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可调直流电源测试工程师解析1pA超微电流测试器

来源:美端电气 ??发布时间:2018-12-07 14:37

可调直流电源(power supply)测试(TestMeasure)工程(Engineering)师解析1pA超微电流测试器该如何制作(Make)?微电流在探索、测试、研究领域(domain),用途广泛(extensive),是打开可调直流电源测试微观领域的一把钥匙(key)。人类探索微观电流世界的过程从pA级到fA,再到aA,现已经进入单个可调直流电源时代。

人们往往认为,DIY一个1pA测试(TestMeasure)器是需要经历巨大挑战的。本文试图说明,通过适当的方法和传统(chuán tǒng)而简单的成熟技术,不仅可以很好的解决了测试1pA的问题,同时可以把测试下限做到1fA以下,进入aA领域。
01、电路(Electric circuit)图及说明
用电池供电,微功耗设计;
电池选9V,用低压差低功耗的HT7150三端稳压成5V,自耗电<4uA;
然后用双运放的一半,把5V分成±2.5V双电源,这部分耗电<22uA;
R3和R4把-2.5V分压成100mV作为标准电压(voltage),由R5=100G提供测试(TestMeasure)用的1pA标准电流。这部分耗电5uA;
最后,双运放的另一半接成经典负反馈I-V转换电路(Electric circuit),这部分耗电16uA;
运放采用LMC6062AIN,很便宜的东西,典型Ib=10fA,典型Vos=100uV,耗电32uA;
运放也可以用LMC6042AIN,很便宜的东西,典型Ib=2fA,典型Vos=1000uV,耗电20uA;
R6提供保护,不至于因偶然输入过压而导致运放损坏;
R7是反馈(feedback)电阻,C4是反馈电容,用于抵消输入电容的影响,提高响应时间,同时也与R7一起提供一定的时间常数。
合计耗电<47uA,一节9V充电电池(350mAh)可以使用7000多个小时。电池测试仪主要用于检测过电流、电压、容量、内阻、充电、放电温度、电池循环寿命,并给出曲线图。如果换用LMC6042AIN,总耗电<35uA,电池可以使用10000小时。 
02、仿真(simulation)
电路很简单,预期会很顺利,但实际上很艰难。大概是Multisim对于超高阻部分做的不好。
可以看到,仿真App把主运放的Vos取了0.35mV,另外也肯定加入了Ib的影响,最后的输出有一点偏差,很正常。
 
03、准备材料(Material)、元件
除了个别元件比较难找外,其余都是很常见的。蓄电池组负载测试仪功耗部分采用新型PTC陶瓷电阻作为放电负载,完全避免了红热现象,安全可靠无污染。整机由微处理器控制,液晶显示、中文菜单。外观设计新颖,体积小、重量轻、移动方便。各种放电参数设定完成后,自动完成整个恒流放电过程。完全实现智能化。使整个放电过程更安全。
特殊的元件,主要是100G的电阻。 
 
04、元件布局
先裁减好万能板,主要元件排布一下。
上边是电源,右下是输入,左下是输出。
05、制作输入隔离岛
此处为关键部位,隔离岛需要高度绝缘。
采用优质BNC插座,确认绝缘(insulated)部分是特富龙材料,这是常见的最好的绝缘材料(合成树脂),电阻率可以超过10的15次方欧姆-厘米。
不仅如此,BNC插座的外皮,要强制在地电位,这样与中心导体的电位差就很小(<1mV),这样才能保证漏电不超过0.1fA。蓄电池测试仪是专用于日常维护中对落后单体蓄电池处理的便携式产品,它具有三种独立的使用方式:电池放电方式,电池充电方式和电池活化方式。 
06、输入岛岛芯的制作(Make)
这部分要实现良好的机械支撑和电气绝缘(insulated),同时要尽量减少体积(volume)以免不必要的输入电容和感染,这样就直接在中心导体上焊接成四叉,分别接输入、反馈电阻R
  F、反馈(feedback)电容C
  F、运放输入/保护电阻。
 
07、元件安装和焊接
这部分没有啥特别的,常规做法。
不过也比较麻烦,断断续续焊了两个小时,刚刚完成。电池测试仪主要用于检测过电流、电压、容量、内阻、充电、放电温度、电池循环寿命,并给出曲线图。
标准电压(voltage)源,不仅有0.1V,而且增加了10mV: 
08、反馈(feedback)电容制作
其实还没有焊接完成,发现运放的输出还没有接,反馈电容还没有位置(position ),补做一个。
这个电容要求超低漏电、很小的容量(Capacity),难于找到成品,只有自己做。
用外径(外缘直径)0.55、内径0.34的特富龙单芯双绞线8cm,加密双绞。测试一下,4.7pF,可以了。
09、安装基本完成
又发现一个错误,电压源的地接错了,接到了-2.5V上去。改正后,装上大部分元件后:
10、初步测试(TestMeasure)
用Mengxin DIY手持6位半测试(TestMeasure),不给予任何电流信号,即输入电流为零,只接上反馈电阻和反馈电容,零点貌似正常,不装盒时有干扰,装盒后大约为1.7mW,也就是17fA
加上1pA内部电流后,输出大约是91.5mV,也就是915fA,正常。蓄电池综合测试仪不需放电准确测量内阻和估算容量,提前发现落后电池,确保电池组供电系统安全运行,并引导蓄电池组在正确的参数下运行,延长蓄电池的使用寿命,对异常状况进行报警。
 
11、初步采集
仍然用Mengxin 6.5,测试时保存在内部MicroSD卡中,采集了零点和1pA信号,结果非常平稳,噪音非常小。至此,1pA超微电流(Electron flow)测试仪DIY成功!
 
然而,小编整理到这里发现事情并不简单,大神在本帖中还分享了常识。附,本帖目录一份,后面的章节请大家点击下方原文阅读,继续查看。

  

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