自制簡易納安表：低成本實現(xiàn)微小電流精準測量

常見的數(shù)字萬用表的電流擋最小分辨率可能是0.1微安，作為電子DIY中測量電路功耗的用途是夠細的。但要有特殊的需求測量更小的電流，比如要測量二極管的反向漏電電流時，萬用表的電流擋就不夠用了。幾年前我在網(wǎng)上看到一種低成本的微小電流測量方法，是用低偏置電流的MOS運放來做電流電壓變換，也就是跨阻放大器。反饋電阻取得越大，能夠測量的電流范圍越小。如下圖中b) 方案所示。

上圖的 a) 方案是最常用的，即通過電流取樣電阻將被測電流轉(zhuǎn)為電阻上的壓降。一般萬用表也是同樣的原理，由于取樣電阻不要太影響被測電路所以不會太大，于是電流分辨率受限與電壓的分辨率。b) 方案換了一個思路，用了運放的負反饋來讓電流輸入端虛短到地，把電流取樣電阻另一頭接到了運放輸出端上。這樣R2 可以取得很大，微小電流流經(jīng)它也獲得很大的電壓擺幅。c) 方案是用積分法，也能測量很小的電流。

幾年前我就買了一些高阻值的電阻來做打算一個納安表，量程切換用機械開關(guān)，搭棚焊做了這樣一個跨阻放大前端電路：

因為是實驗性的，我沒有專門做一塊PCB, 就在洞洞板上搭了。運放用的是TLV271，SOT-23-5封裝的。為了減少板子上絕緣沒做好的風險，我將運放用飛線“懸掛”起來了，高阻的輸入端和其它部分隔得很開。

雙聯(lián)5擋旋轉(zhuǎn)波段開關(guān)的動片接在運放輸出，當初只焊了四個電阻（分別是10M, 100M, 1G, 10G歐姆），它們一端都接在運放的負輸入端。

TLV271這個運放最低支持單電源2.7V供電，電壓輸出擺幅比較接近電源軌了，所以用兩節(jié)AA或AAA電池來供電是合適的，若輸出接一個機械式的電壓表頭（正負1.5V量程，零位在中間的那種），就可以構(gòu)成5擋量程的納安電流表。

TLV272的輸入偏置電流典型值是1pA，作為納安級電流測量是足夠的，測皮安級電流可能不太準，僅供參考。輸入失調(diào)電壓典型值0.5mV，因為是跨阻放大應(yīng)用影響不算大，換算到運放輸出滿量程的占比不到千分之一。

因為沒有現(xiàn)成的電壓表頭，幾年前我做到這里就把它放一邊了。現(xiàn)在接著做起來，用STM32做一個數(shù)字電壓表接起來：

MCU部分電路是簡單的，主要就是負責LCD模塊的驅(qū)動，然后利用片內(nèi)的ADC測量運放的輸出電壓，利用GPIO檢測波段開關(guān)在哪一擋（開關(guān)是雙聯(lián)的，模擬部分只用了一聯(lián)）。

不是整體一塊設(shè)計，飛線在所難免。

MCU是便宜的STM32F030，集成的ADC是12-bit，沒有專門的ADC器件好，只有通過軟件處理來提高一下準確度。

電源就簡單起見直接用一個3.2V鋰電池設(shè)計了，或者插電源經(jīng)其他3.3V LDO供電。運放的地（也是電流表輸入另一端）用電源電壓的中點（電阻分壓得到），這樣免得用負壓產(chǎn)生電路以及運放輸入到ADC的量程匹配電路。

STM32F030 48LQFP是沒有VREF引腳的，ADC的參考電壓就是電源電壓AVDD. 所以電源電壓會影響到ADC轉(zhuǎn)換數(shù)值。解決辦法是用ADC采一下片內(nèi)的1.2V電壓基準，再做軟件補償。于是我的程序里面ADC要采三個通道的電壓：運放輸出、運放+輸入端和片內(nèi)電壓基準。我嘗試使用了每256次采樣結(jié)果做一個平均處理。

不同擋位之間電阻是10倍數(shù)關(guān)系，所以若不做電阻校準的話程序只需要切換顯示的小數(shù)點位置和單位。

實測測量端懸空時的讀數(shù)如下圖參考，讀數(shù)沒有歸零應(yīng)該是運放輸入失調(diào)電壓的原因，此外讀數(shù)的最后一位是在跳動的。除了量程最小的兩個擋，數(shù)字的跳動可能是STM32 ADC噪聲的原因。這個玩意我不追求高精度，就不會拿高級的ADC來做，就把STM32湊合用了。

這個簡易納安表與萬用表的電流擋的關(guān)鍵差別在于：萬用表的電流擋，兩個表筆之間低阻抗等于里面的電流取樣電阻，而這個表的兩輸入端子間的阻抗約等于反饋電阻除以放大器的開環(huán)增益（還注意交流增益隨著頻率升高下降）。因此150pA擋位的內(nèi)阻是1500nA擋位的一萬倍。我們測量小電流的測試對象，往往也是很高阻抗的，因此測試時連接端非常容易受干擾（只要干擾源的阻抗相對是低的）。我在拍上圖最后一個照片(150pA量程)時候就發(fā)現(xiàn)：我在半米距離外揮手，表上顯示的數(shù)字都會劇烈變化，超乎想象。用這個小儀器的時候，根據(jù)測量對象的情況，要考慮遠離電磁干擾，或做屏蔽措施了。

我現(xiàn)在還沒有合適的外殼方案，等電路優(yōu)化后下一版整體考慮吧。比如運放輸入端的保護、零位誤差的自動補償，反饋電阻是否換成T形網(wǎng)絡(luò)等。

帖子開頭的那張照片是測量一只白光LED在有光環(huán)境下的輸出電流。某種意義上LED也能做感光用途。

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