论文总字数：26180字

摘 要

微弱电流即小于10^-6A的电流。近年来，随着电子测量技术的进步，对微弱电流信号进行检测的有关技术在信号处理、测量传感、临床医疗、军事跟踪、仪器仪表、电磁学等相关领域中的运用越来越广泛。微弱电流信号的检测对于新兴科技的发展研究、理论知识的探索创新都具有重要意义。

本文所设计的微电流检测装置以STM32F103C8T6单片机作为控制核心，采用高精度运算放大器LTC2051搭建I/V转换放大电路，利用芯片内提供的两个OP放大器对信号实现二级放大并送入STM32F103C8T6内部的AD采样电路中,经运算处理后将采样值还原为电流值传送到上位机进行显示。

经过测试，本文所设计的微电流检测装置测量范围为0~500μA，相对误差小于1.5%，体积为75mm x 40mm x 10mm，具有体积较小便于携带的特点，适用于医疗、生物等领域的微弱电流信号检测。

关键词：弱电流检测 STM32F103C8T6 运算放大器

Abstract

Weak current is current less than 10-6a.In recent years, the detection technology for weak current signals has been widely used in signal processing, measuring devices, clinical medicine, military tracking, instrumentation, electromagnetism and other related fields, greatly promoting the progress of electronic measurement technology.However, at present, the index requirements for weak current signal detection are gradually improved, and it is very important for the development and research of emerging technologies and the exploration of new theoretical knowledge to effectively detect weak signal, and it is also crucial for the rapid development of measurement instruments and other related fields.

Related detection circuit design in this paper, in order to STM32F103C8T6 single chip microcomputer as control core, through the use of high precision operation amplifier LTC2051 as amplifying circuit, realize the IV conversion, the weak current signal into a voltage signal can measure, after two stage amplifier into STM32F103C8T6 internal AD sampling circuit system, at the same time the voltage value that had been collected through STM32F103C8T6 SCM processing, and the readings will be calculated value to the upper machine.

Through testing, the microcurrent detection device mentioned in this paper can detect the microcurrent signal of 0 A~500 A.It is 75mm long and 40mm wide, so it is small in size and easy to carry. It is suitable for medical and biological fields.

Key words：Weak current detection; STM32F103C8T6; operational amplifier 

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 前言 1

1.1 本课题的前景及意义 1

1.2 国内外研究情况 1

1.3 课题主要解决的问题 2

第二章 系统总体设计 3

2.1 系统硬件总体结构图 3

2.2 设计电路方案的比较 3

2.2.1 控制系统的选择与论证 3

2.2.2 放大器的选择与论证 4

2.2.3 转换器的选择与论证 6

第三章 系统硬件电路的分析 9

3.1 系统模块电路设计及原理 9

3.1.1 放大电路的设计 9

3.1.2 芯片结构 10

3.2 单片机系统设计 11

3.2.1 单片机总体设计方案 11

3.2.2 STM32F103C8T6介绍 12

3.2.3 STM32F103C8T6外围电路设计 13

3.3 A/D参考电压电路设计 14

3.4 稳压电源设计 15

3.5 上位机串口电路设计 16

3.6 PCB设计图 17

第四章 系统软件设计与调试 18

4.1 系统软件程序流程图 18

4.2 AD采集程序设计 18

4.3 上位机串口程序设计 19

4.4 调试结果与分析 20

第五章 总结与展望 22

5.1 总结 22

5.2 展望 22

参考文献 24

附录 系统程序 26

致谢 32

第一章 前言

1.1 本课题的前景及意义

微弱电流就是指小于10A的电流。随着生物医疗等领域的急速发展，对各类微弱信号检测的要求越来越高，而有效的检测到微弱信号对新兴科技的发展和研究以及探索新的理论知识具有十分重要的意义，同时对测量仪器等相关领域的快速发展至关重要。微弱电流检测的难点就在于消除噪声信号，尽可能采集到有用信号，在采样过程中相较于所选传感器的性能指标、采用的电路和测量方法，噪声的滤除及信噪比的提高更为关键。目前常见的电流采集方法有：高输入阻抗法^[1]、前级放大检测法、噪声分析方法^[2]、AD采集法、通频带滤波法、多通道滤除噪声法、信号锁存法、直接检测法等。

1.2 国内外研究情况

通过查找资料得知，当前我国对微弱电信号的测量最高能够达到10^-16A^[3]，典型的产品为EsT121，具有非常高的阻抗；而国际上对微弱电流的测量能够达到10^-17A，目前美国的凯瑟琳公司已经可以研发出比较成熟的产品。此类测量技术大多采用电子学、自动化学、计算机学的知识，同时需要研究噪声来源及性质，分析被检信号的特征，并考虑如何将在各种频率的噪声中，有效地提取所需信号。依据不同信号的相关特点，微弱电流信号的检测通常从以下两个着手方面：一、从硬件电路选择出发，选择噪声系数低的低噪声放大器以及选择抗干扰能力强的传感器^[4]；二、选择一些适合微弱信号测量的特殊芯片，如锁相放大器。使用锁定相位技术的放大器能够实现此类检测，通过把直流的基带信号进行前级低噪声放大，再利用混频器以及低通滤波提取到有用信号。使用这种方法可以有效的降低其它频率噪声的干扰免受噪声信号的影响，同时可以不受直流放大器的温度特性及零点偏差的影响，有效滤除噪声。此外为了有效抑制噪声信号，把有用信号提取出来，在进行测量之前必须要搞清楚噪声的来源、极间串扰、特征以及选择噪声系数低的芯片作系统硬件设计，这样才能实现所需要的功能。目前在电路中常见的噪音来源有以下几种：一、在非电来源噪声中机械类噪声^[6]在其中占有很大比例。它的产生机理即机械震动或运动转换为电噪声。在实际情况中这类噪音来源广泛，可以是人耳能够听到的噪音，摩擦造成的噪音，也有由磁场运动造成的噪音^[7]，直流电压导致的噪音，电化学引起的噪音，由于温度的变化进而导致的噪声以及机械触点造成的噪音等。例如某种电化学类的物质和周围湿气相互混合便有机会转变为电解溶液，和它能够发生触碰的电路中不同金属之间便存在一定几率形成电化学电池，不同金属的两处接触点接口如果各自处在不一样的温度中，就可能会形成一定比例的热电势，靠近电阻的数值就会跟着改变，PN结处于正方向的压降同样有可能发生改变。二、回射噪声：由于电路在设计时前后的阻抗没有匹配上，且导线传输的距离加大，而产生了反射，且还有一定的附加相移，最后导致了噪声信号累加在有用信号中。三、尖峰式噪声^[8]：这种信号一般出现在数字电路中、时钟晶振在振荡时产生的尖峰脉冲波会通过地平面耦合到其它电路中而产生一个串扰。四、开关式噪声^[9]：由于按键在按下和弹起的时候会有一个时间的延迟，这时间的延时就是一个尖峰脉冲噪声信号。

1.3 课题主要解决的问题

本文针对如何可靠准确地检测各种微电流信号这一问题，主要研究基于运算放大器的微电流信号检测，实现微安级的微电流信号测量。要选择适当的元器件，降低机械来源噪音，并设计符合逻辑的电路原理图及布线达到要求的PCB原理图，最后制作实物并进行精度范围的测量。

第二章 系统总体设计

2.1 系统硬件总体结构图

本文所涉及的微电流检测装置硬件结构图如2-1所示，硬件电路包括最小系统、线性电源、放大电路及上位机。

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