弱电流检测电路的设计

温州大学瓯江学院WENZHOU UNIVERSITY OUJIANG COLLEGE本科毕业设计（论文）( 2009届)题目：弱电流检测电路的设计专业：电子信息科学与技术班级：05瓯电科本二姓名：黄逸学号：0530235538指导教师：钱祥忠职称：教授完成日期：2009年4月27日本科生毕业设计（论文）诚信承诺书1、本人郑重地承诺所呈交的毕业设计（论文），是在指导教师钱祥忠老师的指导下严格按照学校和学院有关规定完成的。

2、本人在毕业论文（设计）中引用他人的观点和参考资料均加以注释和说明。

3、本人承诺在毕业论文（设计）选题和研究过程中没有抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。

4、在毕业论文（设计）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。

毕业论文（设计）作者签名：班级： 05瓯电科本二学号： 0530235538 2009 年 4 月 27 日目录摘要 (I)Abstract (II)1 引言 (1)1.1 课题的背景与意义 (1)1.2 课题所要解决的主要难题 (1)2 系统总体设计 (3)2.1 设计任务与技术指标要求 (3)2.2 系统总体方案的确立 (3)3 系统硬件电路设计与调试 (5)3.1 系统硬件总体框图 (5)3.2 系统模块电路设计及原理 (5)3.2.1光电转换与放大电路设计 (5)3.2.2 单片机系统硬件设计 (9)3.2.3 A/D转换电路设计 (12)3.2.4 静态显示电路设计 (14)4 系统软件设计与调试 (17)4.1系统软件程序设计 (17)4.2 ADC0809程序设计 (17)4.3 静态显示程序设计 (18)4.4 系统调试结果与分析 (19)5 总结 (20)致谢 (21)参考文献 (22)附录一：AT89S52芯片常见的两种封装和引脚功能介绍 (23)附录二：ADC0809芯片介绍 (25)附录三：系统所有程序 (27)附录四：实物实拍图 (30)本设计制作的弱电流检测电路，是以AT89S52为核心芯片实现对微弱电流信号进行检测并显示。

由光源发射光信号，经过光探头后转换成弱电流信号，利用两个斩波稳零式高精度运放ICL7650组成的光电放大模块电路，它可以实现I/V 转换，将光电转换后的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由74LS164驱动的LED显示模块电路，将所要测得弱电流信号在数码管上显示出来。

当输出的光功率在0.010mW-0.052mW时，可以测得对应的电流为0.01-1.130mA。

关键词：弱电流检测；AT89S52；ICL7650；ADC0809The design of the weak current detection circuit based on AT89S52 chip as the core of the current weak signal detection and display. Launched optical signal from the light source through optical probe into the weak after the current signal, using two high-precision chopper stabilized op amp-type ICL7650 enlarge the composition of the optoelectronics module circuit, it can be achieved I/V conversion, the photoelectric conversion the current signal after conversion as a voltage signal, and two identical high-precision operational amplifier can be achieved on the voltage signal amplification. Amplified by the voltage levels through the ADC0809 sampling, A/D converted to the single-chip transmission AT89S52, after some calculations after the single-chip programmed to control driven by the 74LS164 circuit LED display module, will be weak to be detected current signal in the digital tube displayed. When the optical power output at 0.010mW-0.052mW can be measured for the corresponding current 0.01-1.130mA.Key Words: weak current detection; AT89S52; ICL7650; ADC08091.1 课题的背景与意义在自然现象和规律的科学研究和工程实践中，我们经常会遇到需要检测毫微伏量级信号的问题，比如测量在核物理和其他一些非电量检测中μA、nA 数量级的微弱电流，测地震的波形和波速、材料分析时测量荧光光强、卫星信号的接收、红外探测以及生物电信号的测量等，这些问题都可以归结为噪声中微弱信号的检测。

它在物理、化学、生物医学、遥感和材料学等领域有着广泛的应用。

微弱信号检测技术[1]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[2]。

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[3]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[4]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[5]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[6]。

微弱信号检测的任务是研究从强噪声中提取有用信号。

入射到探测器的光信号强度可能会变得很小，光强起伏变化也会很慢，这使得探测器的输出信号十分微弱，变化速度慢，很难实现对微变信号的提取和放大。

本课题设计一个检测、放大电路[7]能很好解决探测器的微变信号处理问题，并通过A/D转换以及显示电路将弱电流的测量值显示出来。

1.2 课题所要解决的主要难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电路参数，使得电路输出信号和探测器微变内阻成正比关系，从而实现了微变信号的放大。

用斩波方法进行了电路输出性能的研究，对电路参数的选择进行了详细分析。

对于硬件电路，在发射部分，镭射管所发射的光信号应稳定、可调，以适应不同的线型，采取的措施是恒流供电方式。

提高接收部分抗干扰性能的有效措施是采用电流环传输信号。

接收部分主要包括光电转换、放大和电压-电流转换两部分。

光电转换由运放构成，为提高系统的抗干扰性能，采用了交流检测的方法，所以在检测和信号处理通道中，都需要加隔直流电容。

和光敏接收管并联的电容是为了滤除电磁波干扰和杂光干扰。

为降低运放的漂移所引起的噪声干扰，采用了同一芯片内的组合运放补偿其失调和漂移的措施，实践证明，对降低输出噪声十分有效。

2 系统总体设计2.1 设计任务与技术指标要求有效地提高检测灵敏度是弱信号检测的关键。

经过计算选择特定的电路参数，使得电路输出信号和探测器微变内阻成正比关系，从而实现了微变信号的放大。

用斩波方法进行了电路输出性能的研究，对电路参数的选择进行了详细分析。

光电检测。

采用电流环传输信号提高接收部分抗干扰性能，接收部分的主要包括光电转换、放大和电压-电流转换部分；光电转换由运放构成，为提高系统的抗干扰性能，采用了交流检测的方法，在检测和信号处理通道中，都加了隔直流电容。

采用了同一芯片内的组合运放补偿其失调和漂移的措施。

基本要求：系统电路由电流-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0.04-1mA，误差小于5%。

2.2 系统总体方案的确立弱电流检测电路的设计实现方案共三个如下：方案一：采用纯硬件电路，利用取样电阻法[8]，也可叫分流器法，在国外有时也称“NORMAL”模式，其基本原理是采用在回路中接入取样电阻的方法，把电流转化成电压来测量，原理图如2-1所示。

此方案可行，但是全硬件比较死，由于电流很小，为了保证较高的分辨率和灵敏度，通常要求取样电阻的值应该比较大，也不是越大越好。

不像软件那么灵活，经过思考后决定不采用这种方案。

图2-1 取样电阻法方案二：如图2-2所示，采用32位16位DSP作为系统的核心控制芯片。

首先，光电转换放大电路经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，唯一缺点就是技术含量太高，而且对DSP仿真的掌握没有单片机熟练，而且用DSP来实现有点大材小用，用液晶显示结果也有些浪费，因此也不采用这种方案。

图2-2 DSP 液晶显示法测量方案三：如图2-3所示，采用51单片机作为系统的核心控制芯片，弱电流信号经光电转换，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 数码管静态显示出来。