微电流测试电路设计与研究
微电流测试电路设计与研究[20200419155604]
摘要
随着科学技术的发展，在很多重要领域都需要对微电流进行检测。
本设计主要研究的是纳安级微电流测量问题。系统以AT89C51芯片作为核心实现对纳安级微电流的智能化测试及显示。所设计的系统主要由微电流信号采集模块、多路模拟开关切换模块、A/D转换模块、显示器模块以及MCU智能控制模块等组成。本设计选择两级AD795运算放大器组成电流-电压转换模块，用以实现I/V转换，将微弱的电流信号转换成为电压信号，经过A/D转换成数字量后，输入到单片机内部进行一系列的运算处理，确定合适的微电流量程，最终将计算得出的电流值显示在数码管上。该系统能实现对1nA到1000nA微电流的实时检测。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:微电流检测I/V转换A/D转换量程切换
目录
1.绪论 1
1.1课题研究的目的和意义 1
1.2课题研究的基础 1
1.3国内外研究的现状与趋势 2
2.总体设计方案 4
2.1总体设计任务 4
2.1.1设计的主要任务及目标 4
2.2 设计方案 4
2.2.1设计方案的比较 4
2.2.2 设计系统的基本原理 6
3.硬件系统的设计 7
3.1 I/V转换电路模块 7
3.1.1 微电流的测量原理 7
3.1.2 I/V转换的计算 8
3.1.3 多路模拟开关模块电路 10
3.1.4 I/V转换模块电路 12
3.2 A/D转换模块 13
3.3 MCU电路模块 15
3.3.1 单片机芯片介绍 15
3.3.2 晶振电路的设计 17
3.3.3 复位电路的设计 18
3.4显示电路模块 19
3.4.1 数码管的分类 19
3.4.2 数码管的显示方式 19
3.4.3 数码管显示器的七段码 20
3.4.4 数码管型号选择 21
3.5 微电流模拟 22
4.软件系统设计 24
4.1 软件运行平台 24
4.1.1 编程语言的选择 24
4.1.2 C语言与汇编语言相比较的优点 24
4.1.3 编程环境的选择 25
4.2 程序主流程图 25
4.3 A/D转换模块程序设计 26
4.4 多路模拟开关模块程序设计 26
4.5 显示模块程序设计 29
5.仿真与调试 31
5.1 系统仿真 31
5.1.1系统的仿真调试 31
5.1.2系统仿真调试后的结果 33
5.2系统实物的仿真与调试 33
6.总结 36
参考文献 38
致谢 39
附录一：硬件设计原理图 40
附录二：软件程序清单 41
附录三：仿真结果 45
1.绪论
1.1课题研究的目的和意义
为了更好地对微安级甚至纳安级的微弱直流电流进行自适应的高精度检测，需要进行微电流测试电路的研究，微电流又被称为微弱电流，属于“微弱信号的范畴”。由于信号的幅度非常小，因此，为了检测被噪声覆盖的微弱信号，人们进行了长期的研究工作，用各种途径来分析和探知噪声所产生的原因以及规律，研究被检测信号的特征、相关性和噪声的统计特性，以此来找出在噪声中检测出的有用信号的办法。对于那些微弱的被测量，例如：微电流、微流量、微电压、微振动、微温差、小频率、小位移、小电感、弱光、弱磁、弱噪声等等，一般都是通过相应的传感器检测出相应的微弱信号，再经过放大器将其放大，可通过A/D转换和显示器将其精密的检测并显示出来[10]。但是，由于被检测信号的相当微弱，在检测过程中各种器件固有噪声的影响和外界噪声的影响，只靠单纯的放大器放大是不可能把微弱信号给检测出来的。在研究的过程中一定要有效地抑制信号比，才能检测出有效的微弱信号。在微弱信号检测技术中，微电流检测是它的一个分支。在研究的过程中要注意如何有效地抑制噪声以及如何运用自适应控制来对微安级甚至纳安级微电流检测参数的范围控制。因为在很多场合，需要对微安级甚至纳安级微电流进行精密测量，所以本课题致力于这一内容展开研究。通过分析现有的几种微电流测试方法后，提出一个实用的设计方案，从而完成对微电流测试电路的设计和研究。
微电流测试技术现已经在很多工业以及通信等领域得到广泛应用。
究流随着科学水平的发展和人类需求的提高，微电流测试是科技发展的必然结果，是推动技术革新的重要手段，对推动其相关领域的发展具有非常重要的意义。它不仅适应社会需求，也适应高新技术发展的需求。
1.2课题研究的基础
近年来，微电流检测技术在很多场合得到了广泛的应用，例如：信号处理、电视技术、通信技术、信息运算多媒体技术、仪器仪表、材料测试以及自动化领域等。微电流检测是微弱信号检测技术中的一个分支。它主要是针对噪声的一门技术，比较注重的是抑制噪声和提高信噪比，而不是用来着重实现建立传感器的模型和信号的转换的方法。由于微弱信号测试技术的飞速发展，同时也极大地促进了电磁学、物理学、电化学、微生物学、医学、探测学、军事侦察以及自动化等领域相关技术的高速发展[8]。例如，随着生物芯片的高速发展，生物传感器的研究与设计也在逐渐发展，并促进了各类传感器的产生。当前研究的热点是运用酶传感器研究分子水平上的生命现象。而其中的一个重要的研究对象是微电极，它主要指的是工作面积很小的电极。现在，微电极在生理研究和医学临床分析领域有着非常重要的作用，随着制备技术的发展和完善，必将和生物科学、材料科学等学科产生更加紧密的联系。微电极包括生物微电极和超微电极等。微电极绝大数都属于电流输出型，安培型免疫传感器实现生物分子的识别和检测的方法是利用制备微电极来完成敏感膜的固定化，通过酶的催化、放大作用和抗原抗体间的亲和作用，以及运用检测产生的微弱的电流信号。安培型免疫传感器的应用具有持续和非常宽广的发展空间。又比如说，微弱信号检测技术也可应用在扫描探针显微镜上。扫描探针显微镜是在对扫描隧道显微镜研究的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜，激光力显微镜，磁力显微镜等）的统称，是近几十年来发展起来的高科技产品。扫描探针显微镜的特点是比扫描隧道显微镜具有更高的分辨率。它不仅能够实时地探测到实际时间中表面的三维图像，也可用于周期性或非周期性表面结构的研究中。还可用于观察单个原子层的局部表面结构，而不是像扫描隧道显微镜只能观察原子层的整个表面的平均性质。扫描探针显微镜可直接观察表面缺陷的位置、表面重建、表面吸附的状态以及通过吸附体引起的表面重建等。扫描探针显微镜能够在不同环境下工作，比如：真空、大气、常温等。在探测过程中，不需要任何的特别制样技术的情况下，可将样品浸在水和其他溶液中，并且对样品无损伤。它在纳米科技、材料技术学、物理学、生物化学和生命科学等领域受到广泛的应用，并且获得了很多非常重要的研究成果。对于微电流检测技术来说，目前的检测方法包括：高输入阻抗法、运算放大器放大、噪声分析、微处理器（单片机）程序控制、免疫微传感器、光电耦合器、混沌检测、小波分析、窄带滤波器、双路消除噪声、同步积累和锁定接收等相关检测方法[8]。
1.3国内外研究的现状与趋势
信息时代需要获取信息，许多高新科技和工程技术领域中的信息都需要通过检测的方法来获得。在现代科学的发展中，认识未知世界的必要手段是把未知量转换成为人们可以感知的某种示值[10]。人们对自然界的探索越深入，所需检测的电流信号就越微弱[10]。由于被测信号受到周围环境和电路本身的影响，被测电流信号往往非常微弱，它们的检测也变得十分困难。因此，微电流检测技术就是利用现代电子学和微弱信号处理方法相结合产生的一门新兴的技术。
目前，在很多场合都需要对微安级甚至纳安级微电流进行精密测量。随着市场需
求的增加，微电流检测技术在国内外飞速发展。在中国，微电流检测的研究精度已经达到了皮安级甚至皮安级以上，其主要产品为EST121型数字超高阻、微电流测量仪等。在国外，微电流检测的研究精度比国内更高，并已形成了自己特有的产品。近年来，微弱电流的信噪改善比SNIR已经达到了 [8]。在国内，微电流检测技术做的比较好的是南京大学。其主要产品有HB-831型皮安级电流放大器、HB-834型四通道皮安级电流放大器、HB-838型八通道皮安级电流放大器等[8]。但是其产品价格非常高，都在几千元以上，甚至部分达到上万元以上。南京鸿宾微弱检测有限公司现在也已经可以独家生产微电流检测仪器及其设备。其主要产品有HB-311型皮安级电流测试仪、HB-321型毫微微安级微弱电流测试仪以及模块化微弱电流前置放大器系列等。南京鸿宾公司的微电流测试仪不仅可以作为微电流检测仪器使用，还可以作为微电流放大器使用。目前在国内，鸿宾公司的微电流测试仪的灵敏度非常高，其最大测量范围可跨至9个量级。它是用四位半数字表显示电流值，特别是在物理、化学、电学、光学及工程等许多领域得到了广泛应用。
摘要
随着科学技术的发展，在很多重要领域都需要对微电流进行检测。
本设计主要研究的是纳安级微电流测量问题。系统以AT89C51芯片作为核心实现对纳安级微电流的智能化测试及显示。所设计的系统主要由微电流信号采集模块、多路模拟开关切换模块、A/D转换模块、显示器模块以及MCU智能控制模块等组成。本设计选择两级AD795运算放大器组成电流-电压转换模块，用以实现I/V转换，将微弱的电流信号转换成为电压信号，经过A/D转换成数字量后，输入到单片机内部进行一系列的运算处理，确定合适的微电流量程，最终将计算得出的电流值显示在数码管上。该系统能实现对1nA到1000nA微电流的实时检测。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:微电流检测I/V转换A/D转换量程切换
目录
1.绪论 1
1.1课题研究的目的和意义 1
1.2课题研究的基础 1
1.3国内外研究的现状与趋势 2
2.总体设计方案 4
2.1总体设计任务 4
2.1.1设计的主要任务及目标 4
2.2 设计方案 4
2.2.1设计方案的比较 4
2.2.2 设计系统的基本原理 6
3.硬件系统的设计 7
3.1 I/V转换电路模块 7
3.1.1 微电流的测量原理 7
3.1.2 I/V转换的计算 8
3.1.3 多路模拟开关模块电路 10
3.1.4 I/V转换模块电路 12
3.2 A/D转换模块 13
3.3 MCU电路模块 15
3.3.1 单片机芯片介绍 15
3.3.2 晶振电路的设计 17
3.3.3 复位电路的设计 18
3.4显示电路模块 19
3.4.1 数码管的分类 19
3.4.2 数码管的显示方式 19
3.4.3 数码管显示器的七段码 20
3.4.4 数码管型号选择 21
3.5 微电流模拟 22
4.软件系统设计 24
4.1 软件运行平台 24
4.1.1 编程语言的选择 24
4.1.2 C语言与汇编语言相比较的优点 24
4.1.3 编程环境的选择 25
4.2 程序主流程图 25
4.3 A/D转换模块程序设计 26
4.4 多路模拟开关模块程序设计 26
4.5 显示模块程序设计 29
5.仿真与调试 31
5.1 系统仿真 31
5.1.1系统的仿真调试 31
5.1.2系统仿真调试后的结果 33
5.2系统实物的仿真与调试 33
6.总结 36
参考文献 38
致谢 39
附录一：硬件设计原理图 40
附录二：软件程序清单 41
附录三：仿真结果 45
1.绪论
1.1课题研究的目的和意义
为了更好地对微安级甚至纳安级的微弱直流电流进行自适应的高精度检测，需要进行微电流测试电路的研究，微电流又被称为微弱电流，属于“微弱信号的范畴”。由于信号的幅度非常小，因此，为了检测被噪声覆盖的微弱信号，人们进行了长期的研究工作，用各种途径来分析和探知噪声所产生的原因以及规律，研究被检测信号的特征、相关性和噪声的统计特性，以此来找出在噪声中检测出的有用信号的办法。对于那些微弱的被测量，例如：微电流、微流量、微电压、微振动、微温差、小频率、小位移、小电感、弱光、弱磁、弱噪声等等，一般都是通过相应的传感器检测出相应的微弱信号，再经过放大器将其放大，可通过A/D转换和显示器将其精密的检测并显示出来[10]。但是，由于被检测信号的相当微弱，在检测过程中各种器件固有噪声的影响和外界噪声的影响，只靠单纯的放大器放大是不可能把微弱信号给检测出来的。在研究的过程中一定要有效地抑制信号比，才能检测出有效的微弱信号。在微弱信号检测技术中，微电流检测是它的一个分支。在研究的过程中要注意如何有效地抑制噪声以及如何运用自适应控制来对微安级甚至纳安级微电流检测参数的范围控制。因为在很多场合，需要对微安级甚至纳安级微电流进行精密测量，所以本课题致力于这一内容展开研究。通过分析现有的几种微电流测试方法后，提出一个实用的设计方案，从而完成对微电流测试电路的设计和研究。
微电流测试技术现已经在很多工业以及通信等领域得到广泛应用。
究流随着科学水平的发展和人类需求的提高，微电流测试是科技发展的必然结果，是推动技术革新的重要手段，对推动其相关领域的发展具有非常重要的意义。它不仅适应社会需求，也适应高新技术发展的需求。
1.2课题研究的基础
近年来，微电流检测技术在很多场合得到了广泛的应用，例如：信号处理、电视技术、通信技术、信息运算多媒体技术、仪器仪表、材料测试以及自动化领域等。微电流检测是微弱信号检测技术中的一个分支。它主要是针对噪声的一门技术，比较注重的是抑制噪声和提高信噪比，而不是用来着重实现建立传感器的模型和信号的转换的方法。由于微弱信号测试技术的飞速发展，同时也极大地促进了电磁学、物理学、电化学、微生物学、医学、探测学、军事侦察以及自动化等领域相关技术的高速发展[8]。例如，随着生物芯片的高速发展，生物传感器的研究与设计也在逐渐发展，并促进了各类传感器的产生。当前研究的热点是运用酶传感器研究分子水平上的生命现象。而其中的一个重要的研究对象是微电极，它主要指的是工作面积很小的电极。现在，微电极在生理研究和医学临床分析领域有着非常重要的作用，随着制备技术的发展和完善，必将和生物科学、材料科学等学科产生更加紧密的联系。微电极包括生物微电极和超微电极等。微电极绝大数都属于电流输出型，安培型免疫传感器实现生物分子的识别和检测的方法是利用制备微电极来完成敏感膜的固定化，通过酶的催化、放大作用和抗原抗体间的亲和作用，以及运用检测产生的微弱的电流信号。安培型免疫传感器的应用具有持续和非常宽广的发展空间。又比如说，微弱信号检测技术也可应用在扫描探针显微镜上。扫描探针显微镜是在对扫描隧道显微镜研究的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜，激光力显微镜，磁力显微镜等）的统称，是近几十年来发展起来的高科技产品。扫描探针显微镜的特点是比扫描隧道显微镜具有更高的分辨率。它不仅能够实时地探测到实际时间中表面的三维图像，也可用于周期性或非周期性表面结构的研究中。还可用于观察单个原子层的局部表面结构，而不是像扫描隧道显微镜只能观察原子层的整个表面的平均性质。扫描探针显微镜可直接观察表面缺陷的位置、表面重建、表面吸附的状态以及通过吸附体引起的表面重建等。扫描探针显微镜能够在不同环境下工作，比如：真空、大气、常温等。在探测过程中，不需要任何的特别制样技术的情况下，可将样品浸在水和其他溶液中，并且对样品无损伤。它在纳米科技、材料技术学、物理学、生物化学和生命科学等领域受到广泛的应用，并且获得了很多非常重要的研究成果。对于微电流检测技术来说，目前的检测方法包括：高输入阻抗法、运算放大器放大、噪声分析、微处理器（单片机）程序控制、免疫微传感器、光电耦合器、混沌检测、小波分析、窄带滤波器、双路消除噪声、同步积累和锁定接收等相关检测方法[8]。
1.3国内外研究的现状与趋势
信息时代需要获取信息，许多高新科技和工程技术领域中的信息都需要通过检测的方法来获得。在现代科学的发展中，认识未知世界的必要手段是把未知量转换成为人们可以感知的某种示值[10]。人们对自然界的探索越深入，所需检测的电流信号就越微弱[10]。由于被测信号受到周围环境和电路本身的影响，被测电流信号往往非常微弱，它们的检测也变得十分困难。因此，微电流检测技术就是利用现代电子学和微弱信号处理方法相结合产生的一门新兴的技术。
目前，在很多场合都需要对微安级甚至纳安级微电流进行精密测量。随着市场需
求的增加，微电流检测技术在国内外飞速发展。在中国，微电流检测的研究精度已经达到了皮安级甚至皮安级以上，其主要产品为EST121型数字超高阻、微电流测量仪等。在国外，微电流检测的研究精度比国内更高，并已形成了自己特有的产品。近年来，微弱电流的信噪改善比SNIR已经达到了 [8]。在国内，微电流检测技术做的比较好的是南京大学。其主要产品有HB-831型皮安级电流放大器、HB-834型四通道皮安级电流放大器、HB-838型八通道皮安级电流放大器等[8]。但是其产品价格非常高，都在几千元以上，甚至部分达到上万元以上。南京鸿宾微弱检测有限公司现在也已经可以独家生产微电流检测仪器及其设备。其主要产品有HB-311型皮安级电流测试仪、HB-321型毫微微安级微弱电流测试仪以及模块化微弱电流前置放大器系列等。南京鸿宾公司的微电流测试仪不仅可以作为微电流检测仪器使用，还可以作为微电流放大器使用。目前在国内，鸿宾公司的微电流测试仪的灵敏度非常高，其最大测量范围可跨至9个量级。它是用四位半数字表显示电流值，特别是在物理、化学、电学、光学及工程等许多领域得到了广泛应用。
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