一种小型高精度微电流测量模块设计

殷少轩，苏 叶，王澳辉，何孟轩，刘明辉

应用研究

一种小型高精度微电流测量模块设计

殷少轩，苏 叶，王澳辉，何孟轩，刘明辉

（海军工程大学核科学技术学院，武汉 430033）

针对现场测试中需要测量纳安级或者更小微电流的情况，本文设计一种可通过微控制器程控的高精度、高稳定性的小型微电流测量模块。该测量模块由I/V转换模块、A/D转换模块和基准源等电路组成。微控制器可通过6根数据线与ADC通信，从而实现对测量模块的控制。测量模块的量程是-1000 nA到1000 nA，精度可达0.1 nA级。

纳安级 微电流测量 程控 高精度

0 引言

仪控领域低失真、低成本远距离传输微电流的信号传输方式已广泛应用于各个行业[1~2]。但高精度小型微电流测量一直是难点问题[3~5]。在工控系统和仪控系统的现场测试中，会遇到许多微电流信号测量问题[6~7]。但精度高而体积过大的测量仪器无法带到现场；而小体积测量仪器往往精度又达不到要求。本文基于小型化、高精度、高稳定性的设计理念，提出了一种小型化精密微电流测量模块的设计方法。

1 总体设计

微电流测量模块电路结构图如图1所示。模块由I/V转换、A/D转换模块、单片机模块和2.5 V基准源四大部分组成。微电流由屏蔽导线传输，并在电流转换过程中设置了电流环保护，以防漏电流而影响模块的测量精度。通过LMC6001和高精度低温漂的2 MΩ电阻，将微弱电流转换成0.5 V到4.5 V的电压，然后通过ADC7705采集，完成AD转换，并将数据传输给单片机，最后由单片机计算、校准并显示测量值。

图1 总体设计

2 硬件设计

2.1 I/V转换电路

在电流传输过程中，传输线路和周围电路之间，不可避免的会存在一定的漏电阻，从而会存在一定的漏电流，如果不对其做相应的防护，则会极大的降低测量精度，甚至会直接导致测量失败。为了防止漏电流的产生，在微电流由被测模块到处理电路的传输过程中，模块采用屏蔽线进行传输，在电路板上，则如图2中红框所示，添加了一个电流保护环。电流保护环相当于一个电磁屏蔽套，其对内部微电流流过的部分起到电磁屏蔽和防止漏电流的效果。另外微电流还需要有一根屏蔽导线传输[9,10]。

图2 I/V转换电路

2.2 A/D转换电路

AD7705是一款应用于低频测量的双通道模拟前端，可直接采集传感器的低电平输出信号，转换产生一个串行数字输出。它拥有两个全差分输入通道，并利用∑-Δ转换技术实现了16位无丢失码性能。另外，AD7705与多种串行接口，如SPI、DSP等兼容，与控制系统有良好的相容性。又因为其单电源供电电压为2.7～3.3 V或4.75～5.25 V，因此广泛应用于智能控制系统中。

AD7705的引脚图如图3所示，与控制系统相连的主要的逻辑电平输入输出引脚有SCLK、CS、DRDY、DIN、DOUT。其中SCLK用于串行时钟的输入；CS是片选信号，低电平有效的逻辑输入，同时可作为帧同步信号；DRDY指示片内数据寄存器是否更新，更新时输出低电平；DIN是串行数据输入端口，用于向片内可写寄存器写数据；DOUT是串行数据输出端。另外，MCLKIN与MCLKOUT时钟信号输入和输出端口；REFIN（+）与REFIN（-）是基准源输入端口。AD7705片内有8个寄存器，与控制密切相关的是8位通信寄存器、8位时钟寄存器、8位设置寄存器、16位数据寄存器。

根据AD7705的实际应用要求，设计出了满足该电流源模块需求的原理图，如图4。在A/D转换电路中，为了实现0.5-4.5 V电压的测量，将AD7705配置为双极性，且将负输入端接到基准源2.5 V上，那么AD7705的电压测量范围为0-5 V。

图4 A/D转换电路

为防止模拟地和数字之间存在电压，影响芯片的性能，故采用模拟地和数字地分开并单点接地，AD7705的6、11等没有使用的引脚悬空处理。由于模拟电源不稳定时，容易烧毁AD7705，因此A/D模块的电源输入端并联0.1 uF陶瓷电容和10 uF钽电容滤波，防止电源电压变化幅度过大使芯片烧毁。

2.3 基准源电路

A/D转换电路和I/V转换电路都需要稳定性极高的基准电压，而对于模数转换，参考电压的干净程度直接影响芯片的性能，因此要求参考电压具有极低的噪声和温漂，以得到最佳的转换结果。为解决该问题，在A/D转换模块中，需设计独立可靠的参考电源模块。2.5 V参考电压通过AD780芯片生成，该芯片温度漂移低至3ppm/℃、微功耗、低压差、性能稳定，能很好的满足采集芯片对参考电压的要求[11,12]。参考电压电路如图5所示。如果需要，还可以使用两个外部电容来进一步降低噪声。且其在整个温度范围内的误差极低，无需使用外部元件。

图5 基准源电路

3 ADC7705程序设计

3.1 读时序与写时序

AD7705的读时序如图6所示，当DRDY变为低电平时，指示数据寄存器中的数据已经更新，可以读取数据。读数据时，CS要置为低电平，SCLK输入的串行时钟信号控制输出速率。

图6 读时序图

写时序如图7所示。在读写AD7705的时候应该严格控制各个信号之间的时间差与SCLK的频率，防止读写失败。

图7 读时序图

3.2 程序流程

AD7705的程序流程图如图8所示。在AD7705每次上电时会自动复位，在每次需要读写寄存器时，必须先写通信寄存器。由于使用的是4.9152MHz的晶振，因此时钟寄存器的CLKDIV=1，CLK=0。而在写设置寄存器时，由于使用了双极性输入，因此B/U=0。另外每次上电复位后，都应该对器件进行校准。这里使用的是自校准，即器件自动进行零标度和满标度校准，并在校准完毕后返回正常运行模式。

在读取数据时，必须严格按照步骤，等待DRDY输出低电平后才能进行读操作，否则数据会损毁，得到错误数据。而且要保证在DRDY返回高电平前，本次的读操作要结束。

图8 程序流程图

3.3 数据计算

表1 AD7705输入、输出转换表

4 主要性能测试

4.1 精度测试

经过满量程和零点校准后，程序会自动修正误差。为了微电流测量精度，模块的输入端接一个六位半的精密微电流源B2901A，测量值由单片机LCD屏幕显示。在量程-1000 nA到1000 nA范围内，选择步进为100 nA，共测量21组数据，并计算误差，数据如表2所示。

表2 精度测试数据(单位：nA)

从结果可以看出绝对误差在0.1 nA以下的数量级，相对误差可以在0.01%的数量级，说明此台精密微电流测量模块具有高精准，高线性，满足预定要求。

4.2 稳定性、可靠性测试

为测试微电流测量模块的稳定性与可靠性，在经过校准后，设定任意电流值，连续测量五小时以上，并每隔一小时测量一次误差。试验表明，在长时间的测量下，模块的测量精度未受到影响，且模块无明显温升。可见，此微电流测量模块的可靠性和稳定性良好。

5 结论

基于小型化、智能化、高精度等设计理念，设计了一种可测量直流微电流的测量模块。该测量种模块由I/V转换模块、A/D转换模块和基准源模块组成。微控制器可通过六根数据线与模块连接，从而实现程控可调。硬件方面运用了高性能的运算放大器LMC6001AIN、高精度数模转换器AD7705和高稳定性的AD780，提高了整体的测量精度。软件方面，利用Stm32F407单片机作为主控器件，将ADC传输的数据进行转换、修正和显示。最终，利用六位半的数字可调电流源检验了模块的测量精度，说明了测量模块的精度、稳定性和可靠性满足要求。

[1] Konstantinou Evangelia, Zagoriti Zoi, Pyriochou Anastasia, et al. Microcurrent stimulation triggers MAPK signaling and TGF-β1 release in fibroblast and osteoblast-like cell lines, 2020, 9(9).

[2] 宁丽珍. 基于磁光晶体的微电流检测及矢量磁场传感[D]. 保定: 河北大学, 2020.

[3] 王选择, 马丹, 陈泽远, 张天, 杨练根.基于二分程控法消失调电压的微电流测量方法[J].仪表技术与传感器, 2019(09): 107-111.

[4] 韩金铎. 可用于电感负载的精密可调恒流源[D]. 保定: 河北大学，2015.

[5] 胡军.一种微电流测量方法的研究[J].国外电子测量技术,2014,33(04):31-35.

[6] 任伟德, 唐丰. 微电流放大器的研制及其应用[J]. 教育与装备研究, 2020, 36(01): 65-69.

[7] Rohini Sarnaik, Renuka Ammanagi, Sujata Byhatti. Microcurrent electrical nerve stimulation in dentistry: A narrative review[J]. Indian Journal of Physical Therapy and Research, 2020, 2(1).

[8] Denny Hermawanto, Kenji Ishikawa, Kohei Yatabe,Yasuhiro Oikawa. Determination of frequency response of MEMS microphone from sound field measurements using optical phase-shifting interferometry method[J]. Applied Acoustics, 2020, 170.

[9] 姜洪海. 经颅微电流刺激仪系统设计[D]. 广州: 广东工业大学, 2015.

[10] 金传喜, 郭立峰, 陆古兵等. 一种nA级精密微电流源[J]. 核动力工程, 2016, 37(6): 117-120.

[11] 刘小虎. 一种多上位机的地震仪采集系统设计[J]. 船电技术, 2018, 38(6): 52-55.

[12] 刘明辉, 金传喜, 陈盼辉等. 用于反应堆仪表现场测试的总线技术研究[J]. 电子测量技术, 2018, (17): 37-41.

Design of a Small Micro-current Measurement Module with High Precision

Yin Shaoxuan, Su Ye, Wang Aohui, He Mengxuan, Liu Minghui

(Naval University of Engineering Nuclear Science and Technology，Wuhan 430033，China)

TM933.1

A

1003-4862（2021）04-0039-04

2020-10-16

殷少轩（2000-），男，本科。研究方向：核反应堆维修与管理。E-mail: 1057704612@qq.com