微弱电流检测的设计

毕业设计微电流检测器设计指导教师讲师学院名称工程学院专业名称自动化论文提交日期2011年5月论文答辩日期2011年5月答辩委员会主席____________评阅人____________摘要近年来,微弱电流信号检测技术在信号处理、电视技术、测量技术、通信技术、信息运算多媒体技术以及一般的电子电路设计等领域得到了非常广泛的应用，并极大地促进了相关技术领域的迅速发展,例如军事侦察、物理学、化学、电化学、生物医学、天文学、地学、磁学等。

随着科学技术的发展，对微弱信号进行检测的需要日益迫切，微弱信号检测是发展高新技术、探索及发现新的自然规律的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要的意义。

微弱是相对于噪声而言的，所以只靠放大并不能检测出微弱信号，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度,才能提取出有用信号。

因此,必须研究微弱信号检测的理论方法和设备,包括噪声的来源和性质,分析噪声产生的原因和规律以及噪声的传播途径,有针对性地采取有效措施抑制噪声。

本设计制作的微电流检测电路,是以A T89S52芯片为核心实现对微电流信号进行检测并显示,利用两个斩波稳零式高精度运放ICL7650组成的放大模块电路,实现I/V转换,将微电流信号转换成为电压信号,而两个相同高精度运放可以实现对电压信号的一二级放大,经两级放大后的电压通过ADC0809采样、A/D转换后传送给单片机AT89S52,之后单片机经过一些运算编程后控制,将所要测得弱电流信号在LCD1602显示出来。

能实现对1uA 到2500uA微电流的实时检测。

关键词：弱电流检测 AT89S52 ICL7650 ADC0809目录1 前言 (1)1.1 本课题的前景及意义 (1)1.2 国内外研究情况 (1)1.3 课题主要解决的问题 (2)1.4 微电流检测的噪声分析 (2)2 系统总体设计 (3)2.1 系统硬件总体框图 (3)2.2 系统的基本构成和实现的功能 (4)2.3 设计电路方案的比较 (4)3 系统硬件电路的分析 (5)3.1 系统模块电路设计及原理 (5)3.1.1 放大电路设计 (5)3.2.2 芯片结构 (7)3.3 单片机及显示系统设计 (8)3.3.1 单片机总体设计方案 (8)3.3.1 AT89S52简要介绍 (8)3.3.2 AT89S52外围电路设计 (10)3.4 A/D 转换电路设计 (11)3.4.1 0809主要特性 (13)3.5 稳压电源设计 (13)3.6 LCD1602显示 (14)4 系统软件设计与调试 (14)4.1 系统软件程序框图 (14)4.2 ADC0809程序设计 (15)4.3 系统的Proteus仿真 (15)4.4 调试结果与分析 (16)5 总结 (16)致谢参考文献英文摘要附录毕业设计成绩评定表1 前言1.1 本课题的前景及意义研究微弱信号检测的理论、方法和设备，包括噪声的来源和性质，分析噪声产生的原因和规律以及噪声的传播途径，有针对性地采取有效措施抑制噪声。

微弱信号检测技术在许多领域具有广泛的应用，例如军事侦察、物理学、化学、电化学、生物医学、天文学、地学、磁学等。

随着科学技术的发展，对微弱信号进行检测的需要日益迫切，微弱信号检测是发展高新技术、探索及发现新的自然规律的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要的意义。

微弱信号检测[1]就是利用近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用信号的一门新兴技术科学，其注重的是如何抑制噪声并提高信噪比。

因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。

微电流检测属于微弱信号检测的一个分支，当然也是一门针对噪声的技术，它注重的不是传感器的物理模型和传感原理、相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是如何抑制噪声和提高信噪比。

该技术在军事侦察、物理学、化学、电化学、生物医学、天文学、地学、磁学等许多领域具有广泛的应用。

例如，近年来，随着生物芯片的高速发展，生物传感器的研究与开发呈现出突飞猛进的局面，各类传感器应运而生。

其中，通过酶传感器研究分子水平上的生命现象是当前的一个研究热点。

生物微电极是这种研究的重要工具，它具有极快的响应速度和高信噪比，可作为电化学探针深人待测体系，在微区分析、生物活体监测以及快速电化学反应等方面具有独特的优势。

微电极大多为电流输出型，安培型免疫传感器即是通过制备微电极并进行相应的敏感膜的固定化，利用抗原抗体之间的亲和作用以及酶的催化放大作用，通过检测产生的微弱电流信号，从而实现生物分子的检测与识别，有持久和广阔的发展空间。

又如，微弱信号检测技术应用于扫描探针显微镜。

根据文献[2]，对于微电流检测，目前己有的检测方法(器件)有高输入阻抗法、运算放大器直接放大、噪声分析法、单片机程控、免疫微传感器性物芯片)、光电藕合器、混沌检测法、小波分析法、窄带滤波法、双路消噪法、同步累积法、锁定接收法、相关检测法等.1.2 国内外研究情况根据文献[3]，目前国内微电流检测的研究精度为10-16，其代表产品为EsT121型数字超高阻、微电流测量仪，其微电流测量精度最高为lx10一16A；而国外的研究精度为10-17A(美国吉时利仪器公司)，并已形成系列产品。

微弱信号检测技术用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点以及相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号。

微弱信号检测的宗旨是研究如何从强噪声中提取有用的信号，任务是研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术，从而将其应用于各个学科领域中。

常见的微弱信号检测方法[4]根据信号本身的特点不同，一般有三条途径：一是降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高其信噪比；二是研制适合微弱检测原理并能满足特殊需要的器件（如锁相放大器等）；三是利用微弱信号检测技术，通过各种手段提取弱信号，锁相放大器由于具有中心频率稳定，通频带窄，品质因数高等优点得到了广泛的应用。

利用锁相放大技术可以对视频微弱信号进行提取，即将窄带低频信号或者通过激励方式转化成在低频基带上调幅信号的直流、缓变微弱信号进行前置放大后，经过频谱搬移和低通滤波获取信号的真实值。

该方法能克服工频干扰的影响；避开1/f 低频噪声；同时避免直流放大器的温度、零点漂移；抑制噪声，极大地提高信噪比。

1.3 课题主要解决的问题本课题所要解决的主要问题是在硬件设计过程中对各元器件的合理选择，使得测得的结果在所要求的指标之内；电路板的设计合理布局，减少一些不必要的干扰，减小干扰对微弱电流的放大是很有必要的，其干扰源来自多方面，有的来自器件本身，有的来自外部。

除了选择稳定性好、噪声小的器件外，在电路上和工艺上采取了相应的措施。

有效地提高检测灵敏度是弱信号检测的关键，采取的措施包括电路板绘制、硬件电路和软件设计等方面。

经过计算选择特定的放大电路参数，从而实现了微变信号的放大。

1.4 微电流检测的噪声分析“微弱信号”主要指的是被噪声淹没的信号，“微弱”是相对于噪声而言的。

微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术，其首要任务是提高信噪比。

因为只靠放大是不能把微弱信号检测出来的。

只有在有效抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。

所以，必须熟悉噪声的种类、特性、有关元器件的噪声模型和噪声的传播机理，才能做到有的放矢。

噪声分析体噪声[5]的频率一般都在1兆HZ以上，远越出了一般检测系统的频带范围，对普通检测仪表影响不大。

机械起源噪声：在非电起源噪声中，机械起源占多数。

由机械振动或运动转换为电噪声的机一电传感机理有很多种，常见的有摩擦生电效应噪声、导体在磁场中的运动而产生的噪声、压电效应噪声、颤噪效应噪声(等效电容容量因机械振动而产生变化，从而产生噪声电压)。

其他噪声源:包括电化学噪声、温度变化引起的噪声、触点噪声等。

例如，某些电化学物质(如助焊剂)与湿气混合就有可能形成电解液，与其接触的电路中不同的金属间就可能构成一个电化学电池;不同金属的两个接点若分别处于不同的温度，则会产生正比于温差的热电势;有些电阻的阻值随温度变化明显、PN结的正向压降也随温度变化，这些都会把温度变化转换为电压或电流的变化;机械振动或温度变化会导致接触不良的插座、开关触点及焊接不良的焊点的接触电阻阻值发生变化，当电流流过变化的接触电阻时，也会形成噪声电压到输入端而产生的噪声。

反射噪声:因前后级电路不匹配，使长线传输的信号在接点处引起反射，产生相移，从而引起叠加在信号上的噪声。

脉冲式噪声：数字电路中的脉冲信号、晶体振荡产生的时钟频率脉冲等通过各种方式(如公共阻抗祸合)对其他电路产生干扰。

开关式噪声:开关电路(如晶体管、可控硅开关)在工作时所产生的尖峰脉冲噪声。

2 系统总体设计2.1 系统硬件总体框图本系统原理硬件框图如图2-1所示，硬件主要由单片机最小系统硬件电路、LED1602显示电路、A/D转换电路和放大电路组成。

图2-1 系统原理硬件框图2.2 系统的基本构成和实现的功能该设计电路包含由电流-电压转换电路、差动放大电路、驱动电路、A/D转换系统和显示电路组成，将弱电流测量并显示出来。

技术指标要求测量电流范围0.001-2.5mA，误差小于1.3%。

2.3 设计电路方案的比较弱电流检测电路的设计实现方案如下：方案一：如图2-2所示，采用32位16位DSP作为系统的核心控制芯片[6]。

首先，微弱信号经DSP内部AD直接采集信号，再由DSP控制12864液晶显示电流值，该方案很好，功能很强大，缺点就是技术含量太高，DSP应用还不广泛。

图2-2 液晶显示法测量方案二：运算放大器（T型电阻网络+单片机）此类测量方法[7]的前级都是运用较高精度的运算放大器直接进行I- V转换，其转换原理：R0为运算放大器的输入限流保护电阻;Rl与Cl组成反馈补偿网络，降低带宽，防止Rl 、R2、R3与q移相产生自激振荡;Rl与R2、R3组成T型电阻网络，用以对微电流进行进一步的放大，其放大系数表达式为 (1+R3/R2)Rl，凡与C组成低通滤波器，用以滤除运放的高频噪音，包含AD转换的电压放大单元，有用模拟电路放大的，也有用程控电压放大器(专用电压放大芯片)放大的，此时它受单片机的控制，单片机主要担任控制与计算任务，可以实现自换量程、自动校零等功能。

此种方法可以放大的微电流的级别视运算放大器的综合性能而定，但一般不能精确放大pA级及更微弱的信号[8]。

图2-3 T型网络方案放大电路DSP 12864液晶显示方案三：如图2-4所示，采用51单片机作为系统的核心控制芯片，弱电流信号经I/V 变换以及差分放大后成为电压信号，再经ADC0809进行信号采集以及A/D转换，51单片机通过ADC0809把弱电流信号读进来，再经过单片机一系列的运算，算出对应的电流值，最后将该值通过LED显示出来。