基于电流频率变换法的微弱电流测量电路

赵 旭倪 宁张庆贤高 飞胡 倩

1（成都理工大学地学核技术四川省重点实验室 成都 610059）

2（中国原子能科学研究院核技术综合所 北京 102413）

通常将nA量级以下的电流称为微弱电流。在核技术应用［1］、电离辐射探测［2−3］、航空航天［4］、新型材料等领域经常需要开展微弱电流信号的测量，而微弱电流测量电路的性能在很大程度上决定仪器灵敏度和分辨率［5］。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［6］，不仅会产生测量误差，还有可能致使测量无法进行。此外，上述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的微弱电流范围为10−15~10−8A［7］。此外，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性和体积有一定要求，这就导致广泛使用的基于大体积高值电阻的I-V（电流-电压）变换法无法使用。针对基于高值电阻的I-V变换微弱电流测量电路体积大、湿度敏感度高、高绝缘继电器工作温度范围较小的问题［8］，本文为辐射防护场所监测高气压电离室型剂量仪设计了一种采用电容积分方式，通过积分电路、复位电路和逻辑电路将待测微弱电流转换为数字脉冲频率信号的小体积、宽量程、高精度微弱电流测量电路。

1 测量电路工作原理

基于I-F变换法的微弱电流测量电路示意图如图1所示。待测微弱电流信号（电荷）Iin经电流积分器的反馈电容Cf收集并转换为电压信号Vout输出，输出电压信号Vout的幅值正比于反馈电容Cf收集到的电荷总量，电流积分器输出电压随电荷累积输出电压不断增加，将电压信号同时输入至由两个高速比较器构成的阈值甄别电路，两路高速比较器触发阈值分别为下电压阈值（Lower Voltage Threshold，VTHL）和上电压阈值（Upper Voltage Threshold，VTHH），当积分器输出电压Vout超过电路阈值时输出为高电平，低于阈值时输出为低电平，两路阈值甄别电路输出逻辑信号输入至复位逻辑电路，该复位逻辑电路的功能为当上下阈值电路输出均为高电平时，即积分器输出电压均高于甄别电路的上下阈值的瞬间触发复位端口输出高电平，使得积分复位电路打开并输出复位电流IReset复合积分器中收集电荷，当上下阈值电路均输出为低电平时复位端口输出低电平，即复位电路输出使得积分器输出电压同时低于甄别电路的上下阈值的瞬间关闭积分复位电路复位电流输出。复位逻辑电路向积分复位电路输出复位触发信号的同时向单稳态触发电路输出触发信号，单稳态电路输出固定宽度（μs量级）的数字电平逻辑脉冲信号。测量电路通过不断重复上述积分复位过程，从而可以得到正比于输入微弱电流信号的脉冲频率信号。由脉冲计数器、微控制器及显示器等组成的信号采集与处理系统完成脉冲频率信号采集与处理，可以得到两个脉冲间的时间间隔（T）或单位时间脉冲计数（n）。通过使用标准电流源建立T或n与输入标准微弱电流源的关系完成电路的刻度。

图1 基于I-F变换法的微弱电流测量电路示意图Fig.1 Schematic diagram of weak current measurement circuit based on I-F transformation method

若积分的时间为t1，复位用时为t2，则T=t1+t2=1/n。t1和t2可以分别由式（1）和式（2）得到：

式中：t1是积分时间；t2是复位时间；Cf是积分电容；ΔV是上下阈值电压差；Iin是待测电流信号；IReset是复位电流。

若复位电流远大于输入电流时，t2为固定值，且t1远大于t2，两个脉冲的T可以近似等于t1。则此时待测量微弱电流信号Iin的值可以由式（3）得到：

即由统计单位时间内的脉冲计数n或两个脉冲间的时间间隔T便可通过公式计算得到待测量微弱电流值Iin。

2 测量电路的设计

2.1 电流积分器

电流积分器由低偏置电流高速精密运算放大器、电容基于运算放大器的深度负反馈结构构成。精密运算放大器选型主要考虑低偏置电流、高单位增益带宽和高压摆率指标，其中低偏置电流往往伴随更低输入电流噪声，可以实现更低的测量下限与分辨力，单位增益带宽和压摆率可以实现更快的积分速率即更高的测量上限，一般选用JFET输入级或CMOS工艺的运算放大器，在此电路中运算放大器U1采用的型号为lmp7721，偏置电流IBias<±20 fA，单位增益带宽乘积（Gain Bandwidth Product，GBW）为17 MHz，压摆率为12.76 V∙μs−1［9］；电容Cf作为反馈积分电容应具有高绝缘电阻（Rinsulation＞1014Ω）、高品质因素（Q＞0.99）、低损耗角（D＜0.01）的特征，在此选用聚苯乙烯电容，容值可选范围为12~100 pF，当需要更高的灵敏度时优先选用更低容值的电容，本电路的典型电容容值为33 pF。此外，积分电容的温湿度特性也是影响电路测量精度的关键因素，更低的温度漂移会带来更高的测量精度，此处选择的聚苯乙烯电容具有1.5×10−4℃−1的低温漂特性，电容温度每摄氏度变化带来的参数漂移小于5 fF，根据式（3）可得对微弱电流信号测量引入的相对误差小于万分之二，而对于湿度特性，在完成湿度循环后聚苯乙烯电容仍具有大于50 GΩ的大绝缘电阻，相较于高值电阻（R>1 GΩ）随着湿度增大阻值明显下降，电容具有显著的优势，对电路精度影响较小；电阻R7阻值为1 MΩ，作为运算放大器的限流保护电阻。

为了降低电路输入端的漏电流，采用等电位屏蔽环设计降低输入端绝缘材料的电压差，采用ROGERS 4350高频陶瓷印制电路板代替环氧树脂印制电路板［10］，有效提升绝缘电阻的同时降低湿度对电路板绝缘电阻的影响。此外，电路的表面污染和环境湿度导致的电化学现象也是产生漏电流的重要影响因素。为降低漏电流对积分电路影响，进一步提高测量下限。利用高纯度溶剂和超声波清洗机对电路板进行清洁和处理，消除表面污染物［11］。积分电路清洁干燥后，置于金属屏蔽盒内，使用硅橡胶做气密处理进一步降低环境湿度对电路板表面绝缘电阻性能影响。

2.2 甄别电路

甄别电路由双路高速比较器和电阻R1~R6组成的两路迟滞比较器电路构成，其中双路比较器采用MAX991EUB芯片，电阻R1、R4为1%的15 kΩ电阻，R2、R5为1%的8.2 kΩ电阻，R3、R6为1%的1.2 MΩ电阻，VTHL和VTHH可以根据灵敏度进行调节，VTHL和VTHH典型值分别为100 mV和300 mV。

2.3 复位触发逻辑电路

复位触发逻辑电路由74LS74芯片U3构成，其中U2A输出接U3芯片的3引脚，U2B的输出接U3芯片的1引脚，2、4引脚接逻辑高电平，其实现的逻辑时序如图2所示。

图2 复位触发器逻辑电路时序图Fig.2 Reset flip-flop logic circuit timing diagram

复位触发逻辑电路将触发信号输出至积分复位电路的同时也将其输出至单稳态触发器，图3为由或非逻辑芯片74LS02构成的单稳态触发器，经单稳态电路整形后输出为脉冲宽度约1μs的数字电平脉冲信号。

图3 单稳态触发器电路Fig.3 Monostableflip-flop circuit

2.4 积分复位电路

积分复位电路由二极管、限流电阻和复位电源开关构成，如图4所示，其中复位电源开关采用模拟开关芯片ADG419；二极管D1采用双低反向偏置泄漏电流二极管，采用的型号为BAV199，也可以使用两个相同类型的JFET型和MOS型场效应管作为二极管代替使用；双二极管并联后和限流电阻R10串联，限流电阻采用的阻值为1 MΩ，二极管和限流电阻串联后二极管的一侧与积分器的输入端连接，电阻一侧与复位电源输出端连接；D1和D2分别用于不同极性的复位电流；复位电流电路停止时复位电源输出为零电位，复位电流大小IReset约（VReset−VDiode）/R10，其中VReset为复位电压，VDiode为二极管导通时电压约0.7 V，VReset可以根据输入电流极性选择相反的极性，为降低复位时间的影响一般复位电流设置值约为1μA。

图4 基于二极管的复位电流电路Fig.4 Reset current circuit based on diode

2.5 信号采集与处理系统

采集处理系统的脉冲计数器可以由单片机的外部计数功能实现，如采用STM32F103RCT 32位微控制器时，可以采用其TIM8-ETR引脚完成计数功能，通过采集固定时间内脉冲个数n，既可以通过式（3）完成输入电流值的计算；亦可以通过标准微弱电流源直接对电路进行刻度，由标准电流值和计数率之间的线性关系得到电路的参数。

3 测试结果与讨论

3.1 标准电流源测试

使用Keithley 6430［12］作为标准电流源，以本文设计的微弱电流测量电路作为测量设备，测量电流源表的输出电流，完成测量电路灵敏度因子刻度。根据电离室探测器输出的电流信号与辐射剂量率成正比的关系［13］，和此型探测器对X、γ射线周围剂量当量H*（10）剂量率测量的设计指标要求（0.1μSv·h−1~10 mSv·h−1），计算得到待测电流范围为0.1 pA~10 nA。

在上述电流范围内选择合适的测试点，在实验室环境温度为25.4℃、湿度为54%RH的条件下，得到灵敏度因子刻度曲线如图5所示，将灵敏度因子引入计算得到电流值测量结果如表1所示。

图5 灵敏度因子刻度曲线Fig.5 Calibration curve of sensitivity factor

表1 Keithley 6430源表测量结果Table 1 Keithley 6430 source meter measurement results

由图5灵敏度因子刻度拟合曲线可知，测量电路在10−13~10−8A量程范围内电路读出计数率与输入电流设置值相关系数R2>0.999，电路非线性较好，可作为此测量电路在该量程范围内计数率到电流值转换的刻度因子。由表1结果可知，测量电路在有效量程范围内，相对误差值均小于3%，在中高量程的相对误差小于1%，一致性较高，在低量程由于输入电流信号较小，受漏电流、电磁干扰等因素影响比例增大，信噪比降低，相对误差增大［14］，符合预期结果。以上测试结果表明，此测量电路可完成对10−13~10−8A量程范围微弱电流测量。

3.2 参考辐射测试

将本设计的测量电路内置于金属屏蔽盒内减小外界环境干扰，并连接由中国原子能科学院研制的场所监测用高气压电离室探测器，置于国防科技工业电离辐射一级计量站的放射源137Cs标准辐照场，选择符合探测器剂量率设计指标范围内的测试点，在实验室环境温度为25.1℃、湿度为49%RH条件下，对其进行γ射线的输出响应测试。测试结果如表2所示。

表2 γ射线输出响应测试结果Table2 Gamma ray output responsetest results

从表2可以看出，电路测量相对误差在量程内普遍优于5%，最大相对误差5.9%。考虑电离室探测器自身特性、实验平台定位误差以及大体积探测器对参考辐射的散射影响等因素可能会给测量结果引入1%~2%的误差。同时考虑到漏电流、电子噪声等干扰因素，电路的低量程测试结果与约定真值之间存在一定的相对误差，测量结果符合预期，远小于参 考 标 准JJG 393—2018［15］对 计 量 性 能 要 求 的−15%~+22%，满足场所监测使用要求，可实现X、γ射线周围剂量当量H*（10）监测。

4 结语

本文研制了一种基于电流-频率变换法的微弱电流测量电路，该电路通过电容容值、时间测量的方式计算得到待测微弱电流值，利用电流至频率（计数率或时间）的转换，避免额外量程切换电路即可实现6个量级的宽范围测量，具有测量精度好、体积小、温湿度敏感性低、无须量程切换的特点。根据测试结果，该电路可以用于辐射防护场所监测用的高气压电离室型探测器，满足对X、γ射线周围剂量当量H*（10）剂量率测量指标要求。

作者贡献声明赵旭负责文章的起草及最终版本修订；倪宁负责研究的提出、设计及文章的审阅；张庆贤提供了技术支持和研究经费；高飞提供了实验室和实验设备；胡倩负责资料的搜集及整理。