閆靜純，富 帥，蘇浩航，榮 鵬，申一偉

基于nA級(jí)電流信號(hào)的多通道高精度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆靜純，富 帥，蘇浩航，榮 鵬，申一偉

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

在大氣成份和含量探測(cè)的傅里葉變換光譜探測(cè)技術(shù)中，紅外探測(cè)器輸出的電流信號(hào)一般極其微弱。本文針對(duì)電流信號(hào)頻率為kHz級(jí)、電流強(qiáng)度在nA級(jí)的多元型紅外探測(cè)器，通過(guò)分析系統(tǒng)噪聲來(lái)源，選取高精度、低噪聲的精密集成運(yùn)算放大器，合理選取電路參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種多通道微弱電流信號(hào)高精度采集電路。通過(guò)對(duì)電路性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以精確采集到nA級(jí)的1kHz微弱電流信號(hào)，系統(tǒng)的噪聲低，滿足設(shè)計(jì)要求。

微弱電流信號(hào)；高精度；低噪聲；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

0 引言

隨著對(duì)大氣成份和含量的探測(cè)需求越來(lái)越大，要求越來(lái)越高，基于干涉型的傅里葉變換光譜探測(cè)技術(shù)由于具有光通量大、譜段范圍寬、光譜分辨率高等諸多優(yōu)勢(shì)，已成為國(guó)內(nèi)外紅外光譜探測(cè)技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)。

在傅里葉變換光譜探測(cè)技術(shù)[1-2]中，大氣紅外輻射信號(hào)具有信號(hào)幅值低、動(dòng)態(tài)范圍大、探測(cè)精度要求高的特點(diǎn)，對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力、噪聲抑制水平、量化位數(shù)等有很高要求。目前微弱信號(hào)探測(cè)的研究多集中在微弱電壓信號(hào)檢測(cè)，杜沂東[3]、王建宇[4]、李軍雨[5]等針對(duì)微弱電壓信號(hào)的放大電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。李輝[6]等針對(duì)單路信號(hào)帶寬百赫茲以內(nèi)的pA級(jí)微電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。本文針對(duì)電流信號(hào)頻率為kHz級(jí)、電流強(qiáng)度在nA級(jí)的多元型紅外探測(cè)器[7-8]，設(shè)計(jì)了一種多通道微弱電流信號(hào)高精度采集電路，并分析了電路性能，進(jìn)一步完善了微弱電流信號(hào)探測(cè)的研究。

1 采集系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

多通道微弱電流信號(hào)高精度采集電路總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。探測(cè)器輸出的微弱電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)二級(jí)放大濾波將混雜在電壓信號(hào)中的高頻噪聲進(jìn)行濾波去除，并將有效信號(hào)放大到AD器件的最大輸入范圍，后經(jīng)過(guò)A/D器件進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后生成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，再傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理部分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理編排，最后上傳到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。

為了擴(kuò)大電路的動(dòng)態(tài)范圍，模擬部分均采用高壓供電芯片，且均為正負(fù)雙電源供電，以保證零點(diǎn)附近的信號(hào)可有效采集，并能降低電源噪聲。

圖1 微弱電流信號(hào)采集系統(tǒng)的總體方案

2 電路分析設(shè)計(jì)

2.1 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

電流-電壓轉(zhuǎn)換電路（即轉(zhuǎn)換電路）是將待采集的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換并放大到一個(gè)較大的電壓信號(hào)，后續(xù)系統(tǒng)再對(duì)此電壓信號(hào)進(jìn)行濾波放大采集處理。由于探測(cè)器輸出的電流信號(hào)非常微弱，極易受到噪聲的干擾，此環(huán)節(jié)的噪聲水平直接影響了整個(gè)采集系統(tǒng)，所以需要進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì)。

1）方案選取

電流電壓轉(zhuǎn)換電路[9]一般有兩種。一種如圖2(a)所示，電阻s作為采樣電阻，直接與探測(cè)器輸出相連，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，然后再通過(guò)放大電路進(jìn)行二次放大。

此電路中采樣電阻承擔(dān)電流電壓轉(zhuǎn)換的任務(wù)，但實(shí)際上有效的電阻是s與探測(cè)器內(nèi)阻d的并聯(lián)值，此時(shí)需要探測(cè)器內(nèi)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采樣電阻s。在微弱信號(hào)采集系統(tǒng)中，有效電阻需要很大，至少為MΩ級(jí)，但探測(cè)器內(nèi)阻很少能達(dá)到很高的阻值，故此方法不適用于nA級(jí)微弱電流信號(hào)采集。

另一種是利用高輸入阻抗運(yùn)放的跨阻放大電路，如圖2(b)所示，由于運(yùn)放的輸入阻抗很高，輸入運(yùn)放的電流幾乎為0，電流基本都會(huì)流過(guò)反饋電阻F，實(shí)現(xiàn)輸出電壓信號(hào)o＝p×F。這個(gè)電路可以將微弱的電流信號(hào)精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。

2）器件選擇

電流電壓轉(zhuǎn)換的典型電路如圖3所示，該電路主要包括4種噪聲源：運(yùn)放電壓噪聲密度、運(yùn)放電流噪聲密度、反饋電阻的熱噪聲以及探測(cè)器體電阻的熱噪聲。若想獲得低噪聲電路需要降低這4種噪聲。

圖3 典型IV轉(zhuǎn)換電路原理圖

在選擇運(yùn)放時(shí)，選用低電壓噪聲密度、低電流噪聲密度、低偏置電流、低溫漂的高精度運(yùn)放，從而降低運(yùn)放的噪聲。本文選用的精密運(yùn)放的電壓噪聲密度為1.8nV/rtHz，電流噪聲密度為1.2pA/rtHz，輸入偏置電流僅為5pA，且溫度特性良好（＜1mV/℃）。供電電壓最大為±15V，且為小封裝，可節(jié)省電路板面積。

在選擇反饋電阻時(shí)，由于轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓o＝P×F，反饋電阻F直接影響著輸出電壓的幅值。在微弱電流采集系統(tǒng)里，為了得到大轉(zhuǎn)換增益，反饋電阻應(yīng)盡量大，以便放大到適合后端AD的輸入電壓范圍。但電阻會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，熱噪聲n2＝4bW，以V2/Hz為單位，其中n是噪聲電壓；b是玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10－23J/K；是溫度，K；是電阻；W是帶寬。當(dāng)電阻阻值越大，熱噪聲越大。故需要在電壓放大及熱噪聲大小之間折中處理，且需要選擇低溫漂低噪聲的高精度電阻。

政治經(jīng)濟(jì)學(xué)批判視域中法與市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)內(nèi)生關(guān)系的生成——兼論社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的法治向度 …………………………………………………… 王 程（3．61）

在選取反饋電容時(shí)，由于轉(zhuǎn)換電路負(fù)端直接與探測(cè)器輸出相連，探測(cè)器的輸出電容、布線的分布電容以及運(yùn)放負(fù)端的電容會(huì)與反饋電阻引起輸出電壓相位滯后，并且過(guò)大的反饋電阻還會(huì)造成運(yùn)算放大器的不穩(wěn)定。加入反饋電容后，會(huì)對(duì)電路進(jìn)行一個(gè)相位補(bǔ)償，并會(huì)使電路更加穩(wěn)定，還可以降低反饋電阻上的等效噪聲帶寬，起到抑制電路噪聲的作用。

3）抗干擾設(shè)計(jì)

由于微弱電流信號(hào)的放大電路前端更容易拾取干擾，會(huì)引入很多噪聲，影響輸出信號(hào)的質(zhì)量，所以在實(shí)際電路中需要做更多的抗干擾屏蔽措施。

在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)換電路輸入端信號(hào)走線盡量短，且在中間層走線，在信號(hào)線的上下參考層均設(shè)計(jì)為地參考層，起到屏蔽干擾的作用，減少運(yùn)放前端引入的干擾。

采用等電位的漏電流噪聲抑制技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行屏蔽保護(hù)，即在敏感引腳外圍設(shè)置保護(hù)環(huán)，且保護(hù)環(huán)的偏置電壓與敏感引腳相同，這樣漏電流就會(huì)通過(guò)保護(hù)環(huán)流向模擬地，因而不會(huì)對(duì)輸入產(chǎn)生干擾，降低轉(zhuǎn)換電路外部波動(dòng)電壓經(jīng)電路板引入的微小電流波動(dòng)，從而提高系統(tǒng)的電流分辨力。并在每片芯片的電源管腳處添加濾波電容，以減少電源噪聲的影響。

2.2 二級(jí)放大濾波及高精度AD數(shù)據(jù)采集

由于待采集的電流信號(hào)非常微弱，所以整個(gè)采集系統(tǒng)的總增益是非常大的，而單個(gè)運(yùn)放增益又不宜過(guò)大，所以系統(tǒng)采用二級(jí)放大的方式，放大濾波[9]電路如圖4所示。根據(jù)系統(tǒng)要求，二級(jí)放大倍數(shù)為1000倍。該環(huán)節(jié)主要根據(jù)系統(tǒng)帶寬設(shè)定電路參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)帶通濾波，濾除帶外噪聲，保證系統(tǒng)信噪比。

圖4 放大濾波電路

設(shè)計(jì)多通道高精度信號(hào)同步采集系統(tǒng)，必須對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC: analog-to-digital conversion），且選擇多通道器件。本文選用的是8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，量化位數(shù)為16bits，可支持8通道同步采樣。供電電壓最大為＋15V，差分輸入電壓范圍：±20.48V（最大值），電壓范圍大，有利于提高動(dòng)態(tài)范圍；片內(nèi)具有采樣保持功能，滿足同步采集的要求。

其芯片功能框圖如圖5所示。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換器件功能框圖

3 系統(tǒng)性能分析測(cè)試

3.1 交流傳輸特性分析

為了更好地分析系統(tǒng)的交流傳輸特性，使用Multisim14.1對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，圖6所示為電流電壓轉(zhuǎn)換電路中F分別為100MΩ、10MΩ、1MΩ，反饋電容C＝0pF的情況下得到的采集系統(tǒng)交流傳輸特性曲線。從圖中可以看出，在一定頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求將電流放大，但隨著頻率升高，由于運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益的限制使得放大倍數(shù)在某一頻率c開(kāi)始下降。

從圖6中可以看到在c附近有個(gè)尖峰，這是由于運(yùn)放的輸入端寄生電容與反饋電阻在傳遞函數(shù)中構(gòu)成極點(diǎn)，導(dǎo)致頻率特性發(fā)生變化，影響放大電路的穩(wěn)定性。

通常采用相位補(bǔ)償?shù)姆椒?，在反饋電阻F兩端并聯(lián)一個(gè)小電容F，構(gòu)成零點(diǎn)使得相位超前來(lái)補(bǔ)償輸入端寄生電容所帶來(lái)的相位變化。

選擇F＝1MΩ并在其兩端并聯(lián)不同的反饋電容F（0pF、1pF、5pF、10pF），得到仿真結(jié)果如圖7所示。從仿真圖中可以看出，只需要很小的電容量就會(huì)對(duì)頻率特性產(chǎn)生很大影響。電容越大，－3dB帶寬越小。根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇1pF反饋電容。

圖6 不同反饋電阻下的系統(tǒng)交流傳輸特性

圖7 不同反饋電容下的系統(tǒng)交流傳輸特性

3.2 輸入輸出信號(hào)測(cè)試

本文實(shí)驗(yàn)中采用信號(hào)源與電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的方式產(chǎn)生微弱電流信號(hào)來(lái)初步驗(yàn)證采集系統(tǒng)的性能，具體方案是：信號(hào)發(fā)生器輸出正弦電壓信號(hào)，經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)后，產(chǎn)生待測(cè)的微弱正弦電流信號(hào)（電流信號(hào)幅值為4nA、頻率為1kHz），經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，二級(jí)放大，AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)合成后，在圖采接收端采集到的raw格式圖像如圖8所示?？梢钥闯觯杉到y(tǒng)可以準(zhǔn)確的采集到1kHz的nA級(jí)微弱電流信號(hào)。

3.3 采集系統(tǒng)的噪聲測(cè)試：

為驗(yàn)證采集系統(tǒng)電路的噪聲性能，在不加探測(cè)器的情況下對(duì)整個(gè)采集系統(tǒng)的噪聲進(jìn)行了測(cè)試。將采集系統(tǒng)的最前級(jí)即轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接器使用銅箔紙屏蔽起來(lái)，防止引入干擾，采集經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，二級(jí)放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)合成后的數(shù)據(jù)，對(duì)上位機(jī)圖采設(shè)備采集后的raw格式圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差即整個(gè)采集系統(tǒng)的電路噪聲。圖9所示為系統(tǒng)的放大倍數(shù)為109時(shí)，上位機(jī)圖采設(shè)備采集到的48通道噪聲情況，其中橫坐標(biāo)表示系統(tǒng)的48路通道，縱坐標(biāo)表示采集到的電路噪聲。從圖中可看出電路噪聲為30mV左右。

3.4 加探測(cè)器的干涉信號(hào)測(cè)試

在對(duì)采集系統(tǒng)電路進(jìn)行了充分的輸入輸出信號(hào)測(cè)試及噪聲測(cè)試后，加上電流型探測(cè)器，并配上前置光學(xué)系統(tǒng)及高靈敏度干涉儀系統(tǒng)，進(jìn)行了紅外輻射干涉信號(hào)的采集。圖10為黑體輻射源溫度為300K時(shí)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電流電壓轉(zhuǎn)換后測(cè)得的干涉信號(hào)波形圖。從測(cè)得的波形分析，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以正確地探測(cè)到紅外輻射干涉信號(hào)。

圖8 接收端采集到的1kHz信號(hào)

圖9 48通道噪聲情況

圖10 干涉信號(hào)波形圖

4 結(jié)論

本文利用低噪聲的高精度運(yùn)放、高分辨率的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，合理選擇電路參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種多通道微弱電流信號(hào)高精度采集電路，并進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)電路性能進(jìn)行分析，可知該電路可以精確采集到nA級(jí)的1kHz微弱電流信號(hào)，系統(tǒng)的噪聲低，滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)微弱電流信號(hào)探測(cè)電路設(shè)計(jì)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

[1] 董欣, 徐彭梅, 侯立周. 大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].航天返回與遙感, 2018, 39(3): 29-37.

DONG Xin, XU Pengmei, HOU Lizhou. Design and Implementation of Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder[J]., 2018, 39(3): 29-37.

[2] Griffiths P R, De Haseth J A.[M]. New Jersey: John Wiley & Sons. Inc., 2007: 161-175.

[3] 杜沂東. 低噪聲微弱信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù), 2018(5): 115-120.

DU Yidong. Design of low noise and weak signal amplification circuit[J]., 2018(5): 115-120.

[4] 王建宇. 微弱信號(hào)高精度線性放大電路的設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2014, 22(22): 94-96.

WANG Jianyu. The design of weak signal high-precision linear amplifiler circuit[J]., 2014, 22(22): 94-96.

[5] 李軍雨, 吳晗平, 呂照順, 等.基于FPGA的紫外通信微弱信號(hào)放大器設(shè)計(jì)[J]. 激光與紅外, 2014, 44(10): 1143-1148.

LI Junyu, WU Hanping, LV Zhaoshun, et al. Design on weak signal amplifier of UV communication based on FPGA[J].2014, 44(10): 1143-1148.

[6] 李輝, 劉鯤. 一種pA級(jí)高性能微電流檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)量技術(shù), 2014(6): 10-13.

LI Hui, LIU Kun. Design of pA level high performance micro current detection system[J]., 2014(6): 10-13.

[7] 邵秀梅, 龔海梅, 李雪, 等. 高性能短波紅外InGaAs焦平面探測(cè)器研究進(jìn)展[J]. 紅外技術(shù), 2016, 38(8): 629-635.

SHAO Xiumei, GONG Haimei, LI Xue, et, al. Developments of High Performance Short-wave Infrared InGaAs Focal Plane Detectors[J]., 2016, 38(8): 629-635.

[8] 王成剛, 東海杰, 劉澤巍, 等. “高分五號(hào)”衛(wèi)星多譜段集成TDI 線列紅外探測(cè)器[J]. 航天返回與遙感, 2018, 39(3): 80-84.

WANG Chenggang, DONG Haijie, LIU Zewei, et al. Development of Multispectral TDI Linear Infrared Detector for GF-5 Satellite[J]., 2018, 39(3): 80-84.

[9] 嚴(yán)明, 李剛, 郭明安. 微電流信號(hào)的高帶寬調(diào)理技術(shù)及應(yīng)用[J]. 電子學(xué)報(bào), 2017, 45(9): 2292-2295.

YAN Ming, LI Gang, GUO Mingan, et al. High Bandwidth Signal Modulation Technique for Micro Current Signal[J]., 2017, 45(9): 2292-2295.

[10] 李旭輝, 吳晗平, 李軍雨, 等. 近地層紫外動(dòng)態(tài)目標(biāo)探測(cè)微弱信號(hào)放大器設(shè)計(jì)[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(6): 471-474.

LI Xuhui, WU Hanping, LI Junyu, et al. Design of Weak Signal Amplifier for UV Dynamic Target Detection in the Surface Layer[J]., 2014, 36(6): 471-474.

Design of Multi-channel High Precision Data Acquisition System Based on nA Level Current Signal

YAN Jingchun，F(xiàn)U Shuai，SU Haohang，RONG Peng，SHEN Yiwei

(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)

In the Fourier transform spectrum detection technology of atmospheric composition and content detection, the output current signal of infrared detector is generally very weak. In this paper, a multi-channel weak current signal high-precision acquisition circuit is designed by analyzing the source of system noise, using high-precision and low-noise integrated operational amplifier, and reasonably selecting circuit parameters. An analysis of the circuit performance shows that the system can accurately acquire the nA level 1kHz current signal, and meet the requirements of weak signal detection.

weak signal, high-precision, low noise, data acquisition system

TN23

A

1001-8891(2021)05-0417-05

2020-08-26；

2020-12-25.

閆靜純（1986-），女，河北衡水人，工程師，主要從事空間紅外視頻電子學(xué)方面的研究工作。E-mail: yanjingchun_12@163.com。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFB0500703）。