微弱电流测量及其干扰滤除的问题 已更新原理图

zl36

微弱电流测量及其干扰滤除的问题 已更新原理图 [复制链接]

本人对电化学实验中的缓慢变化的直流进行测量，该直流变化范围在nA（甚至更小）到mA级别，采用电流跟随器转换成电压测量（采用OPA132或是CA3140或是OPA121或是OPA129），现在问题在于本人使用电阻R2、R4来模拟前端系统产生待测电流 i 进入电流跟随器进行测量时可以达到比较好的效果（在使用1M电阻R5的电流跟随器后面B处用FLUKE8050 AC档测量得到6mV交流电压，相当于6nA底噪干扰），但是在接入实际前端系统（乃一溶液系统）后，该直流源就会引入很大的交流干扰（在使用10K电阻R5的电流跟随器后面B处用FLUKE8050 AC档测量得到高达200mV甚至更高的交流电压，相当于至少20μA底噪干扰），在有用直流信号逐渐变小后，该交流噪声还是不减弱，基本恒定，但这时无形中就把有用直流信号湮没。
      针对问题作如下分析，考虑下面几种可能：
1.电源干扰：由于电源纹波串入到前端系统，导致噪声增大，但是在使用电阻来模拟的时候噪声还是比较小的，所以可能不是这个问题，但是我已尝试改变过电源，有些许好转；
2.工频干扰：这是做测量中最容易出现的干扰，与1分析相同，在电阻模拟时没有太大干扰，但是与模拟时还有一个很大的区别，就是实际待测溶液系统是由两个烧杯组成，中间用试管连接，这些溶液面积很大，会不会比电阻更容易引入工频干扰。用频率计在电流跟随器输出端测量，发现频率在500-800Hz之间变化，不知是否是高次谐波；
3.电场和磁场干扰：与2分析相容，由于暴露面积很大，容易吸收外界电场或是磁场，从而带来噪声；
4.溶液本身的振荡引起的干扰。
      对应处理措施：
      第1种可能的处理；尽量减小纹波电压，目前用FLUKE8050 AC档测试电源输出端，有2mV最有交流噪声，不知这样测试和理解是否正确；
      第2、3、4种可能无法处理（这也是发此贴的目的），只考虑到两种形式：1.由于干扰信号太大，想在电流跟随器后面处理本人做不到，已经尝试过用低通滤波，但是不可能衰减那么多；2.在电流刚进入电流跟随器是处理，通过串入电感和并联电容进行滤波，但是在这个位置处理的干扰源属于恒流源型，不知能否行得通。
      总之，简单的讲，需要解决的问题是从微弱直流中把干扰交流电流滤掉。
      以上是本人针对相应问题的分析，有些地方都不知道是否正确，在此还请大家指点。
先将大致原理图更新如下：


[ 本帖最后由 zl36 于 2010-3-8 12:05 编辑 ]

lixiaohai8211

建议前端电阻最少用到M级，在做射随之后再做滤波的处理。首先看看是共模干扰的还是差模干扰，然后再采取相应的措施。另外运放的偏置电流应该选尽量低的。

zl36

感谢版主照顾新人，看了解答还是有些疑问，基础不是很扎实;P
1.前端电阻是不是我说的电流跟随器上反相端与输出端之间的电阻？如果是这个的话，那么我在测量小信号的时候肯定是要把它加大的，这样才能得到测量的到的电压值，但是现在问题是还没有等到我把电阻加大，噪声已经很大了，所以现在进行不下去；
2.共模干扰和差模干扰懂的概念，但是不知道在实际电路中如何区分。我这个被测端就一条引出线，不知道怎么看是共模干扰还是差模干扰（估计会被笑死:( ）；
3.我这里使用的运放已经是失调电流很小的那种，都在pA左右，不过失调电压可能有些会高一些，但是基本可以修正，我想应该够用。
    再次感谢版主！希望再次指点！

wangjiafu1985

加低通滤波应该可以吧，除非你的低通滤波器本身就有很大的噪声。

zl36

谢谢楼上关注
本人在后端做了两种尝试：
1.加入由UAF42组成的50Hz陷波器，但是基本无改善，可能是干扰信号并不是集中在50Hz，这两天可以尝试用UAF42做一个10Hz的低通；
2.用OPA132做了一个二阶低通滤波器，但是不知道是什么原因，总是发热比较厉害，不过输出端效果还是可以，暂且不用该方案。
    个人觉得在后端做滤波好像不叫困难，主要是局限性比较小，在大电流时可能会有效果，但是一旦测量小电流时（nA级别），电流跟随器中电阻必然需要加大，噪声也跟着放大，这就没办法将过大的噪声衰减到输入信号级别。

zl36

现在考虑在电流跟随器输入端加入LC低通滤波，不知道这样行不行得通

crazyk

第一级的电阻不应过大，要知道电阻的热噪声也是有影响的，而且电阻本身也不精确，如果阻值很大，那热噪声、温漂将不可忽略，几M也就可以了，不能再大了吧，这样的电路对环境噪声也有要求，要加屏蔽罩，而且运放管脚布线时要加地环隔离，我也做过类似的东西，可能应用场合不同，也是nA级，遇到问题没有你的大，我当时第一级用OPA129，第二级用INA114，时间太久记不太清除了，愿和大家一起讨论！

[ 本帖最后由 crazyk 于 2010-3-7 23:16 编辑 ]

zl36

谢谢版主的分析！
1.电流跟随器的电阻我设置的最大值是10M，是可以切换的，最小1.5欧，不知道是不是这里的噪声也不清楚，但是如果是电阻引起的噪声应该不会这么大；
2.后端已经用金属机箱罩起来，从面板处引出了三根线（全部屏蔽）作为待测溶液系统的电极连线（原来不用屏蔽线时，工频干扰很厉害，加了屏蔽线已有很大好转），但是待测溶液系统不可能加屏蔽罩，这样设计仪器就意义不大，另一台商业级设备在完成该测试时是不需要对待测溶液做任何屏蔽的，所以问题可能还是在怎么滤波了。
3.已经在所有外部电极到内部运放管脚的四周加上了屏蔽地环。
    但是现在干扰源是电流源，一进电流跟随器就已经很大了，在这么一跟随，就更大了，故无从下手。做这个东西先后是了十来个，有两三次是可以达到比较小的噪声的，但是到现在为止还不能人为重复，估计还没有找到问题关键所在。
    还是需要大家一起讨论！谢谢！

[ 本帖最后由 zl36 于 2010-3-8 00:26 编辑 ]

lixiaohai8211

建议楼主先贴个图给大家看看

wangjiafu1985

楼主有没有想过使用锁相放大器，弱信号探测使用锁相放大器能有效提高信噪比，只不过这里面存在对被测信号进行调制的问题，后面倒是好说，就是得好好想一想如何对被探测信号进行调制。

zl36

在查阅相关资料的时候，发现基本上测量微电流都是使用电流跟随器，所以没有考虑其他方案，感觉这么小的电流要调制的话还得放大，然后在调制，可能中间更容引进干扰。
我马上上图！
希望大家多多讨论，发表意见，微电流测量确实比较啰嗦

lixiaohai8211

原帖由 zl36 于 2010-3-8 11:07 发表
在查阅相关资料的时候，发现基本上测量微电流都是使用电流跟随器，所以没有考虑其他方案，感觉这么小的电流要调制的话还得放大，然后在调制，可能中间更容引进干扰。
我马上上图！
希望大家多多讨论，发表意见，微 ...

对技术的深究和问题的解决才是最重要的，啰嗦倒谈不上了。

zl36

已上原理图，还请大家讨论

simonprince

没做过，感觉应该在信号进入跟随器前，先把干扰处理掉

zl36

原帖由 simonprince 于 2010-3-8 13:15 发表
没做过，感觉应该在信号进入跟随器前，先把干扰处理掉

本人也是这个想法，但是不知道用什么滤波比较好，针对的有效信号是直流源，滤除交流干扰信号，不知道LC滤波行不行，好像这个滤波可以不改变原有直流的强度，一旦改变原有直流强度，后面测出来的就不是想要的了

wangjiafu1985

原帖由 zl36 于 2010-3-8 14:51 发表

本人也是这个想法，但是不知道用什么滤波比较好，针对的有效信号是直流源，滤除交流干扰信号，不知道LC滤波行不行，好像这个滤波可以不改变原有直流的强度，一旦改变原有直流强度，后面测出来的就不是想要的了

个人觉得LC应该可行，但是L和C的选取就对精度有很大影响了，尤其是C，漏电流对精度有很大影响。

zl36

本人对LC滤波器不是很清楚，只是做过有源滤波器，不知道LC滤波器是否对交流电流源可以滤除，而且现在需要将微安级别衰减到nA级别

simonprince

原帖由 zl36 于 2010-3-8 15:48 发表
本人对LC滤波器不是很清楚，只是做过有源滤波器，不知道LC滤波器是否对交流电流源可以滤除，而且现在需要将微安级别衰减到nA级别

这个滤波是不是要计算一下

zl36

用滤波电路都的计算呀，计算到还好办，关键是元器件参数会发生误差，特别漏电流，这个是没有办法考虑进来的

zl36

汇报今天最新实验情况
1.在电流跟随器的反相输入端添加RC低通滤波，无反应，后来一想，肯定没效果，这一处通过的相当于恒流源，如果是电压源才有效吧；
2.在原电路B处添加一级RC低通滤波，电阻使用10K，电容使用1μF，理论截止频率是15Hz左右，在R5为10K的时候将100mV左右的450Hz交流干扰衰减到不到30mV，但是输出总是有一50Hz干扰。看来添加低通滤波效果还是有的，但是希望通过低通滤波将这个交流干扰衰减4个数量级，不知道做不做得到，是不是只能够通过多级串联形成，还请大家指点。