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一款全新的高阻电桥检流计

时间:2012-10-09  来源:38hot  作者:lymex

检流计和指零仪的弱点

电桥法测电阻离不开检流计/指零仪,而传统的检流计具有脆弱、换档使用麻烦、灵敏度低的几个问题。

A、脆弱
传统检流计一般是悬丝结构,经受不起冲击,也绝不能通过大电流,否则被打坏或烧坏。这种检流计电压灵敏度相对很高,满度电压有的才是微伏级,因此几个毫伏早就大大超过量程,加上伏级电压很可能就烧坏了。由于满度电压太低,因此也不能用两个二极管进行保护。

B、电流灵敏度低
传统检流计最初是测试低阻的,此时需要检流计能分辨尽可能低的电压差异,因此检流计必须具有低内阻的特性,一般是几百欧甚至几十欧,造成电流灵敏度低。国产AC15系列内阻最高的是/1型的,内阻1500欧,分度值是0.3nA,是1G电阻在0.3V下的电流,因此这样的检流计对于高阻就无能为力了。

C、使用麻烦。为了能兼顾粗看和精测,检流计都带有很多档的灵敏度调节开关,以便在不同时候使用。也有的是具备粗按钮和精细按钮,不能长时间加电,实用中需要先改变电桥然后再接合检流计观察,调节电桥的时候观察不到检流计,实际上是盲调,造成调节平衡很不利。

D、方便性差
指零仪尽管具有内阻高、灵敏度高的好处,但是用起来很麻烦,档位太多。

E、易受干扰
带放大的指零仪体积大、交流供电,引线连接还都是分别的接线柱(不是同轴屏蔽),因此容易引入干扰。

F、电流分辨和噪音性能一般
例如Fluke 845A,内阻1M(最低档),远不如短路法好。其最低档尽管可以测试1pA,但噪音已经很大了,达到0.2pA,指针无规则摆动太大。

高阻桥对检流计的要求

高阻桥,是用来测试高阻值电阻的,尽管高阻的精度低些,但流过的电流非常小,有电阻偏差后电流就更小了,因此对检流计提出了对应要求:

A、电流灵敏度超高
例如100V的测试电压下,100G的电阻偏离了0.01%,那么等价为0.005V的电压接上一个50G的电阻加到了了检零计之上:


如果检零计是一个理想的电流表(短路法测试),那么只有0.1pA的电流可供检测,这已经非常小了,因此要求电流灵敏度超高。

B、电压灵敏度要求不太高
同上电路,如果检零计是一个理想的电压表,输入阻抗无穷大,那么可以测试出5mV的电压。5mV其实已经很大了,也远大于常见的运放的Vos,因此无需特别考虑。

C、最好是不换档
换档会引起机械振动或机械位移,也会让仪器重新软开启,不仅操作麻烦、费时,而且会引起不稳定因素和磨损,应尽量避免。

D、短路法测试
由于高阻有分布电容效应,时间常数大,电压改变后电容要重新充放电,这样势必花费时间去稳定。例如测试1T电阻,即便有3pF的杂散电容,时间常数也要3秒。考虑到必须等待多个时间常数后才能测试,那就要10到20秒的稳定时间。假如在电桥R1、R2、Rd调整的时候,能够保证Rx的电压不变,那将大大的提高测试速度。而Rx电压不变,就要求从Rx看指零仪G,输入为低阻抗,最好是以短路形式测试的。另外,短路法测试可以吸收最大的电流。

E、输出方便
对于手动调节电桥平衡的,输出最好是指针式的,中心零点,直观方便;
对于自动电桥,直接输出不平衡信号电压,这样就可以实现双电压高阻桥的自动调整功能。

F、可以悬浮使用
即要求检流计的正负输入对称,对地为超高阻,这样才能排除内部漏阻的影响。一般来讲,只要电池供电的检流计才可以满足这个要求,交流电供电的很难解决变压器漏电和干扰的问题,后加隔离变压器也太复杂,漏阻也不一定能满足超高阻测试的要求。
一款新型检流计的设计

先上电路图:



这款指零仪具有超高的电流灵敏度、可以悬浮使用、无需换档、短路法测试、双输出,因此几乎满足了超高阻测试对指零仪的所有要求。

电源用±3V或±2.5V,由两只HT7130通过9V电池得到,或者用HT7150加上运放分压。
由于高阻桥对指零仪的电压灵敏度要求不高,因此这里采用了单级运放反馈放大的方式,可以满足需要。

但另一方面,高阻桥对指零仪的电流灵敏度要求非常高,否则就分辩不出高阻的微小变化。因此,必须采用Ib非常小的静电运放,可以选择的有LMC6001A、LMC6042A、LMC6062A、LMP7721。反馈电阻也取得尽量大(这里用了1T),这样,就可以满足电桥对检零计的要求。

其实这个电路最重要的,是引入了正偏背靠背的两只二极管反向并联,作为反馈元件的一部分。由此,形成双向对数限位器。
Q1、Q2要求正向内阻超高,经过仿真实验选择了2N5550,实际我要选择9014,这管子实测其be正向压降很接近理想二极管,在0.1V下电流不超过0.5pA。
事实上,某些小信号三极管的be节的的I-V曲线具有对数特性,这个电路实际上是个双方向的对数I-V转换器,而且通过1T超高阻解决了零点过渡,这样既有非常大的动态范围(7个数量级),同时又保持了最高的灵敏度。从刻度上,在1E-6到5E-12的电流范围内,具有对数特性,而在零点附近,保持了极高的灵敏度,最小可以分辨到3E-14(即0.03pA,相当于12mV),使得检测极高电阻的微小失衡成为可能。




输入低于0.5pA后,输出有快速下降的趋势,这主要是正向有饱和现象,即出现了近恒流状态。这个恒流电流越小,灵敏度就越高。

元件选择

运放的选择
Ib要非常小,至少是<10fA的,这样就可以不成为任何瓶颈,便于将来升级。几款LMC系列的都可以;
耗电要小,这样电池供电时就很节省,LMC6042、LMC6062都可以,几十微安;
电源压较低,可以用5V供电,CMOS的都可以;
对Vos没有太高要求,只要<5mV即可,因为零点附近不确定度比较大,Vos小的也浪费了。

三极管的选择
这个是关键元件,一定要选择正向小电压下,电流小者。
按照理论公式计算,理想二极管在0.1V的正向压降下有大约1pA的电流,而在0.03V的情况下,有0.1pA。这两个点决定了此指零仪的最高灵敏度,因此一定要筛选好,接近这理论值是最好的,这样才能保证有0.1pA的灵敏度。

输出的方式
输出可以用模拟表头,中心为零,双向满度50uA的那种,总阻抗5k的话满度250mV,总分度50,可以分辨10mV。由于30mV对应0.1pA,因此此时有3格,或者说1格的时候可以分辨出大约0.05pA。这种指针的方式主要是配合手动电桥用的,当然,在自动的方式下,可以保留指针表,作为直观的零点确认。
输出也可以是信号的,-250mV到+250mV,超量程可以达到-600mV到+600V,用于自动电桥。

其它没什么特别的了,因为二极管有漏阻和饱和电流因此1T电阻可以不要,二极管也有电容因此2pF也自然可以省略。

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