采用前置微電流放大器和可編程增益放大器兩級運放，實現(xiàn)電離規(guī)離子流的可編程增益放大，以滿足在真空度迅速變化且動態(tài)范圍較寬時對真空度的快速準確測量。介紹了微弱電流信號的放大原理、器件選擇原則、單片機控制可編程增益放大器的實現(xiàn)方法、電路抗干擾措施等，并給出了部分測試結(jié)果。本文設(shè)計的電離規(guī)離子流放大電路具有增益動態(tài)范圍寬、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，為托卡馬克裝置的真空度快速測量系統(tǒng)中離子流測量電路提供了設(shè)計參考。

　　設(shè)計抗干擾快速響應(yīng)電離真空規(guī)測量儀器，離子流放大單元是測量電路的核心。眾所周知，電離真空計的工作原理是：規(guī)管內(nèi)陰極發(fā)射出來的電子在電場作用下來回震蕩與中性氣體分子發(fā)生碰撞，以一定的幾率產(chǎn)生電離，而電離出來的正離子數(shù)與氣體分子密度n 成正比，在一定的溫度下，與氣體的壓力p 成正比，即可以通過離子流大小指示真空度的大小。在真空度較高時，收集極的正離子流十分微弱，會達到微安量級(10-6 A)甚至更低，真空度迅速變化時離子流動態(tài)范圍也較寬。采用常規(guī)離子流檢測方法可能遇到以下問題：固定增益放大不能滿足全量程信號轉(zhuǎn)換要求;單級放大器放大微弱信號，需要很大的反饋電阻，導(dǎo)致精度和靈敏度下降且響應(yīng)時間長;傳統(tǒng)的機械切換開關(guān)或繼電器改變運算放大器增益的方法所需元件多，轉(zhuǎn)換速度慢。

　　為克服傳統(tǒng)離子流放大電路的不足，設(shè)計了可編程增益放大器，即采用前置微電流放大器加可編程增益主放大器的兩級運放電路。該電路具有增益動態(tài)范圍寬、精度高、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點。

1、硬件電路總體設(shè)計方案

　　對于常規(guī)小信號檢測，基本的思路是對信號進行放大，而對于像離子流這樣微弱的直流電流信號是不能直接進行放大處理的，需要先轉(zhuǎn)換為

　　電壓信號，即通過用于I/V 轉(zhuǎn)換的前置放大電路將微弱電流信號轉(zhuǎn)化為小電壓信號，并在轉(zhuǎn)換過程中實現(xiàn)一定倍數(shù)的放大。在離子流信號放大的同時噪聲和干擾也被放大，之后需要對信號進行整形濾波等處理，濾除高頻噪聲，再經(jīng)過可編程增益放大器進一步放大到可讀取的信號。此信號經(jīng)再次濾波后送到模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機進行控制和顯示。放大器增益的選擇由單片機發(fā)出指令進行控制。電路框圖如圖1 所示。

圖1 離子流放大電路框圖

　　為了實現(xiàn)對微電流快速精確的放大，本電路的設(shè)計原則是：選用高精度、高穩(wěn)定度元器件;對來自于存在較強電磁干擾的高溫等離子體電離信號，采取一系列降噪措施。

2、微電流前置放大器

　　2.1、I/V 轉(zhuǎn)換電路

　　微電流測量方法常見的有高輸入阻抗法和積分法。積分法測量微電流可以減小噪聲的影響，但因采用了積分環(huán)節(jié)，電路響應(yīng)時間長。作為快速響應(yīng)離子規(guī)的測量電路積分環(huán)節(jié)不可取。高輸入阻抗法是將電流轉(zhuǎn)換為電壓，也稱為直放式微電流轉(zhuǎn)換法。微電流前置放大器實際上是一個I/V 轉(zhuǎn)換器，可以用運放直接搭接的方法(跨阻放大器) 實現(xiàn)，即充分利用運放“虛短”和“虛斷”的概念，將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，同時對信號進行適當?shù)姆糯螅�原理如圖2 所示。

圖2 I/V 轉(zhuǎn)換電路

　　圖2 中，R0 為輸入保護電阻，R1 是跨接在放大器輸入端和輸出端的高阻，C1 是R1 并聯(lián)電容，它包括輸入端的雜散電容和布線分布電容。因為電流源內(nèi)阻理論上為無窮大，實際上也能達到1010 Ω 量級以上。對于輸入阻抗與開環(huán)增益均為無窮大, 輸入偏置電流為無窮小的理想運放,則被測電流Iin 將全部流過反饋電阻R1, 則輸出電壓。

結(jié)語

　　本文設(shè)計的電離規(guī)離子流放大電路，動態(tài)范圍大，響應(yīng)速度快，測量精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，適合作為真空快速測量系統(tǒng)中離子流放大部分電路的設(shè)計參考。