采用前置微電流放大器和可編程增益放大器兩級(jí)運(yùn)放，實(shí)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(dòng)態(tài)范圍較寬時(shí)對(duì)真空度的快速準(zhǔn)確測(cè)量。介紹了微弱電流信號(hào)的放大原理、器件選擇原則、單片機(jī)控制可編程增益放大器的實(shí)現(xiàn)方法、電路抗干擾措施等，并給出了部分測(cè)試結(jié)果。本文設(shè)計(jì)的電離規(guī)離子流放大電路具有增益動(dòng)態(tài)范圍寬、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，為托卡馬克裝置的真空度快速測(cè)量系統(tǒng)中離子流測(cè)量電路提供了設(shè)計(jì)參考。

　　設(shè)計(jì)抗干擾快速響應(yīng)電離真空規(guī)測(cè)量?jī)x器，離子流放大單元是測(cè)量電路的核心。眾所周知，電離真空計(jì)的工作原理是：規(guī)管內(nèi)陰極發(fā)射出來的電子在電場(chǎng)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(shí)，收集極的正離子流十分微弱，會(huì)達(dá)到微安量級(jí)(10-6 A)甚至更低，真空度迅速變化時(shí)離子流動(dòng)態(tài)范圍也較寬。采用常規(guī)離子流檢測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換要求;單級(jí)放大器放大微弱信號(hào)，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(shí)間長(zhǎng);傳統(tǒng)的機(jī)械切換開關(guān)或繼電器改變運(yùn)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(jì)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(jí)運(yùn)放電路。該電路具有增益動(dòng)態(tài)范圍寬、精度高、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點(diǎn)。

1、硬件電路總體設(shè)計(jì)方案

　　對(duì)于常規(guī)小信號(hào)檢測(cè)，基本的思路是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，而對(duì)于像離子流這樣微弱的直流電流信號(hào)是不能直接進(jìn)行放大處理的，需要先轉(zhuǎn)換為

　　電壓信號(hào)，即通過用于I/V 轉(zhuǎn)換的前置放大電路將微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為小電壓信號(hào)，并在轉(zhuǎn)換過程中實(shí)現(xiàn)一定倍數(shù)的放大。在離子流信號(hào)放大的同時(shí)噪聲和干擾也被放大，之后需要對(duì)信號(hào)進(jìn)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(jìn)一步放大到可讀取的信號(hào)。此信號(hào)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(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行控制和顯示。放大器增益的選擇由單片機(jī)發(fā)出指令進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)微電流快速精確的放大，本電路的設(shè)計(jì)原則是：選用高精度、高穩(wěn)定度元器件;對(duì)來自于存在較強(qiáng)電磁干擾的高溫等離子體電離信號(hào)，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(cè)量方法常見的有高輸入阻抗法和積分法。積分法測(cè)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(shí)間長(zhǎng)。作為快速響應(yīng)離子規(guī)的測(cè)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(shí)際上是一個(gè)I/V 轉(zhuǎn)換器，可以用運(yùn)放直接搭接的方法(跨阻放大器) 實(shí)現(xiàn)，即充分利用運(yùn)放“虛短”和“虛斷”的概念，將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯�，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(hù)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?yàn)殡娏髟磧?nèi)阻理論上為無窮大，實(shí)際上也能達(dá)到1010 Ω 量級(jí)以上。對(duì)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(yùn)放,則被測(cè)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(jì)的電離規(guī)離子流放大電路，動(dòng)態(tài)范圍大，響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，適合作為真空快速測(cè)量系統(tǒng)中離子流放大部分電路的設(shè)計(jì)參考。