一种基于皮安级双通道放大器的微电流自动检测系统

摘要

本发明涉及一种基于皮安级双通道放大器的微电流自动检测系统，包含：输入端，用于输入待检测微电流；线性放大模块和对数放大模块，所述线性放大模块用于线性放大所述待检测微电流，所述对数放大模块用于对数放大所述待检测微电流；切换模块，连接于输入端，用于在所述线性放大模块和所述对数放大模块之间进行切换；控制单元，连接所述线性放大模块和所述对数放大模块和所述切换模块，用于对所述切换模块提供控制信号，并读取所述线性放大模块和所述对数放大模块的放大数据，输出有效数据。本发明可以实现宽量程的电流精准检测，本发明通过线性放大模块和对数放大模块，实现对不同范围的电流采用不同的放大模式，实现宽量程。

说明书

技术领域

本发明涉及微电流检测领域，具体指有一种基于皮安级双通道放大器的微电流自动检测系统。

背景技术

随着科学技术的不断进步和对微观世界的不断深入，微电流(小于10

传统的微电流信号检测装置电路的主要问题是无法达到高精确度、宽量程和大带宽兼顾。常用的微电流检测装置，当电流小于nA级别时，响应速度慢，同时由于外界的干扰和电路的影响，会出现测量不准的情况，导致数据的误差影响判断。如果实现nA级甚至pA级微电流的精准测量，往往无法实现宽量程的测量。因此，现在极需一种用于微电流信号的检测装置来解决上述问题。

针对上述的现有技术存在的问题设计一种基于皮安级双通道放大器的微电流自动检测方法，对需检测的微电流进行有效地分类和放大，确保在宽范围量程进行精准的放大和快速采集，实现高灵敏度高精准的宽量程稳定检测是本发明研究的目的。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种基于皮安级双通道放大器的微电流自动检测系统，能够有效解决上述现有技术存在的问题。

本发明的技术方案是：

一种基于皮安级双通道放大器的微电流自动检测系统，包含：

输入端，用于输入待检测微电流；

线性放大模块和对数放大模块，所述线性放大模块用于线性放大所述待检测微电流，所述对数放大模块用于对数放大所述待检测微电流；

切换模块，连接于输入端，用于在所述线性放大模块和所述对数放大模块之间进行切换；

控制单元，连接所述线性放大模块和所述对数放大模块和所述切换模块，用于对所述切换模块提供控制信号，并读取所述线性放大模块和所述对数放大模块的放大数据，输出有效数据。

可选地，所述控制单元通过所述控制信号控制所述切换模块分时连通所述线性放大模块和所述对数放大模块。

进一步地，所述控制单元根据所述线性放大模块和所述对数放大模块的输出范围输出有效数据。

可选地，所述控制单元进一步包括反馈模块，所述反馈模块根据所述线性放大模块和所述对数放大模块的放大数据生成所述控制信号。

进一步地，所述反馈模块包含反馈输入端和反馈输出端，所述反馈输入端连接所述线性放大模块和所述对数放大模块，所述反馈输出端连接所述切换模块。

进一步地，所述反馈模块包含第一比较器和第二比较器，所述第一比较器的输入端连接所述线性放大模块，所述第二比较器的输入端连接所述对数放大模块。

进一步地，所述反馈模块进一步包括或门和D触发器，所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端连接所述或门的输入端，所述或门的输出端连接所述D触发器的输入端，所述D触发器的输出端连接所述切换模块。

进一步地，所述反馈模块根据所述线性放大模块和所述对数放大模块的放大数据生成所述控制信号之前，所述切换模块连通所述输入端和所述线性放大模块。

进一步地，所述第一比较器和第二比较器的基准电压端连接控制单元。

进一步地，所述控制单元动态调整所述第一比较器和第二比较器的基准电压端。

因此，本发明提供以下的效果和/或优点：

本发明可以实现宽量程的电流精准检测，本发明通过线性放大模块和对数放大模块，线性放大模块用于线性放大待检测微电流，对数放大模块用于对数放大待检测微电流，实现对不同范围的电流采用不同的放大模式，实现宽量程。并且本发明通过控制单元切换切换模块对应的连通方式，以及选取有效的放大数据，输出有效数据，具有精准、自动等优点。

本发明进一步提出了分时检测的工作系统，通过两个放大模块不同的输出范围进行比对，从而确定分时检测中具体需要的放大模式，得到有效数据。

本发明进一步提出了包含反馈模块的检测系统，通过默认连通线性放大模块，并且读取两个放大模块的输出，以两个放大模块的输出进行反馈至控制单元，控制单元根据反馈信息产生相应的控制信号，具体通过或门连接两个放大模块，以及D触发器连接切换模块，从而实现硬件电路，达到纳秒级别的切换速度。

本发明基于包含反馈模块的检测系统进一步提出动态范围变化的检测系统，通过调整两个比较器的基准电压端，动态在范围内循环变化，动态调整，使其更加精准，切换速度更高。

应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。

附图说明

图1为实施例一的功能示意图。

图2为线性放大器和对数放大器的示意图。

图3为实施例二的功能示意图。

图4为实施例二的反馈模块的示意图。

图5为反馈模块的时序图。

图6为实施例二的逻辑图。

图7为实施例三的基准电压变化示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：

实施例一：

参考图1-2，一种基于皮安级双通道放大器的微电流自动检测系统，包含：

输入端，用于输入待检测微电流；

线性放大模块和对数放大模块，所述线性放大模块用于线性放大所述待检测微电流，所述对数放大模块用于对数放大所述待检测微电流，本实施例中，线性放大模块包含依次连接的线性放大器、滤波缓冲器、AD转换器，对数放大模块包含依次连接的对数放大器、滤波缓冲器、AD转换器，其中线性放大器用于对待检测微电流线性放大，对数放大器用于对待检测微电流对数放大，滤波缓冲器用于对放大后的信号进行滤波，AD转换器用于对滤波后的信号进行模拟数字转换；

切换模块，连接于输入端，用于在所述线性放大模块和所述对数放大模块之间进行切换，所述切换模块包含切换开关；

控制单元，连接所述线性放大模块和所述对数放大模块和所述切换模块，用于对所述切换模块提供控制信号，通过所述控制信号控制所述切换模块分时连通所述线性放大模块和所述对数放大模块，并读取所述线性放大模块和所述对数放大模块的放大数据，所述控制单元根据所述线性放大模块和所述对数放大模块的输出范围，输出有效数据。

本实施例中，采用的线性放大模块对应输出范围为0～1V，对数放大模块对应输出范围为1V～5V。当输入的待检测微电流范围为100fA～100pA，线性放大模块可输出0～1V的电压数据，对数放大模块只能输出1V的电压数据；当输入的待检测微电流范围为100pA～10mA，线性放大模块只能输出1V的电压数据，对数放大模块可输出1～5V的电压数据。在其他实施例中，对待检测微电流的范围，以及线性放大模块、对数放大模块的输出范围也可以是其他范围，在此不做限定。

通过所述控制信号控制所述切换模块分时连通所述线性放大模块和所述对数放大模块，并读取所述线性放大模块和所述对数放大模块的放大数据，所述控制单元根据所述线性放大模块和所述对数放大模块的输出范围，输出有效数据。具体为：在第一时间段控制信号控制所述切换模块连通所述线性放大模块，在第二时间段控制信号控制所述切换模块连通所述对数放大模块。例如：

(1)第0～1000次采样，控制信号控制所述切换模块连通所述线性放大模块，控制单元只读取线性放大模块的数据。

(2)第1001～2000采样，控制信号控制所述切换模块连通所述对数放大模块，控制单元只读取对数放大模块的数据。

(3)控制单元根据上述的所述线性放大模块和所述对数放大模块的输出范围，选择以所述线性放大模块和所述对数放大模块其中一个模块的数据作为电压数据，计算对应的电流数据并输出。具体为，若待检测微电流为50pA，属于100fA～100pA该范围内，因此线性放大模块输出0～1V中对应的电压，对数放大模块只能输出1V，控制单元选择线性放大模块输出的数据作为电压数据，并计算对应的电流数据。

实施例二

参考图3，一种基于皮安级双通道放大器的微电流自动检测系统，包含：

输入端，用于输入待检测微电流；

线性放大模块和对数放大模块，所述线性放大模块用于线性放大所述待检测微电流，所述对数放大模块用于对数放大所述待检测微电流，本实施例中，线性放大模块包含依次连接的线性放大器、滤波缓冲器、AD转换器，对数放大模块包含依次连接的对数放大器、滤波缓冲器、AD转换器，其中线性放大器用于对待检测微电流线性放大，对数放大器用于对待检测微电流对数放大，滤波缓冲器用于对放大后的信号进行滤波，AD转换器用于对滤波后的信号进行模拟数字转换；本实施例中，采用的线性放大模块对应输出范围为0～1V，对数放大模块对应输出范围为1V～5V；

切换模块，连接于输入端，用于在所述线性放大模块和所述对数放大模块之间进行切换；

控制单元，连接所述线性放大模块和所述对数放大模块和所述切换模块，用于对所述切换模块提供控制信号，并读取所述线性放大模块和所述对数放大模块的放大数据，输出有效数据。

参考图4，所述控制单元进一步包括反馈模块，所述反馈模块根据所述线性放大模块和所述对数放大模块的放大数据生成所述控制信号。所述反馈模块包含反馈输入端和反馈输出端，所述反馈输入端连接所述线性放大模块和所述对数放大模块，所述反馈输出端连接所述切换模块。

进一步地，所述反馈模块包含第一比较器和第二比较器，所述第一比较器的输入端连接所述线性放大模块，所述第二比较器的输入端连接所述对数放大模块。所述反馈模块进一步包括或门和D触发器，所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端连接所述或门的输入端，所述或门的输出端连接所述D触发器的输入端，所述D触发器的输出端连接所述切换模块。所述反馈模块根据所述线性放大模块和所述对数放大模块的放大数据生成所述控制信号之前，所述切换模块连通所述输入端和所述线性放大模块。

本实施例的具体工作原理为：

参考图6，初始状态，切换模块连通所述输入端和所述线性放大模块，设定限定线性放大模块的最大输出时对应的微电流的大小为所述控制信号的控制阈值。本实施例中，设定控制阈值为100pA。第一比较器和第二比较器的VREF端设置的电压为100pA时线性放大模块对应的输出电压。

反馈模块生成反馈信号之前，控制单元读取所述线性放大模块，当输入端的待检测微电流小于100pA时，控制单元通过控制信号控制切换模块连通所述输入端和所述线性放大模块，第一比较器的输出为0，第二比较器输出为0。当输入端的待检测微电流从小于100pA上升到大于100pA的瞬间，第一比较器的输出为1，第二比较器输出为0。当输入端的待检测微电流大于100pA时，控制单元通过控制信号控制切换模块连通所述输入端和所述线性放大模块，第一比较器的输出为0，第二比较器输出为1。当输入端的待检测微电流从大于100pA下降到小于100pA的瞬间，第一比较器的输出为1，第二比较器输出为0。

参考图5，反馈模块通过或门以及D触发器，其中D触发器为上升沿D触发器，捕捉两个比较器产生数据变化的瞬间，在两个比较器在0到1变化的上升沿瞬间生成反馈信号，并使控制信号反转一次生成新的控制信号，例如：切换模块连通所述输入端和所述线性放大模块，在第一比较器从0变为1的瞬间，控制信号使切换模块的连接方式反转，变为切换模块连通所述输入端和所述对数放大模块。

实施例三

本实施例与实施例二基本相同，不同点在于：

参考图7，所述第一比较器和第二比较器的基准电压端连接控制单元。所述控制单元动态调整所述第一比较器和第二比较器的基准电压端。控制单元通过动态调整所述第一比较器和第二比较器的基准电压端，例如在第一时间段内，所述第一比较器和第二比较器的基准电压端为100pA对应的线性输出模块的输出电压，第二时间段内，所述第一比较器和第二比较器的基准电压端为50pA对应的线性输出模块的输出电压，在第三时间段内，所述第一比较器和第二比较器的基准电压端为150pA对应的线性输出模块的输出电压。

其具体工作原理与实施例二大致相同，在此不再阐述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。