CN103178708B - 静态电荷源及其校准方法 - Google Patents

Abstract

静态电荷源及其校准方法，所述静态电荷源的输出电荷量受输出负载和输出电压的影响很小，能适用于高精度电路，包括直流电压源，所述直流电压源的高端通过内部参考电容连接电荷输出高端，其特征在于，所述内部参考电容与所述电荷输出高端之间的电荷输出节点连接放大电路的同相端，所述直流电压源的低端、所述放大电路的反向端和跟随电压输出端分别连接在直流电压源低端节点，相对于所述电荷输出高端的电荷输出低端接地。

Description

静态电荷源及其校准方法

技术领域

本发明涉及电荷源技术，特别是一种静态电荷源及其校准方法。所述静态电荷源的输出电荷量受输出负载和输出电压的影响很小，具有稳恒输出特性，可称之为“直流（或静态）恒荷源”，能适用于高精度电路。

背景技术

静态电荷源能够用于校准电荷测量仪器、电荷放大器和信号调理器，也称电荷校准器，其基本工作原理如图1所示。图1中，静态电荷源1包括直流电压源Es，所述直流电压源Es的高端通过内部参考电容Cs连接电荷输出高端2，所述直流电压源Es低端连接电荷输出低端3，在电荷输出高端2与电荷输出低端3之间形成电荷源输出电压Vo，静态电荷量Q_o自内部参考电容Cs经电荷输出高端2输出。在Es的直流电压值和Cs的电容值已知的情况下，根据公式（1）确定输出的静态电荷量Q_o，其前提是输出电压Vo为零，或者小到可以忽略的程度。

Q_o=C_s×E_s………………………………(1)

这种电荷源结构简单，输出噪声小，但存在着如下问题：

（1）输出电荷量受被校准仪器的输入电容的影响：由于静态电荷源主要用于校准电荷测试仪器和电荷放大器等，某些被校准的仪器采用电容器对电荷量进行采样，该电容器成为静态电荷源输出端的负载，这时，等效电路如图2所示。在图2中，静态电荷源1的电荷输出高端2与电荷输出低端3之间连接着负载电容CL。当输出端的负载电容值为C_L时，实际的输出电荷量为：

$Q_o=\frac{C_s{C}_L}{C_s+C_L}\×E_s---\left(2\right)$

由负载电容引起的输出电荷量相对误差γ_C为：

${\mathrm{\γ}}_c=\frac{C_s}{C_L+C_s}---\left(3\right)$

由公式（3），C_L越小，产生的误差越大.只有当C_L远大于C_s时，其影响才能忽略。有的被校仪器输入等效电容值约为100pF，静态电荷源的内部电容值大于等于100pF，此项误差约为50%。静态电荷源输出电荷量受被校准仪器的输入电容的影响非常大。

（2）输出电荷量受被校仪器输入端失调电压的影响：被校准仪器输入端必然存在失调电压Vi。考虑到失调影响，静态电荷源的实际输出电荷量为：

Q_o=C_s×(E_s-V_i)………………………………………(4)

失调电压的不确定对静态电荷源输出的电荷量有着直接的影响。特别是在准确度要求高的工作环境下，这一问题更为突出。

发明内容

为了解决现有静态电荷源中存在的输出电荷量受输出负载和输出电压的影响问题，本发明提供一种静态电荷源及其校准方法。所述静态电荷源可以在一定的范围内，输出电荷量受输出负载和输出电压的影响很小，能准确、稳定地输出电荷，具有稳恒输出特性，可称之为“直流（或静态）恒荷源”，因而能适用于高精度电路。本发明的另一目的是提供该电荷源校准的方法。

本发明的技术方案如下：

静态电荷源，包括直流电压源，所述直流电压源的高端通过内部参考电容连接电荷输出高端，其特征在于，所述内部参考电容和所述电荷输出高端连接放大电路的同相端，所述放大电路的反向端和跟随电压输出端分别连接在直流电压源低端节点，相对于所述电荷输出高端的电荷输出低端接地。

所述直流电压源包括数模转换器，所述数模转换器连接直流电源模块，并通过光电隔离模块连接CPU。

所述放大电路通过隔离电源模块连接直流电源模块。

所述内部参考电容与程控开关并联。

一种校准上述静态电荷源的方法，其特征在于，包括以下步骤：A、在所述静态电荷源的电荷输出高端与电荷输出低端之间连接一个标准电容，其电容值为C_n；B、将所述静态电荷源的输出的静态电荷量设置为0，然后用直流数字电压表测量跟随电压输出端的第1个直流电压值Vc1；C、将所述静态电荷源的输出的静态电荷量设置为Q_s，然后用直流数字电压表测量跟随电压输出端的第2个直流电压值Vc2，通过Vc2减去Vc1得到Vc，通过Vc与C_n的乘积得到输出的静态电荷量标准值Q_n，比较设置值Q_s与标准值Q_n完成校准。

本发明的技术效果如下：采用本发明的技术方案，具有很好的稳恒输出特性，是一个“直流（或静态）恒荷源”，其等效源电容小于10^-15F；消除了泄漏和干扰对输出电荷量的影响，保证静态电荷量的准确输出，解决了现有静态电荷源中存在的输出电荷量受输出电压和负载电容的影响问题。标准电容器的电容值可以溯源到电容参数，数字多用表的直流电压测量溯源到直流电压参数。因此，本发明的静态电荷源校准方法，静态电荷量可以直接溯源到直流电压和电容参数。

附图说明

图1为现有技术电荷源电路结构原理图。

图2为现有技术电荷源接入电容负载时的等效电路结构原理图。

图3为实施本发明静态电荷源的电路结构原理图。

图4为实施本发明静态电荷源的另一个电路结构原理图。

图5为实施本发明校准静态电荷源的方法采用的校准电路结构原理图。

附图标记列示如下：1-静态电荷源；2-电荷输出高端；3-电荷输出低端；Es–直流电压源；Cs-内部参考电容；Q_o-静态电荷量；Vo-电荷源输出电压；C_L-负载电容；4-放大电路；5-跟随电压输出端；a-电荷输出节点；b-直流电压源低端节点；6-CPU；7-光电隔离模块；8-数模转换器；9-直流电源模块；10-隔离电源模块；11-等电位屏蔽端；K-程控开关；12-直流数字电压表；C_n-标准电容。

具体实施方式

下面结合附图（图3-图5）对本发明进行说明。

图3为实施本发明静态电荷源的电路结构原理图。如图3所示，静态电荷源1，包括直流电压源Es，所述直流电压源Es的高端通过内部参考电容Cs连接电荷输出高端2，所述内部参考电容Cs与所述电荷输出高端2之间的电荷输出节点a连接放大电路4的同相端，所述直流电压源Es的低端、所述放大电路4的反向端和跟随电压输出端5分别连接在直流电压源低端节点b，相对于所述电荷输出高端2的电荷输出低端3接地。图4为实施本发明静态电荷源的另一个电路结构原理图。图4基于图3的电路原理。所述直流电压源Es包括数模转换器8（DAC），所述数模转换器8连接直流电源模块9，并通过光电隔离模块7连接CPU6。所述放大电路4通过隔离电源模块10连接直流电源模块9。所述内部参考电容Cs与程控开关K并联。本实施例中，图4中虚线区域内与电荷输出高端2相连接的各个敏感节点，均采用高绝缘材料独立支撑，连接这些节点的连线通过屏蔽网进行等电位屏蔽，其屏蔽电位由放大电路输出端提供。

图5为实施本发明校准静态电荷源的方法采用的校准电路结构原理图。参考图5所示，一种校准上述静态电荷源的方法，包括以下步骤：A、在所述静态电荷源的电荷输出高端与电荷输出低端之间连接一个标准电容，其电容值为C_n；B、将所述静态电荷源的输出的静态电荷量设置为0，然后用直流数字电压表测量跟随电压输出端的第1个直流电压值Vc1；C、将所述静态电荷源的输出的静态电荷量设置为Q_s，然后用直流数字电压表测量跟随电压输出端的第2个直流电压值Vc2，通过Vc2减去Vc1得到Vc，通过Vc与C_n的乘积得到输出的静态电荷量标准值Q_n，比较设置值Q_s与标准值Q_n完成校准。

对本发明的进一步详细说明如下：

如图3所示，静态电荷源包括电压源、电容器、放大电路、电荷输出端、跟随电压输出端，电压源高端与电容器的一个极相连，电容器的另一个极连接电荷输出端输出，放大电路的同相端连接电荷输出端,放大电路的反相端与放大电路的输出端相连，放大电路的输出端与电压源低端相连接，并与跟随电压输出端相连接。放大电路与电压源采用独立供电。当静态电荷源的输出端连接各种负载时，当静态电荷源的输出端连接的被校准仪器存在失调电压时，其结果都使得电荷源输出端的输出电压不等于零。放大电路将这一输出电压反馈到电压源的低端。通过放大器的反馈作用保持电容器两端的电压始终为电压源输出电压，使得电荷源的输出电荷量为电压源两端输出电压值Es与电容器电容值Cs的乘积，克服输出负载和失调电压的影响。

如图4所示，在本实施例中电压源为16位DAC，绝对误差小于1LSB，放大器采用AD549LH静电放大器，输入电流小于60fA，共模抑制比90dB。电容器采用低泄漏高精度电容器，泄漏电阻大于10¹⁴Ω，相对误差小于0.05%。静电放大器采用隔离电源实现独立供电。为了给电容器释放初始电荷，在电容器Cs两端接入一个高绝缘低电容程控开关K，其绝缘电阻大于10¹⁴Ω

图4中，首先，在电荷源的中央微处理器CPU的控制下，将高绝缘低电容开关K闭合，给电容器Cs放电。再根据输出的电荷量设置值Qs，按照公式（5）计算数模转换器DAC输出电压为：

$E_s=\frac{Q_s}{C_s}---\left(5\right)$

CPU通过光耦隔离控制DAC输出幅值为E_s的直流电压。

当静电放大器的输入电流足够小，在额定的时间内输入电流积累的电荷量小于电荷源输出步进值而忽略。静电放大器的失调电压小于DAC输出电压1LSB而忽略。输出电荷量Q_o等于电容器C_s上所充的电荷量，即输出电荷量Q_o为：

Q_o=C_s×E_s………………………………(6)

输出电荷量与负载及输出电压无关，实现电荷量的稳恒输出。

由于静态电荷源的电路板表面电阻为10¹¹Ω量级，在潮湿环境下上述电阻的阻值还要下降。如果电容器Cs直接焊接在电路板上，只要电容两端有1V电压就会产生10^-11A的泄漏电流，由此引起的输出电荷量误差等于泄漏电流值与额定时间的乘积。因此本实施例中，图4中虚线区域内与电荷输出高端2相连接的各个敏感节点，采用高绝缘材料独立支撑，绝缘材料电阻大于10¹⁴Ω，再利用等电位屏蔽器件（继电器和电容器），以放大器的输出作为屏蔽电压建立等电位屏蔽电位，屏蔽电位和被屏蔽电位之差为放大器的失调电压在10^-4V量级，当额定时间为60s时，泄漏引起的输出电荷量误差小于10^-16C。

电荷源的稳恒特性可以用“输出电压的变化引起的输出电荷量变化”来衡量：

$C_{\mathrm{source}}=\left|\frac{d{Q}_o}{d{V}_o}\right|---\left(6\right)$

C_source称为等效源内电容，该值越小，电荷源的稳恒特性越好，越接近理想的恒荷源特性。

分析图1所示电路本发明之前电荷源的稳恒特性，其等效源内电容为：

$C_{\mathrm{source}}=\left|\frac{d{Q}_o}{d{V}_o}\right|=\left|\frac{d\left((E_s-V_o)C_s\right)}{d{V}_o}\right|=C_s---\left(7\right)$

这种电荷源的C_s最小值为100pF，等效源内电容为100pF，即10^-10F。

对图4的电路分析如下：

考虑到放大器的输入失调电压V_os、共模抑制比CMRR、输入失调电流I_os、开环放大倍数A等因素，由图4可得放大器的输出电压为：

$V_b=\frac{A}{1+A}{V}_o+\frac{A}{1+A}{V}_{\mathrm{os}}+{10}^{-\frac{\mathrm{CMRR}}{20}}{V}_o---\left(9\right)$

电容器两端的电压为：

$V_{\mathrm{Cs}}=E_s+V_b-V_o=E_s-\frac{1}{1+A}{V}_o+\frac{A}{1+A}{V}_{\mathrm{os}}+{10}^{-\frac{\mathrm{CMRR}}{20}}{V}_o---\left(10\right)$

输出电荷量为：

$Q_o=C_s\×V_{\mathrm{Cs}}-{\∫}_0^t{I}_{\mathrm{os}}\mathrm{d\ξ}=C_s\×(E_s-\frac{1}{1+A}{V}_o+\frac{A}{1+A}{V}_{\mathrm{os}}+{10}^{-\frac{\mathrm{CMRR}}{20}}{V}_o)-{\∫}_0^t{I}_{\mathrm{os}}\mathrm{d\ξ}---\left(11\right)$

从公式（11）可以得出所发明电荷源的稳恒特性，其等效源内电容为：

$C_{\mathrm{source}}=\left|\frac{d{Q}_o}{d{V}_o}\right|=|(\frac{-1}{1+A}+{10}^{-\frac{\mathrm{CMRR}}{20}})\×C_s|---\left(12\right)$

电荷源的C_s最小值为100pF，放大器的开环放大倍数为A大于10⁶，共模抑制比CMRR大于100dB，等效源内电容为1fF，即10^-15F。稳恒特性提高了5个数量级。

输出电荷量绝对误差为：

$\mathrm{\Δ}{Q}_o\≈({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Cs}}+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Es}})C_s{E}_s+C_s\×(-\frac{1}{A}{V}_o+V_{\mathrm{os}}+{10}^{-\frac{\mathrm{CMRR}}{20}}{V}_o)-{\∫}_0^t{I}_{\mathrm{os}}\mathrm{d\ξ}---\left(13\right)$

输出电荷量的极限误差为：

ΔQ_lim=a%×Qs±b%×Q_m……………………………(14)式中，ΔQ_lim为某量程的极限误差，单位C；

a%为该量程的比例项误差系数；

b%为该量程的固定项误差系数；

Qs为电荷量设置值，单位C；

Qm为该量程满度值，单位C；

比例项误差为系数：

a%=γ_Cs+γ_Es……………………………………(15)

公式（15）中，第1项，是电荷源内部电容器电容值的相对误差，第2项是内部电压源输出电压的相对误差。电压源采用16位DAC，γ_Es≤0.005%;电容器采用高绝缘精密电容器，其相对误差γ_Cs≤0.05%;因此，所发明的电荷源比例项误差a%≤0.055%。

固定项误差系数为：

$b\%=\frac{(-\frac{1}{A}{V}_o+V_{\mathrm{os}}+{10}^{-\frac{\mathrm{CMRR}}{20}}{V}_o)}{E_{\mathrm{sm}}}-\frac{1}{C_s{E}_{\mathrm{sm}}}{\∫}_0^t{I}_{\mathrm{os}}\mathrm{d\ξ}---\left(16\right)$

式中，E_sm为某量程电压源输出的最大电压，单位V；

CMRR为放大器共模抑制比，单位dB；

Vo为电荷源输出电压值，单位V；

Vos为放大器失调电压，单位V；

Cs为电荷源内部精密电容器的电容值，单位F；

Ios为放大器失调电流，单位A。

放大器的失调电压V_os可以通过校准予以消除，但是温度等因素影响使V_os发生漂移，失调电压的漂移ΔV_os影响电荷源的固定项误差。同样，失调电流I_os可以通过校准予以消除，但是温度等因素影响使I_os发生漂移，失调电流的漂移ΔI_os影响电荷源的固定项误差。考虑到一些因素的极性不确定，因此公式（16）可以变为：

$b\%=\frac{V_o}{A{E}_{\mathrm{sm}}}+\frac{V_o}{E_{\mathrm{sm}}}{10}^{-\frac{\mathrm{CMRR}}{20}}+\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{os}}}{E_{\mathrm{sm}}}+\frac{1}{C_s{E}_{\mathrm{sm}}}{\∫}_0^t\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{os}}\mathrm{d\ξ}---\left(17\right)$

公式（17）中，第1项和第2项，是电荷源稳恒特性引起的相对误差；第3项是放大器失调电压引起的相对误差；第4项是放大器失调电流引起的相对误差。从公式（17）可知，电荷量量程越低，E_sm和C_s越小，固定项误差越大。如果电荷源的E_sm≥100mV，C_s≥100pF，CMRR≥100dB，ΔV_os<20μV，ΔI_os<2fA，放大器的开环放大倍数A≥10⁶，电荷源的输出电压≤1V，用于校准的额定输出时间t≤10s，固定项误差系数为0.23%。各量程的相关参数及其极限误差见表1。

见表1，各量程的相关参数及其极限误差

量程	Esm	Cs	A	CMRR	ΔVos	ΔIos	t	VO	a%	b%
											(C)	(V)	(F)		(dB)	(μV)	(fA)	(s)	(V)
10-6	10	100n	106	100	20	2	100000	10	0.055%	0.02%
											10-7	10	10n	106	100	20	2	10000	10	0.055%	0.02%
10-8	10	1n	106	100	20	2	1000	10	0.055%	0.02%
											10-9	1	1n	106	100	20	2	100	10	0.055%	0.02%
10-10	1	100p	106	100	20	2	100	10	0.055%	0.2%
											10-11	0.1	100p	106	100	20	2	10	1	0.055%	0.2%

对本发明的静态电荷源进行校准，采用图5所示的校准电路，数字多用表连接于放大电路的输出端，即跟随电压输出端,标准电容器C_n接入电荷输出端。首先，令静态电荷源输出电荷量设置值为0，数字多用表测得跟随输出端输出的直流电压V_c1为标准电容器C_n两端直流电压的初值V_o0和放大器失调电压V_os之差：

V_c1=V_o0—V_os………………………………………(18)

第（18）式中，Vos为放大电路失调电压,V_o0为标准电容器C_n两端直流电压的初值。

静态电荷源设置值为Q_s，数字多用表测量直流电压的读数V_c2为：

V_c2=Q_n/C_n+V_o0—V_os=Q_n/C_n+V_c1……………………………………(19)

令：V_C=V_C2-V_C1，得：

Q_n=V_C×C_n…………………………………(20)

利用标准电容器的标准值C_n和直流电压测量值V_C，从式(20)可以得到输出电荷量标准值Q_n。输出电荷量设置值Q_s与输出电荷量标准值Q_n进行比较完成校准。

在上述的方法中，标准电容器的标准值从国家计量院溯源到电容参数，数字多用表的直流电压测量溯源到直流电压参数。因此，利用上述校准方法，静态电荷量量值可以直接溯源到直流电压和电容参数。

Claims (5)

1.静态电荷源，包括直流电压源，所述直流电压源的高端通过内部参考电容连接电荷输出高端，其特征在于，所述内部参考电容与所述电荷输出高端之间的电荷输出节点连接放大电路的同相端，所述直流电压源的低端、所述放大电路的反向端和跟随电压输出端分别连接在直流电压源低端节点，电荷输出低端接地。

2.根据权利要求1所述的静态电荷源，其特征在于，所述直流电压源包括数模转换器，所述数模转换器连接直流电源模块，并通过光电隔离模块连接CPU。

3.根据权利要求1所述的静态电荷源，其特征在于，所述放大电路通过隔离电源模块连接直流电源模块。

4.根据权利要求1所述的静态电荷源，其特征在于，所述内部参考电容与程控开关并联。

5.一种校准权利要求1-4之一所述静态电荷源的方法，其特征在于，包括以下步骤：A、在所述静态电荷源的电荷输出高端与电荷输出低端之间连接一个标准电容，其电容值为C_n；B、将所述静态电荷源的输出的静态电荷量设置为0，然后用直流数字电压表测量跟随电压输出端的第1个直流电压值Vc1；C、将所述静态电荷源的输出的静态电荷量设置为Q_s，然后用直流数字电压表测量跟随电压输出端的第2个直流电压值Vc2，通过Vc2减去Vc1得到Vc，通过Vc与C_n的乘积得到输出的静态电荷量标准值Q_n，比较设置值Q_s与标准值Q_n完成校准。