微电流检测.docx

1、微电流检测微电流检测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

2、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 AT89S52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

3、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 ADC08091前言 .11.1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 .22 系统总体设计 .3 2.1系统硬件总体框图 .32.2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 .53.1.

4、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 .83.3.1 单片机总体设计方案 .8 3.3.1 AT89S52简要介绍 .8 3.3.2AT89S52外围电路设计 .103.4 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 3.6LCD1602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 4.2ADC0809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 .17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

5、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

6、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

7、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-16 根据文献 3 ，目前国内微电流检测的研究精度为 10，其代表产品为EsT121型数一

8、16 字超高阻、微电流测量仪 ，其微电流测量精度最高为 lx10A; 而国外的研究精度为 -1710A( 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，1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

9、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

10、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

11、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

12、接触的电路中不2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 )

13、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。ADC0809P1 微电流信号AT I/V 转换电8路P2.2 9 差分放大电S路1602 P2.1 5P2.0 2 放大模块RXDTXD 图 2-1 系统原理硬件框图32.2 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。

14、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。DSP 放大电路 12864 液晶显示图 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 :R

15、 为运算放大器的输入限流保护电阻 ;R 与 C 组成反馈补偿网络，降低带宽，防 0ll止 R、R、R 与 q 移相产生自激振荡 ;R 与 R、R组成 T 型电阻网络，用以对微电流进行 l23l23进一步的放大，其放大系数表达式为 (1+R/R)R ，凡与 C 组成低通滤波器，用以滤除运 32l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

16、 8 。图 2-3 T 型网络方案4-4 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 方案三 :如图 2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。系统框图如下 :LED静态显示 放大电路51 单片机 ADC8089图 2-4 ADC0809 采样 LED显示该方案与其他二个相比，不仅能实现设计的要求，每一部分都是现在比较常用的电器元器件，加上 51 单片机对我们比较熟悉，而且芯片价格也不高，比较适合

17、。因此在经过一番考虑后最后决定采用此方案来设计电路。3系统硬件电路的分析3.1 系统模块电路设计及原理3.1.1 放大电路设计12 随着场效应管技术的发展，输入阻抗在 10 以上的运放已不少，如 LF357，但是并9 不是高阻运放都能做出高性能微电流放大器，为了提高测量灵敏度 , 反馈电阻R 常取 10f 以上 , 近似于开环放大，所以线性范围小 , 调零和稳零很困难，且高阻 R f 与分布电容、负载电容产生相移 , 容易自激振荡。 ICL7650 是采用 CMOS工艺集成的斩波稳零高精度运放 ,120 输入电阻为 10, 偏置电流 25C 时 1.5pA ，输入失调电压 1LV，失调电压温度

18、系数为 0.01 LV /C ，共模抑制比为 130dB，性优价廉，尤其具有其他高阻运放没有的自动稳零优点，适合作缓变微电流放大器，但是斩波频率低 (200 Hz) ，输出信号有斩波尖峰噪声 , 要接较大时间常数的低通滤波器，所以不适合测量快变信号。采用特别适合于微弱信号放大的断续稳零超低漂移运算放大器 ICL7650( 共模抑制比高达 140dB，输入偏置电流低于 10pA，常温下开环增益达到 150 dB，带宽为2MHz)进行同相比例放大，主要是对一级输出的电压信号进行 2 次放大调整以满足后续电子处理对5信号的要求。ICL7650 芯片 9 是利用动态校零技术和 CMOS工艺制作的斩波稳

19、零式高精度运放，它具有失调小、输入偏置电流小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点。基于 ICL7650 运放的微电流放大器应用于弗兰克赫兹实验测量仪- 12- 12- 9 中, 实验表明 , 电流分辨率 10A, 量程由单片机控制在 10, 10A自动转换 , 自动校零 , 响应时间小于 0.1s, 不需预热 , 漂移小 , 稳定可靠 , 整体性能优于静电计管微电流放大器 , 其组成的放大电路设计如图 3-1 所示 :图 3-1 放大电路其仿真电路如下 :图 3-2 电路仿真6从以上仿真我们可以看到，到输入 2500uA 的时候， I/V 转换放大电路的输出端为

20、5V, 由于单片机原因，只能检测到 0V 到 5V的电压，因此，该放大电路理论上能检测到 0uA 到 2500uA 的微电流。实际因为选用的 8 位的 AD转换，单片机进位为0.19mV，即每 4uA 才能引起单片机的变化，实际理论是 10uA 到 2500uA。3.2.2 芯片结构ICL7650 是采用14 脚双列直插式和8 脚金属壳两种封装形式，图3-3所示的是最常用的14 脚双列直插式封装的引脚排列图。各引脚的功能说明如下:(1)CEXTB:外接电容CEXTB;(2)CEXTA:外接电容CEXTA;(3),IN:反相输入端;(4)， IN: 同相输入端 ;(5)V,: 负电源端 ;(6)

21、CRETN:CEXTA和 CEXTB的公共端 ;(7)OUTCLAMP:箝位端 ;(8)OUTPUT:输出端 ;(9)V ，: 正电源端 ;(10)INTCLKOUT:时钟输出端 ;(11)EXTCLKIN:时钟输入端 ;图 3-3 ICL7650 的引脚排列图INT/EXT 时钟控制端，可通过该端选择使用内部或外部时钟。当选择外部时钟时，该端须接负电源端 (V,) ，并且在时钟输入端 (EXTCLKIN)引入外部时钟信号。当该端开7路或接 V，时，电路将使用内部时钟去控制其它电路的工作。3.3 单片机及显示系统设计3.3.1 单片机总体设计方案如图 3-4 所示，其包含 A/D 转换，单片机

22、，单片机外围电路 ( 晶振部分 ) ，LCD1602显示等。采用的芯片是 AT89S52。图 3-4 单片机与显示系统3.3.1 AT89S52 简要介绍美国 ATMEL公司的 AT89S系列 51 单片机支持 ISP 功能，给单片机应用开发带来了极大方便。现介绍一款简易型开发板的使用方法。将该板插入封装的 8051 单片机插座处，通过廉价的 ISP 即可编程 AT89S52，支持在线擦写，速度更快，非常方便。AT89S52单片机具有以下标准功能 : 8k 字节 Flash ，256 字节 RAM， 32 位 I/O口线，看门狗定时器， 2 个数据指针， 3 个 16 位定时器 / 计数器，

23、1 个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外， AT89S52可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 28种软件可选择节电模式。空闲模式下， CPU停止工作，允许 RAM、定时器 / 计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。(1)主要性能(a)与 MCS-51单片机产品兼容(b)8K 字节在系统可编程 Flash 存储器(c)1000 次擦写周期(d)全静态操作 :0Hz,33MHz(e)三级加密程序存储器(f)32 个可编程 I/O 口线(g)三个 16 位定时器 / 计数器(h)

24、八个中断源(i)全双工 UART串行通道(j)低功耗空闲和掉电模式(k)掉电后中断可唤醒(l)看门狗定时器(m)双数据指针(n)掉电标识符(2)AT89S52 增加的新功能包括 :(a)ISP 在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，是一个强大易用的功能。(b)工作频率为 33MHz，我们都知道 AT89C51的极限工作频率仅有 24MHz，就是说 S52 具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。(c)具有双工 UART串行通道。(d)内部集成看门狗计时器，不再需要像 AT89C51那样外接看门狗计时器单元电路。(e)双数据指示器。(f)电源关闭标识。(g)全新的加密算法，这使得对于 AT89S52的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。9(h)兼容性方面 : 向下完全兼容 51 全部字系列产品。比如 8051、 AT89C51等等早期 MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序 ( 不论教科书上采用的单片机是 8051 还是 AT89C51还是 MCS-51等等 ) ，在 AT89S52上