SR570輸入/輸出過載分析

祁正興，陸小龍，王 越，夏京川，趙世平

（四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

SR570輸入/輸出過載分析

祁正興，陸小龍，王 越，夏京川，趙世平

（四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

微弱電流信號測量需求已越來越強烈，SR570是美國SRS公司研制的一款高性能低噪聲電流前置放大器，廣泛應用于微弱電流信號測量領域。針對該儀器使用過程中，因輸入信號選擇與參數設置不當易出現輸入/輸出過載的問題，本文首先對儀器內部電路工作原理進行了分析，然后指出了造成儀器輸入/輸出過載警告的原因。并在Proteus 7.0的ISIS Professional環境下搭建了報警電路的模型，對引起輸入/輸出過載的控制信號的上限值做了定量的分析，仿真結果表明控制信號的絕對值小于6.4 V時，可以有效避免儀器出現過載。這對儀器使用過程中輸入信號的選擇與參數的設置提供了理論依據。

微弱電流；SR570；輸入過載；輸出過載

在科研領域和軍事領域對微弱電流信號測量的需求已越來越強烈[1-3]。所謂微弱電流信號通常指小于10-6A的電流信號[4]。目前常用的檢測方法主要有I/V變換法和I/F變換法[5-10]。而測量的手段通常采用窄帶濾波法、雙路消噪法、鎖定接收法、相關檢測法、取樣積分法、累加平均法以及基于隨機共振的方法[11-13]。

SR570是美國的SRS（Stanford Research Systems）公司研制的一款高性能低噪聲電流前置放大器，在微弱信號測量領域應用較為廣泛。SR570首先利用I/V變換法將輸入的微弱電流信號轉換為電壓信號，然后通過窄帶濾波器濾除噪聲信號，最中輸出放大后的電壓信號[14]。通常，在使用過程中因輸入信號選擇與參數設置不當易于出現輸入/輸出過載的警告，如果儀器長時間處于過載狀態將會燒毀儀器內部電路。文中將基于Proteus 7.0仿真軟件對造成儀器過載的原因進行分析。

1 SR570簡介

SR570是一款電流前置放大器，它是將輸入的微弱的電流信號放大為常用的電壓信號的高性能集成放大器。其前面板如圖1所示，前面板一共包括12個功能模塊，分別為輸入 （INPUT）、偏執電壓（BIAS VOLTAGE）、偏置電流（INPUT OFFSET）、濾波器截止頻率 （FILTER FREQ）、濾波器類型（FILTER TYPE）、增益選擇（SENSITIVITY）、增益模式（GAIN MODE）、輸出（OUTPUT）、翻轉（INVERT）、復位（FILTER RESET）、電源（POWER）以及狀態（STATUS）。SR570的特點主要包括以下幾點[14]：

1）輸入噪聲低至5 fA/√Hz

2）最大帶寬達到1 MHz

3）最大增益達到1 pA/V

4）具有可調節輸入偏執電壓和偏置電流

5）兩個可配置的信號濾波器

6）具有3種增益模式：低噪聲、低漂移以及高帶寬模式

7）具有RS-232接口

圖1 SR570前面板

SR570的內部電路原理框圖如圖2所示，可以將整個儀器的電路分為輸入、濾波，以及輸出3個模塊。輸入模塊采用超低噪音運放AD743（或低輸入失調電流運放AD546），利用I/V轉換原理將微弱的電流信號轉換為電壓信號；濾波模塊分為兩級，每一級都有16個一階RC濾波器組成，然后由控制器控制兩個八選一開關電路74HC4051選擇其中的一路通過，到下一級電路；最后在輸出模塊輸出放大后的電壓信號。

圖2 SR570內部電路原理框圖

輸入/輸出過載指示燈用于告知儀器操作者儀器的輸入信號和放大倍數，以及放大模式的選擇是否合適。輸入過載指示燈亮起則表明輸入回路的信號過大或者說動態儲備[14-15]過小。只要出現輸入/輸出過載，應該立即采用減小放大倍數、減小輸入信號或者改變為高帶寬模式的方法來改善這種狀態。

1.1 輸入過載分析

分析SR570的內部電路，如圖3所示為輸入過載指示燈的電路。

圖3表明輸入過載是由兩路信號控制的，其中一路信號是輸入模塊的輸出FRONT_OUT，另一路信號是輸入的微弱電流信號經AD743（或AD546）利用I/V轉換放大后的電壓信號I/V_OUT。輸出信號經1 kΩ的電阻與二極管IN4148接入芯片LM393的2、5管腳。若FRONT_OUT、I/V_OUT為正電壓，則通過 D405、D407與＋6 V的參考電壓進行比較；若FRONT_OUT、I/V_OUT為負電壓，則通過D406、D408與－6 V的參考電壓進行比較。兩個比較器的輸出將會控制三極管2N3906的導通與關斷，即當LM393的輸入信號的絕對值大于6 V時，LM393輸出為低電平，三極管導通，過載指示燈D62將會亮起。因此，當出現輸入過載時，則表明LM393的輸入電壓的絕對值大于了6 V，此時要求減小放大倍數或者選擇合適的增益模式。

1.2 輸出過載分析

如圖4所示，不同于輸入過載電路，SR570的輸出過載是由放大模塊的輸出OUT、第一級濾波的輸出信號FILT1_OUT以及經LT1028放大的第二級濾波的輸出信號FILT2_OUT_AP三路信號控制的。其中FILT2_OUT_AP信號表示經過第二級濾波處理之后再經運放LT1028放大之后的輸出信號。如圖5所示，第二級濾波輸出的信號FILT2_OUT在集成COMS開關DG444的S1、S2、S3的控制下，分別給運放LT1028選擇不同大小的反饋電阻，然后信號相應的會被放大1、2或5倍輸出。

圖3 輸入過載電路模塊

圖4 輸出過載電路模塊

圖5 FILT2信號的放大模塊

比較輸入、輸出過載指示的電路，不同之處僅在控制信號的數目上，輸入過載電路是由兩路信號控制的，而輸出過載電路是由三路信號控制的。與輸入過載相同，只要三路輸入電壓的絕對值大于6 V，輸出過載指示燈就會被點亮，表示輸出過載。

2 仿真實驗

在Proteus 7.0的平臺下，在理想情況下對輸入/輸出過載進行了仿真實驗分析。參照圖2、圖3在ISIS Professional環境下搭建了相同的電路模型，在控制輸入端分別施加-7 V、-6.5 V、-6.4 V、0 V、+6.4 V、+6.5 V、+7 V的電壓，觀察輸入/輸出過載指示燈是否會被點亮。實驗情況如表1和表2所示。

由表1和表2得，只要輸入/輸出過載的控制信號的絕對值大于6.4 V，對應的輸入/輸出過載指示燈就會被點亮。因此，在使用過程中，一定要選擇合適的放大倍數，使得相應的輸出信號不超過上限值。

表1 輸入過載仿真實驗數據

表2 輸出過載仿真實驗數據

3 結束語

SR570是一款高性能的電流前置放大器，放大倍數高達1 pA/V、輸入噪聲低至5 fA/√Hz、帶寬達到1 MHz，且能夠補償使用環境中存在的各種噪聲干擾。本文對儀器內部電路做了詳細分析，并基于Proteus 7.0仿真軟件對輸入/輸出過載電路進行了分析。仿真結果表明控制信號的絕對值小于6.4 V時，可以有效避免儀器出現過載，這對儀器使用過程中輸入信號的選擇提供了理論依據。

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Analysis for input/output overload of SR570

QI Zheng-xing，LU Xiao-long，WANG Yue，XIA Jing-chuan，ZHAO Shi-ping
（College of Manufacturing Science&Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

The demand for measuring weak current signal is increasing urgently，The SR570 is a highperformance low-noise current preamplifier developed by SRS Inc in USA，and widely used in the field of weak current signal measurement.To solve the input/output overload problems caused by improper input selection and incorrect parameters setting in using process，this paper analyzes the SR570's overall internal circuit firstly，and then reveals the causes of input/output overload problems.Simultaneously，it builds the same circuit models in ISIS Professional environment of Proteus 7.0，makes a quantitative analysis for the input/output control signals，simulation results show that instrument can effectively avoid overload if the absolute value of the control signal is less than 6.4 V.It's provided a theoretical basis of selection proper input and setting correct parameters.

weak current signal；SR570；input overload；output overload

TN722

A

1674－6236（2017）10-0087-04

2016-04-20稿件編號：201604197

祁正興（1991—），女，甘肅武威人，碩士研究生。研究方向：精密測量技術。