祁正興,陸小龍,王 越,夏京川,趙世平
(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610065)
SR570輸入/輸出過載分析
祁正興,陸小龍,王 越,夏京川,趙世平
(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610065)
微弱電流信號(hào)測量需求已越來越強(qiáng)烈,SR570是美國SRS公司研制的一款高性能低噪聲電流前置放大器,廣泛應(yīng)用于微弱電流信號(hào)測量領(lǐng)域。針對(duì)該儀器使用過程中,因輸入信號(hào)選擇與參數(shù)設(shè)置不當(dāng)易出現(xiàn)輸入/輸出過載的問題,本文首先對(duì)儀器內(nèi)部電路工作原理進(jìn)行了分析,然后指出了造成儀器輸入/輸出過載警告的原因。并在Proteus 7.0的ISIS Professional環(huán)境下搭建了報(bào)警電路的模型,對(duì)引起輸入/輸出過載的控制信號(hào)的上限值做了定量的分析,仿真結(jié)果表明控制信號(hào)的絕對(duì)值小于6.4 V時(shí),可以有效避免儀器出現(xiàn)過載。這對(duì)儀器使用過程中輸入信號(hào)的選擇與參數(shù)的設(shè)置提供了理論依據(jù)。
微弱電流;SR570;輸入過載;輸出過載
在科研領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域?qū)ξ⑷蹼娏餍盘?hào)測量的需求已越來越強(qiáng)烈[1-3]。所謂微弱電流信號(hào)通常指小于10-6A的電流信號(hào)[4]。目前常用的檢測方法主要有I/V變換法和I/F變換法[5-10]。而測量的手段通常采用窄帶濾波法、雙路消噪法、鎖定接收法、相關(guān)檢測法、取樣積分法、累加平均法以及基于隨機(jī)共振的方法[11-13]。
SR570是美國的SRS(Stanford Research Systems)公司研制的一款高性能低噪聲電流前置放大器,在微弱信號(hào)測量領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。SR570首先利用I/V變換法將輸入的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),然后通過窄帶濾波器濾除噪聲信號(hào),最中輸出放大后的電壓信號(hào)[14]。通常,在使用過程中因輸入信號(hào)選擇與參數(shù)設(shè)置不當(dāng)易于出現(xiàn)輸入/輸出過載的警告,如果儀器長時(shí)間處于過載狀態(tài)將會(huì)燒毀儀器內(nèi)部電路。文中將基于Proteus 7.0仿真軟件對(duì)造成儀器過載的原因進(jìn)行分析。
SR570是一款電流前置放大器,它是將輸入的微弱的電流信號(hào)放大為常用的電壓信號(hào)的高性能集成放大器。其前面板如圖1所示,前面板一共包括12個(gè)功能模塊,分別為輸入 (INPUT)、偏執(zhí)電壓(BIAS VOLTAGE)、偏置電流(INPUT OFFSET)、濾波器截止頻率 (FILTER FREQ)、濾波器類型(FILTER TYPE)、增益選擇(SENSITIVITY)、增益模式(GAIN MODE)、輸出(OUTPUT)、翻轉(zhuǎn)(INVERT)、復(fù)位(FILTER RESET)、電源(POWER)以及狀態(tài)(STATUS)。SR570的特點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)[14]:
1)輸入噪聲低至5 fA/√Hz
2)最大帶寬達(dá)到1 MHz
3)最大增益達(dá)到1 pA/V
4)具有可調(diào)節(jié)輸入偏執(zhí)電壓和偏置電流
5)兩個(gè)可配置的信號(hào)濾波器
6)具有3種增益模式:低噪聲、低漂移以及高帶寬模式
7)具有RS-232接口
圖1 SR570前面板
SR570的內(nèi)部電路原理框圖如圖2所示,可以將整個(gè)儀器的電路分為輸入、濾波,以及輸出3個(gè)模塊。輸入模塊采用超低噪音運(yùn)放AD743(或低輸入失調(diào)電流運(yùn)放AD546),利用I/V轉(zhuǎn)換原理將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào);濾波模塊分為兩級(jí),每一級(jí)都有16個(gè)一階RC濾波器組成,然后由控制器控制兩個(gè)八選一開關(guān)電路74HC4051選擇其中的一路通過,到下一級(jí)電路;最后在輸出模塊輸出放大后的電壓信號(hào)。
圖2 SR570內(nèi)部電路原理框圖
輸入/輸出過載指示燈用于告知儀器操作者儀器的輸入信號(hào)和放大倍數(shù),以及放大模式的選擇是否合適。輸入過載指示燈亮起則表明輸入回路的信號(hào)過大或者說動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備[14-15]過小。只要出現(xiàn)輸入/輸出過載,應(yīng)該立即采用減小放大倍數(shù)、減小輸入信號(hào)或者改變?yōu)楦邘捘J降姆椒▉砀纳七@種狀態(tài)。
1.1 輸入過載分析
分析SR570的內(nèi)部電路,如圖3所示為輸入過載指示燈的電路。
圖3表明輸入過載是由兩路信號(hào)控制的,其中一路信號(hào)是輸入模塊的輸出FRONT_OUT,另一路信號(hào)是輸入的微弱電流信號(hào)經(jīng)AD743(或AD546)利用I/V轉(zhuǎn)換放大后的電壓信號(hào)I/V_OUT。輸出信號(hào)經(jīng)1 kΩ的電阻與二極管IN4148接入芯片LM393的2、5管腳。若FRONT_OUT、I/V_OUT為正電壓,則通過 D405、D407與+6 V的參考電壓進(jìn)行比較;若FRONT_OUT、I/V_OUT為負(fù)電壓,則通過D406、D408與-6 V的參考電壓進(jìn)行比較。兩個(gè)比較器的輸出將會(huì)控制三極管2N3906的導(dǎo)通與關(guān)斷,即當(dāng)LM393的輸入信號(hào)的絕對(duì)值大于6 V時(shí),LM393輸出為低電平,三極管導(dǎo)通,過載指示燈D62將會(huì)亮起。因此,當(dāng)出現(xiàn)輸入過載時(shí),則表明LM393的輸入電壓的絕對(duì)值大于了6 V,此時(shí)要求減小放大倍數(shù)或者選擇合適的增益模式。
1.2 輸出過載分析
如圖4所示,不同于輸入過載電路,SR570的輸出過載是由放大模塊的輸出OUT、第一級(jí)濾波的輸出信號(hào)FILT1_OUT以及經(jīng)LT1028放大的第二級(jí)濾波的輸出信號(hào)FILT2_OUT_AP三路信號(hào)控制的。其中FILT2_OUT_AP信號(hào)表示經(jīng)過第二級(jí)濾波處理之后再經(jīng)運(yùn)放LT1028放大之后的輸出信號(hào)。如圖5所示,第二級(jí)濾波輸出的信號(hào)FILT2_OUT在集成COMS開關(guān)DG444的S1、S2、S3的控制下,分別給運(yùn)放LT1028選擇不同大小的反饋電阻,然后信號(hào)相應(yīng)的會(huì)被放大1、2或5倍輸出。
圖3 輸入過載電路模塊
圖4 輸出過載電路模塊
圖5 FILT2信號(hào)的放大模塊
比較輸入、輸出過載指示的電路,不同之處僅在控制信號(hào)的數(shù)目上,輸入過載電路是由兩路信號(hào)控制的,而輸出過載電路是由三路信號(hào)控制的。與輸入過載相同,只要三路輸入電壓的絕對(duì)值大于6 V,輸出過載指示燈就會(huì)被點(diǎn)亮,表示輸出過載。
在Proteus 7.0的平臺(tái)下,在理想情況下對(duì)輸入/輸出過載進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)分析。參照?qǐng)D2、圖3在ISIS Professional環(huán)境下搭建了相同的電路模型,在控制輸入端分別施加-7 V、-6.5 V、-6.4 V、0 V、+6.4 V、+6.5 V、+7 V的電壓,觀察輸入/輸出過載指示燈是否會(huì)被點(diǎn)亮。實(shí)驗(yàn)情況如表1和表2所示。
由表1和表2得,只要輸入/輸出過載的控制信號(hào)的絕對(duì)值大于6.4 V,對(duì)應(yīng)的輸入/輸出過載指示燈就會(huì)被點(diǎn)亮。因此,在使用過程中,一定要選擇合適的放大倍數(shù),使得相應(yīng)的輸出信號(hào)不超過上限值。
表1 輸入過載仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
表2 輸出過載仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
SR570是一款高性能的電流前置放大器,放大倍數(shù)高達(dá)1 pA/V、輸入噪聲低至5 fA/√Hz、帶寬達(dá)到1 MHz,且能夠補(bǔ)償使用環(huán)境中存在的各種噪聲干擾。本文對(duì)儀器內(nèi)部電路做了詳細(xì)分析,并基于Proteus 7.0仿真軟件對(duì)輸入/輸出過載電路進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明控制信號(hào)的絕對(duì)值小于6.4 V時(shí),可以有效避免儀器出現(xiàn)過載,這對(duì)儀器使用過程中輸入信號(hào)的選擇提供了理論依據(jù)。
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Analysis for input/output overload of SR570
QI Zheng-xing,LU Xiao-long,WANG Yue,XIA Jing-chuan,ZHAO Shi-ping
(College of Manufacturing Science&Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)
The demand for measuring weak current signal is increasing urgently,The SR570 is a highperformance low-noise current preamplifier developed by SRS Inc in USA,and widely used in the field of weak current signal measurement.To solve the input/output overload problems caused by improper input selection and incorrect parameters setting in using process,this paper analyzes the SR570's overall internal circuit firstly,and then reveals the causes of input/output overload problems.Simultaneously,it builds the same circuit models in ISIS Professional environment of Proteus 7.0,makes a quantitative analysis for the input/output control signals,simulation results show that instrument can effectively avoid overload if the absolute value of the control signal is less than 6.4 V.It's provided a theoretical basis of selection proper input and setting correct parameters.
weak current signal;SR570;input overload;output overload
TN722
A
1674-6236(2017)10-0087-04
2016-04-20稿件編號(hào):201604197
祁正興(1991—),女,甘肅武威人,碩士研究生。研究方向:精密測量技術(shù)。