趙 旭倪 寧張慶賢高 飛胡 倩

1（成都理工大學(xué)地學(xué)核技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610059）

2（中國(guó)原子能科學(xué)研究院核技術(shù)綜合所 北京 102413）

通常將nA量級(jí)以下的電流稱為微弱電流。在核技術(shù)應(yīng)用［1］、電離輻射探測(cè)［2?3］、航空航天［4］、新型材料等領(lǐng)域經(jīng)常需要開(kāi)展微弱電流信號(hào)的測(cè)量，而微弱電流測(cè)量電路的性能在很大程度上決定儀器靈敏度和分辨率［5］。微弱電流測(cè)量的難點(diǎn)在于待測(cè)信號(hào)幅度小且極易受到各類干擾源（電子學(xué)噪聲、機(jī)械振動(dòng)的摩擦電效應(yīng)、外界電磁場(chǎng)、電化學(xué)效應(yīng)等）影響［6］，不僅會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，還有可能致使測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。此外，上述應(yīng)用領(lǐng)域的測(cè)量任務(wù)中待測(cè)微弱電流信號(hào)范圍經(jīng)?？缭蕉鄠€(gè)數(shù)量級(jí)，如電離輻射探測(cè)中通常需要測(cè)量的微弱電流范圍為10?15~10?8A［7］。此外，有時(shí)因?yàn)閼?yīng)用環(huán)境（溫度、濕度）與應(yīng)用場(chǎng)景需求（小空間）的差異對(duì)電路環(huán)境適應(yīng)性和體積有一定要求，這就導(dǎo)致廣泛使用的基于大體積高值電阻的I-V（電流-電壓）變換法無(wú)法使用。針對(duì)基于高值電阻的I-V變換微弱電流測(cè)量電路體積大、濕度敏感度高、高絕緣繼電器工作溫度范圍較小的問(wèn)題［8］，本文為輻射防護(hù)場(chǎng)所監(jiān)測(cè)高氣壓電離室型劑量?jī)x設(shè)計(jì)了一種采用電容積分方式，通過(guò)積分電路、復(fù)位電路和邏輯電路將待測(cè)微弱電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖頻率信號(hào)的小體積、寬量程、高精度微弱電流測(cè)量電路。

1 測(cè)量電路工作原理

基于I-F變換法的微弱電流測(cè)量電路示意圖如圖1所示。待測(cè)微弱電流信號(hào)（電荷）Iin經(jīng)電流積分器的反饋電容Cf收集并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Vout輸出，輸出電壓信號(hào)Vout的幅值正比于反饋電容Cf收集到的電荷總量，電流積分器輸出電壓隨電荷累積輸出電壓不斷增加，將電壓信號(hào)同時(shí)輸入至由兩個(gè)高速比較器構(gòu)成的閾值甄別電路，兩路高速比較器觸發(fā)閾值分別為下電壓閾值（Lower Voltage Threshold，VTHL）和上電壓閾值（Upper Voltage Threshold，VTHH），當(dāng)積分器輸出電壓Vout超過(guò)電路閾值時(shí)輸出為高電平，低于閾值時(shí)輸出為低電平，兩路閾值甄別電路輸出邏輯信號(hào)輸入至復(fù)位邏輯電路，該復(fù)位邏輯電路的功能為當(dāng)上下閾值電路輸出均為高電平時(shí)，即積分器輸出電壓均高于甄別電路的上下閾值的瞬間觸發(fā)復(fù)位端口輸出高電平，使得積分復(fù)位電路打開(kāi)并輸出復(fù)位電流IReset復(fù)合積分器中收集電荷，當(dāng)上下閾值電路均輸出為低電平時(shí)復(fù)位端口輸出低電平，即復(fù)位電路輸出使得積分器輸出電壓同時(shí)低于甄別電路的上下閾值的瞬間關(guān)閉積分復(fù)位電路復(fù)位電流輸出。復(fù)位邏輯電路向積分復(fù)位電路輸出復(fù)位觸發(fā)信號(hào)的同時(shí)向單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路輸出觸發(fā)信號(hào)，單穩(wěn)態(tài)電路輸出固定寬度（μs量級(jí)）的數(shù)字電平邏輯脈沖信號(hào)。測(cè)量電路通過(guò)不斷重復(fù)上述積分復(fù)位過(guò)程，從而可以得到正比于輸入微弱電流信號(hào)的脈沖頻率信號(hào)。由脈沖計(jì)數(shù)器、微控制器及顯示器等組成的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)完成脈沖頻率信號(hào)采集與處理，可以得到兩個(gè)脈沖間的時(shí)間間隔（T）或單位時(shí)間脈沖計(jì)數(shù)（n）。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)電流源建立T或n與輸入標(biāo)準(zhǔn)微弱電流源的關(guān)系完成電路的刻度。

圖1 基于I-F變換法的微弱電流測(cè)量電路示意圖Fig.1 Schematic diagram of weak current measurement circuit based on I-F transformation method

若積分的時(shí)間為t1，復(fù)位用時(shí)為t2，則T=t1+t2=1/n。t1和t2可以分別由式（1）和式（2）得到：

式中：t1是積分時(shí)間；t2是復(fù)位時(shí)間；Cf是積分電容；ΔV是上下閾值電壓差；Iin是待測(cè)電流信號(hào)；IReset是復(fù)位電流。

若復(fù)位電流遠(yuǎn)大于輸入電流時(shí)，t2為固定值，且t1遠(yuǎn)大于t2，兩個(gè)脈沖的T可以近似等于t1。則此時(shí)待測(cè)量微弱電流信號(hào)Iin的值可以由式（3）得到：

即由統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)n或兩個(gè)脈沖間的時(shí)間間隔T便可通過(guò)公式計(jì)算得到待測(cè)量微弱電流值Iin。

2 測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

2.1 電流積分器

電流積分器由低偏置電流高速精密運(yùn)算放大器、電容基于運(yùn)算放大器的深度負(fù)反饋結(jié)構(gòu)構(gòu)成。精密運(yùn)算放大器選型主要考慮低偏置電流、高單位增益帶寬和高壓擺率指標(biāo)，其中低偏置電流往往伴隨更低輸入電流噪聲，可以實(shí)現(xiàn)更低的測(cè)量下限與分辨力，單位增益帶寬和壓擺率可以實(shí)現(xiàn)更快的積分速率即更高的測(cè)量上限，一般選用JFET輸入級(jí)或CMOS工藝的運(yùn)算放大器，在此電路中運(yùn)算放大器U1采用的型號(hào)為lmp7721，偏置電流IBias<±20 fA，單位增益帶寬乘積（Gain Bandwidth Product，GBW）為17 MHz，壓擺率為12.76 V?μs?1［9］；電容Cf作為反饋積分電容應(yīng)具有高絕緣電阻（Rinsulation＞1014Ω）、高品質(zhì)因素（Q＞0.99）、低損耗角（D＜0.01）的特征，在此選用聚苯乙烯電容，容值可選范圍為12~100 pF，當(dāng)需要更高的靈敏度時(shí)優(yōu)先選用更低容值的電容，本電路的典型電容容值為33 pF。此外，積分電容的溫濕度特性也是影響電路測(cè)量精度的關(guān)鍵因素，更低的溫度漂移會(huì)帶來(lái)更高的測(cè)量精度，此處選擇的聚苯乙烯電容具有1.5×10?4℃?1的低溫漂特性，電容溫度每攝氏度變化帶來(lái)的參數(shù)漂移小于5 fF，根據(jù)式（3）可得對(duì)微弱電流信號(hào)測(cè)量引入的相對(duì)誤差小于萬(wàn)分之二，而對(duì)于濕度特性，在完成濕度循環(huán)后聚苯乙烯電容仍具有大于50 GΩ的大絕緣電阻，相較于高值電阻（R>1 GΩ）隨著濕度增大阻值明顯下降，電容具有顯著的優(yōu)勢(shì)，對(duì)電路精度影響較?。浑娮鑂7阻值為1 MΩ，作為運(yùn)算放大器的限流保護(hù)電阻。

為了降低電路輸入端的漏電流，采用等電位屏蔽環(huán)設(shè)計(jì)降低輸入端絕緣材料的電壓差，采用ROGERS 4350高頻陶瓷印制電路板代替環(huán)氧樹(shù)脂印制電路板［10］，有效提升絕緣電阻的同時(shí)降低濕度對(duì)電路板絕緣電阻的影響。此外，電路的表面污染和環(huán)境濕度導(dǎo)致的電化學(xué)現(xiàn)象也是產(chǎn)生漏電流的重要影響因素。為降低漏電流對(duì)積分電路影響，進(jìn)一步提高測(cè)量下限。利用高純度溶劑和超聲波清洗機(jī)對(duì)電路板進(jìn)行清潔和處理，消除表面污染物［11］。積分電路清潔干燥后，置于金屬屏蔽盒內(nèi)，使用硅橡膠做氣密處理進(jìn)一步降低環(huán)境濕度對(duì)電路板表面絕緣電阻性能影響。

2.2 甄別電路

甄別電路由雙路高速比較器和電阻R1~R6組成的兩路遲滯比較器電路構(gòu)成，其中雙路比較器采用MAX991EUB芯片，電阻R1、R4為1%的15 kΩ電阻，R2、R5為1%的8.2 kΩ電阻，R3、R6為1%的1.2 MΩ電阻，VTHL和VTHH可以根據(jù)靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，VTHL和VTHH典型值分別為100 mV和300 mV。

2.3 復(fù)位觸發(fā)邏輯電路

復(fù)位觸發(fā)邏輯電路由74LS74芯片U3構(gòu)成，其中U2A輸出接U3芯片的3引腳，U2B的輸出接U3芯片的1引腳，2、4引腳接邏輯高電平，其實(shí)現(xiàn)的邏輯時(shí)序如圖2所示。

圖2 復(fù)位觸發(fā)器邏輯電路時(shí)序圖Fig.2 Reset flip-flop logic circuit timing diagram

復(fù)位觸發(fā)邏輯電路將觸發(fā)信號(hào)輸出至積分復(fù)位電路的同時(shí)也將其輸出至單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，圖3為由或非邏輯芯片74LS02構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)電路整形后輸出為脈沖寬度約1μs的數(shù)字電平脈沖信號(hào)。

圖3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路Fig.3 Monostableflip-flop circuit

2.4 積分復(fù)位電路

積分復(fù)位電路由二極管、限流電阻和復(fù)位電源開(kāi)關(guān)構(gòu)成，如圖4所示，其中復(fù)位電源開(kāi)關(guān)采用模擬開(kāi)關(guān)芯片ADG419；二極管D1采用雙低反向偏置泄漏電流二極管，采用的型號(hào)為BAV199，也可以使用兩個(gè)相同類型的JFET型和MOS型場(chǎng)效應(yīng)管作為二極管代替使用；雙二極管并聯(lián)后和限流電阻R10串聯(lián)，限流電阻采用的阻值為1 MΩ，二極管和限流電阻串聯(lián)后二極管的一側(cè)與積分器的輸入端連接，電阻一側(cè)與復(fù)位電源輸出端連接；D1和D2分別用于不同極性的復(fù)位電流；復(fù)位電流電路停止時(shí)復(fù)位電源輸出為零電位，復(fù)位電流大小IReset約（VReset?VDiode）/R10，其中VReset為復(fù)位電壓，VDiode為二極管導(dǎo)通時(shí)電壓約0.7 V，VReset可以根據(jù)輸入電流極性選擇相反的極性，為降低復(fù)位時(shí)間的影響一般復(fù)位電流設(shè)置值約為1μA。

圖4 基于二極管的復(fù)位電流電路Fig.4 Reset current circuit based on diode

2.5 信號(hào)采集與處理系統(tǒng)

采集處理系統(tǒng)的脈沖計(jì)數(shù)器可以由單片機(jī)的外部計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)，如采用STM32F103RCT 32位微控制器時(shí)，可以采用其TIM8-ETR引腳完成計(jì)數(shù)功能，通過(guò)采集固定時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)n，既可以通過(guò)式（3）完成輸入電流值的計(jì)算；亦可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)微弱電流源直接對(duì)電路進(jìn)行刻度，由標(biāo)準(zhǔn)電流值和計(jì)數(shù)率之間的線性關(guān)系得到電路的參數(shù)。

3 測(cè)試結(jié)果與討論

3.1 標(biāo)準(zhǔn)電流源測(cè)試

使用Keithley 6430［12］作為標(biāo)準(zhǔn)電流源，以本文設(shè)計(jì)的微弱電流測(cè)量電路作為測(cè)量設(shè)備，測(cè)量電流源表的輸出電流，完成測(cè)量電路靈敏度因子刻度。根據(jù)電離室探測(cè)器輸出的電流信號(hào)與輻射劑量率成正比的關(guān)系［13］，和此型探測(cè)器對(duì)X、γ射線周圍劑量當(dāng)量H*（10）劑量率測(cè)量的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求（0.1μSv·h?1~10 mSv·h?1），計(jì)算得到待測(cè)電流范圍為0.1 pA~10 nA。

在上述電流范圍內(nèi)選擇合適的測(cè)試點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為25.4℃、濕度為54%RH的條件下，得到靈敏度因子刻度曲線如圖5所示，將靈敏度因子引入計(jì)算得到電流值測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖5 靈敏度因子刻度曲線Fig.5 Calibration curve of sensitivity factor

表1 Keithley 6430源表測(cè)量結(jié)果Table 1 Keithley 6430 source meter measurement results

由圖5靈敏度因子刻度擬合曲線可知，測(cè)量電路在10?13~10?8A量程范圍內(nèi)電路讀出計(jì)數(shù)率與輸入電流設(shè)置值相關(guān)系數(shù)R2>0.999，電路非線性較好，可作為此測(cè)量電路在該量程范圍內(nèi)計(jì)數(shù)率到電流值轉(zhuǎn)換的刻度因子。由表1結(jié)果可知，測(cè)量電路在有效量程范圍內(nèi)，相對(duì)誤差值均小于3%，在中高量程的相對(duì)誤差小于1%，一致性較高，在低量程由于輸入電流信號(hào)較小，受漏電流、電磁干擾等因素影響比例增大，信噪比降低，相對(duì)誤差增大［14］，符合預(yù)期結(jié)果。以上測(cè)試結(jié)果表明，此測(cè)量電路可完成對(duì)10?13~10?8A量程范圍微弱電流測(cè)量。

3.2 參考輻射測(cè)試

將本設(shè)計(jì)的測(cè)量電路內(nèi)置于金屬屏蔽盒內(nèi)減小外界環(huán)境干擾，并連接由中國(guó)原子能科學(xué)院研制的場(chǎng)所監(jiān)測(cè)用高氣壓電離室探測(cè)器，置于國(guó)防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站的放射源137Cs標(biāo)準(zhǔn)輻照?qǐng)?，選擇符合探測(cè)器劑量率設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)的測(cè)試點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為25.1℃、濕度為49%RH條件下，對(duì)其進(jìn)行γ射線的輸出響應(yīng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 γ射線輸出響應(yīng)測(cè)試結(jié)果Table2 Gamma ray output responsetest results

從表2可以看出，電路測(cè)量相對(duì)誤差在量程內(nèi)普遍優(yōu)于5%，最大相對(duì)誤差5.9%?？紤]電離室探測(cè)器自身特性、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)定位誤差以及大體積探測(cè)器對(duì)參考輻射的散射影響等因素可能會(huì)給測(cè)量結(jié)果引入1%~2%的誤差。同時(shí)考慮到漏電流、電子噪聲等干擾因素，電路的低量程測(cè)試結(jié)果與約定真值之間存在一定的相對(duì)誤差，測(cè)量結(jié)果符合預(yù)期，遠(yuǎn)小于參 考 標(biāo) 準(zhǔn)JJG 393—2018［15］對(duì) 計(jì) 量 性 能 要 求 的?15%~+22%，滿足場(chǎng)所監(jiān)測(cè)使用要求，可實(shí)現(xiàn)X、γ射線周圍劑量當(dāng)量H*（10）監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研制了一種基于電流-頻率變換法的微弱電流測(cè)量電路，該電路通過(guò)電容容值、時(shí)間測(cè)量的方式計(jì)算得到待測(cè)微弱電流值，利用電流至頻率（計(jì)數(shù)率或時(shí)間）的轉(zhuǎn)換，避免額外量程切換電路即可實(shí)現(xiàn)6個(gè)量級(jí)的寬范圍測(cè)量，具有測(cè)量精度好、體積小、溫濕度敏感性低、無(wú)須量程切換的特點(diǎn)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，該電路可以用于輻射防護(hù)場(chǎng)所監(jiān)測(cè)用的高氣壓電離室型探測(cè)器，滿足對(duì)X、γ射線周圍劑量當(dāng)量H*（10）劑量率測(cè)量指標(biāo)要求。

作者貢獻(xiàn)聲明趙旭負(fù)責(zé)文章的起草及最終版本修訂；倪寧負(fù)責(zé)研究的提出、設(shè)計(jì)及文章的審閱；張慶賢提供了技術(shù)支持和研究經(jīng)費(fèi)；高飛提供了實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備；胡倩負(fù)責(zé)資料的搜集及整理。