面，也都需要精确地测量它们微弱地电流。对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微压力、微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流和低电压，再经过放大器放大其幅度以期指示被测量的大小。可见，微电流和低电压测量技术的提高对微弱信号测量起决定性作用。但是放大电路的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅度大得多，放大被测信号的过程同时也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和各种外部千扰的影响，因此只靠放大是不能把微弱信号检测出来的，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。为了达到这样的目的，必须研究微弱信号检测的理论，方法和设备。本课题主要研究微电流检测的方法，研究低电压放大的方法。因为通过前级放大电路将微电流转变成微电压，在I/V转变中实现一定的放大倍数，然后通过后级放大电路将低电压放大到后续电路能处理的程度。1.2微电流测量国内外的现状在电子学的发展中，一直存在着弱电流的测量问题。弱电流的测量需要采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，以便从噪声中检测出微电流信号，同时微电流测量技术受元器件的质量影响，多方面的因素导致微电流测量技术发展很慢。在1950年以前，国外Hafstad用一个FP-54型静电计管，在几分钟时间能检测出安的电流(2电子/秒)，然而只有在实验条件下，这电流才是有用的。FP-54型静电计管的直流放大器输入级中使用着真空管。近代的一些静电计管电路的测量能力不如Hafstad等人的早期电路好。这是由于大规模廉价管子的生产，使管子的质量下降。从1949年出现晶体管以来，设计人员在直流放大器使用这些器件，获得了不同程度的提高。Chaplin在1957年发表了第一台晶体管化的载波调制的直流放大器，这种电路具有10-9安的测量能力。McCaslin在简单放大电路中采用了低泄漏绝缘栅场效应晶体管，使这个简单能够测量10-15，安的电流。以上这些是从实验结果方面阐述了微电流测量前期发展。微电流测量技术从测量仪器角度方面来看，随着集成电路的发展，得到了长足的发展。从目前市场上的微电流测量仪的状况可以了解国内外的发展。1.3课题的目的目前，国内大部分采用了高输入阻抗法测量微电流，并取得一定的精度。这种方法其前级电路是由结型场效应管或绝缘栅场效应管组成差动电路构成的。但由于栅源绝缘电阻高的场效应管其夹断电压UGS和最大漏极电流(IDSS)不稳定，零点很难调节，所以只能在实验室去进行。本课题将开关电容电路的原理、积分电路对噪声抑制作用和选频放大电路对噪声和漂移的抑制作用结合起来，设计电路实现对皮安级电流的测量。为了方便称此法为开关电容式微电流测量法。开关电容式微电流测量法前级是利用开关电容实现电流向电压的转换的同时对电压信号进行调制和放大，达到微伏级;后级通过选频放大电路实现微伏级电压的放大，再利用开关式相敏检波电路解调，得到与被测微电流有一定比例关系的伏特级电压。开关电容式微电流测量法易于调节，成本低。2相关概念简述2.1电容电流简介电力线路与大地之间总是存在分布式的电容，无法在对地电容支路上接电流表进行直接测量。对于配电系统来说，由于电源中性点一般不直接接地，当输电线路单相接地时流过故障点的电流不是短路电流，而是线路对地电容产生的电容电流。从图1中的向量图可以看出，当A相接地后，B、C相的对地电压上升为线电压，电流通过B、C相的对地电容流入接地点，形成电容电流，从向量图中可以看出，两个电流Ica和Iba叠加后形成电容电流IC增大了倍。因此，电容电流IC=3UC，这个电流也是系统正常运行时流过三相对地电容的电流数值之和。图2-1电容电流向量图2.2电容电流测量概述我国的中压配电网大多采用中性点不接地、经消弧线圈补偿接地和经电阻接地的运行方式。在一些中性点不接地的中压配电网中，随着供电网络的发展，特别是电缆线路应用的日益广泛，导致线路在发生单相接地故障时，流过故障点的电容电流过大，接地电弧很难熄灭，从而产生弧光接地过电压，并且可能造成两相短路等恶劣的事故。为确保接地电弧的可靠熄灭，需要安装消弧线圈来补偿电网的电容电流，在单相接地故障时，消弧线圈与电网对地电容构成并联谐振回路，消弧线圈运行在谐振点附近，使电感电流与电网电容电流互相抵消，从而减小故障点电流，保证接地电弧可靠自熄，这种中性点经消弧线圈接地的电力系统，称为谐振接地系统。电网的电容电流精确测量是消弧线圈合理补偿的前提，是否需要安装消弧线圈以及选择消弧线圈的容量，需要知道电网的对地电容电流值。对于中性点经电阻接地系统，需要电网的对地电容电流值，来选择接地电阻值的大小。同时，配电网对地电容值也是分析铁磁谐振的重要参数。因此，无论对于何种接地方式的配电网，测量系统的对地电容电流值是不可或缺的。2.3测量电容电流的必要性测量配网电容电流是必要的，据统计配电网的故障很大程度是由于线路单相接地时电容电流过大而无法自行息弧引起的。因此，规程规定：当10kV和35kV系统电容电流分别大于30A和10A时，应装设消弧线圈补偿电容电流，否则，将会在单相接地时由于电弧重燃，产生很高的过电压，危及健全相的绝缘而造成两相短路故障。由于单相接地故障而引发配电网的事故屡见不鲜。例如，2000年7月和2001年4月南方某供电局的城东变电站就连续两年因为单相接地故障而引起的绝缘击穿事故，造成套管炸裂、两相短路，大面积停电十多小时，造成较严重的经济损失和较大的社会影响。类似的事故在全国都有发生，有时甚至“火烧连营”，将整个配电网的开关柜全部烧掉。要解决这个问题就要对配电网的电容电流经常监测，对电容电流大的配电网采用消弧线圈进行补偿，或采取相应的限制过电压的措施。消弧线圈自动调谐装置能够准确、及时地进行调谐，关键在于系统正常运行中，精确地测量出系统对地电容的容抗，据此计算出单相接地电容电流。电容电流测量方法的准确度和适用性，决定了自动调谐装置调谐效果的好坏。因此，电容电流的测量对于整个消弧线圈自动调谐装置来说是非常重要的。电网故障接地点的电容电流都无法带负荷直接测量，因此各种消弧线圈自动调谐装置多选用间接测量法进行测量、计算，来获取对电网对地容抗。间接测量方法众多，而且各种方法的性能不一，因此采取那一种测量方法对于计算电网对地容抗来说有着不同的准确度。如何选取一种既可靠、实用，又有较高准确度的测量方法，是消弧线圈自动调谐系统追求的目标。2.4微电流测量方法微电流测量分为直流测量和交流测量,因为交流信号经相敏检波和滤波后表现为直流电平,所以在本文中微电流测量,不分直流测量还是交流测量,一般指直流测量。在测微电流时,一般是将它通过一定方式转换成电压。根据转换方式将所有的直流放大器可分为两类第一类是把输入电流转换成己知电阻两端的电压降第二类是输入电流对放大器中已知电容充电,然后观察放大器输出的电压。电流转换为电压后,电压很小,很难被后续电路处理,通过多级放大才能实现。目前,第一级放大方法常见的有高输入阻抗法和积分法。后续放大电路有采用自动调零法、隔离放大器法、选频放大的方法等等。2.4.1微电流测量方法之一—高输入阻抗法通过电阻将电流转化换成电压,也称为直放式微电流转换法。常用的直放式微电流放大器原理如图2-2。图2-2直放式微电流转换法原理其输出电压与输入电流关系如下：（2-1）在微电流的测量中,主要是对微弱信号进行放大,在讨论放大器的性能时,信号源与放大器所呈现的外部特性很重要。放大器的工作过程中,总要从信号源吸收一定的电流,因此对信号源来说,放大器相当于一个电阻，这个电阻称为放大器输入电阻Ri。放大器的输入电阻对电压放大倍数的影响由下面的分析可以看出。由其等效电路:（2-2）从上式可以看到，当信号源电势Ex为一定数值时，信号源内阻Rx越小且放大器的输入电阻越大时，放大器输入端所得到的有效输入信号电压就越高。所以为了提高放大器的灵敏度，在一般情况下，希望信号源具有较低的内阻，放大器具有较高的输入电阻。图2-3放大器输入电阻等效原理图2-4高输入阻抗法测盈微电流原理在微电流测量中，高输入阻抗法是在放大器的输入端采用由场效应管对管组成的差动放大器作为输入级，以提高输入电阻。场效应管具有很高的直流输入电阻RGS，所以整个电路的开环差模输入电阻可达(10-11-10-14)欧。采用对管的原因是对管可以获得较高的共模抑制比。此外，由于结型场效应管工作时其PN结是加反相电压的，栅极电流基本上为零，所以电路的输入偏置电流可小到(10-11-10-12)安。高输入阻抗的作用使被测微电流几乎完全通过反馈电阻，而通过放大器内阻的电流近乎为零，使测量更准确。其电路原理图如图2-4所示:图2-4所示BG1,BG2最好采用对管，由R4、R6确定BG3的工作点，W1、W2调整BG1,BG2漏极电流，R1,R2是源极电阻，R3是限流电阻。选用BG1,BG2时主要考虑RGS值及栅极电流的大小，图1-3的电路作用是通过在放大器的输入端串接场效应管BG1、BG2，以提高放大器的输入阻抗。但是这种测量方法差动放大器的零点很难调节。2.4.2微电流测量方法之二—积分法提高微电流测量灵敏度和分辨率所遇到的主要问题是漂移和噪声，降低漂移和噪声是微电流测量的必要条件。载波放大线性组件的出现，使漂移问题得到了较好的解决，而噪声问题依然未得到解决，基于积分环节的微电流测量电路，能够有效的降低噪声水平。测量微电流常采用电流负反馈直流放大器完成I-V变换。由于该放大器处于第一级，其本身引起的噪声对测量结果影响很大，因此降低该级噪声是问题的关键。图2-5所示是目前常用的I—V变换电路的噪声模型。由图2-5可见，放大器噪声主要由电路的热噪声及运算放大器的有源噪声引起。总噪声输出由下式表示:（2-3）图2-5积分型I-V变换噪声模型由于都是前后独立的平稳随机过程，符合高斯分布规律，所以噪声电压平均值为零：（2-3）由(2-3)式可知，如能在时间轴上对噪声信号进行积分，可望减小噪声对输出结果的影响。由(2-3)式可知，随着积分时间的延长，噪声的影响将减小。积分时间越长，噪声影响越小。因此采用积分型I-V变换电路测量微电流，可以减小噪声的影响。积分法的缺点之一采用了积分环节，电路响应时间较慢。3电容电流测量3.1电容电流测量装置硬件设计部分的简要介绍本文所设计的电容电流测量装置是以Cygnal公司的C8051F021芯片为核心的单片机系统。从硬件设计角度主要分为：电源部分、变频恒流信号源部分、数据采集部分、键盘显示等几个部分。其硬件组成如图3-1所示：图3-1测量装置硬件框图电源部分分为：主功率电源，±100V，用作恒流信号源功率放大；芯片、集成块的工作电源，+3V，供给控制芯片；有源滤波电路、功率放大电路，±12V。变频恒流信号源部分的模拟信号，由芯片控制的DAC输出端口输出后，经滤波电路和功率放大电路产生。采样器分电流采样和电压采样两个，他们均由控制芯片进行控制，将采样得到的信号输入滤波器。滤波器由高频滤波器和低频滤波器两个滤波器组成，他们彼此独立，这两个滤波器均为带通滤波器，即只通过恒流源发出的频率信号，对其他频率的信号均起到衰减作用。由于测试仪在电容电流测量时PT开口三角叠加有工频的电压信号，因此必须将这个工频电压信号滤掉。这就需要靠滤波器进行硬件滤波，最后得到相对光滑的信号进入控制芯片进行计算。显示部分是作为人机交流的窗口，设计中采用显示，使测量的结果显示更清晰、使用更方便。软件设计中包括：测量程序流程图设计、测量子程序设计、变频恒流信号源输出子程序设计、显示子程序等。3.2测量装置所用主要芯片的介绍C8051F021器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有32个数字I/O引脚。下面列出了一些主要特性：高速、流水线结构的8051兼容的CIP－51内核（可达25MIPS）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）真正12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关两个12位DAC，具有可编程数据更新方式64K字节可在系统编程的FLASH存储器4352（4096+256）字节的片内RAM可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口5个通用的16位定时器具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F021是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能（禁止）和配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。C8051F021系列器件使用SiliconLabs的专利CIP－51微控制器内核。CIP－51与MCS－51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP－5内核具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器（定时器）、两个全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及8个或4个字节宽的I/O端口。由改进后的配电网电容电流测量算法可知，电容电流测量装置的硬件需要提供高精度的DA输出端口和AD输入端口。而芯片C8051F021在片内集成了高性能的真正8位500Ksps的ADC，完全可以满足设计的需求，方便了测量装置的设计。具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F021是真正能独立工作的片上系统，所有模拟和数字外设均可由用户固件使能（禁止）和配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。C8051F021系列器件高度集成的特性有助于简化硬件电路的设计。所以，我们最终选取了芯片C8051F021作为本系统的核心。LM7800和LM7900系列稳压管。LM7800和LM7900为同系列元件，均为三个管脚。其管脚定义较简单，分别为输入端口，输出端口和公共接地端口。主要区别在于LM7800系列输出电压为正值。而LM7900系列的输出电压为负值。LM7805的主要功能是提供稳定的5V输出电压。其输入输出特性：额定输入电压Vin=10V(不低于7V);额定输出电压Vout=5V;LM7809的主要功能是提供稳定的9V输出电压。其输入输出特性：额定输入电压Vin=15V(不低于11V);额定输出电压Vout=9V;LM7905的主要功能是提供稳定的－5V输出电压。其输入输出特性：额定输入电压Vin=10V(不低于7V);额定输出电压Vout=－5V;LM7918的主要功能则是提供稳定的－18V输出电压。其输入输出特性：额定输入电压Vin=27V(不低于20V);额定输出电压Vout=－18V;这里列出LM7800和LM7900系列共同的元件特性：最大输出电流不小于1.5A；无需外部元件配合；内部集成过热保护部分；输出电压偏差不大于2%。3.3电容电流测量装置硬件部分3.3.1电源部分图3－2电源电路通过变压器、桥式整流二极管、滤波电容以及稳压管，将220V电压变为输出信号源、单片机以及运放所需要的直流电压。3.3.2主控制器电路图3－3主控制器电路单片机控制部分采用Cygnal的C8051F021单片机为核心，该单片机集成了充足的资源，大大减少了设计中需要扩展的硬件电路。图3－4输入输出接口电路图3－550Hz陷波器滤除工频信号仿真波形图图3－6带通滤波器滤除高频信号仿真图图3－7带通滤波器滤除低频信号仿真图DA输出部分中，由于单片机的输出电压范围是[0－VDD]，采用低频滤波器滤除直流分量，采用高频滤波器滤除高频分量。AD输入部分，主要包括工频陷波器，信号放大电路。本文对50Hz陷波器及带通滤波器进行了仿真，仿真波形如图3－5、图3－6和图3－7所示，其中采用三角形标出的为滤波器输出波形，无三角形标出的为滤波器输入信号波形。由仿真图可以看出，本文设计的滤波器可以满足测量装置的设计需求。3.3.3功率放大电路图3－8功率放大电路图3－9信号经功率放大前后对比仿真图图3－10SPWM波形及生成的正弦电压波形图3－11SPWM波形及生成的正弦电压波形细节图功率放大电路采用脉宽调制（PWM）技术，将输出信号放大到100V，串接100Ω的限流电阻后，作为输出电流为1A的变频恒流源使用。由仿真图3－9、图3－10和图3－11可以看出，该电路能很好的放大输出信号，能够满足本设计的需求。4软件设计4.1DA输出子程序按照数学用表上的正弦函数表，每隔1o的角度，将从-90o到+90o的181个点的正弦函数值转换后存储到内存中，采用查表的方法，依据当前频率，按时依次输出内存中转换后的正弦函数值，这样就很方便的实现了变频信号的输出。图4－1DA输出子程序流程图4.2测量子程序采样流程的简要说明：从采样数据缓存中读取各路模拟信号的采样值并判断数据是否有效，采样通道的增益是否合适。在取得有效的采样数据后，计算各电气量基波分量的有效值和相角。采用整周波离散傅立叶算法，计算公式如下：（4-1）（4-2）式中，a1、b1分别为基波的正弦、余弦项振幅，N为一个周波的采样点数，Xk为第k各采样点的值。根据a1和b1，可以求出电气量基波分量的有效值A和相角α，公式如下：（4-3）（4-4）4.2.1电压测量子程序图4－2电压测量子程序4.2.2电流测量子程序电流的测量是通过限流电阻间接测量得到，通过测量限流电阻两端电压，按照计算公式I=U/R得到。其流程图如下：图4－3电压测量子程序4.2.3测量控制和电容电流计算子程序图4－4测量控制和电容电流计算子程序将得到的数据代入公式（3－7）可以计算出单相对地电容值C，再代入公式IC=3UC即可得到系统的对地电容电流值。4.3显示子程序图4-5显示子程序在改进的信号注入法的基础上，设计了以C8