自制簡易納安表：低成本實現微小電流精準測量

常見的數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，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5擋旋轉波段開關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。輸入失調電壓典型值0.5mV，因為是跨阻放大應用影響不算大，換算到運放輸出滿量程的占比不到千分之一。

因為沒有現成的電壓表頭，幾年前我做到這里就把它放一邊了?，F在接著做起來，用STM32做一個數字電壓表接起來：

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

不是整體一塊設計，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鋰電池設計了，或者插電源經其他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轉換數值。解決辦法是用ADC采一下片內的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+輸入端和片內電壓基準。我嘗試使用了每256次采樣結果做一個平均處理。

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

實測測量端懸空時的讀數如下圖參考，讀數沒有歸零應該是運放輸入失調電壓的原因，此外讀數的最后一位是在跳動的。除了量程最小的兩個擋，數字的跳動可能是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增益（還注意交流增益隨著頻率升高下降）。因此150pA擋位的內阻是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)時候就發現：我在半米距離外揮手，表上顯示的數字都會劇烈變化，超乎想象。用這個小儀器的時候，根據測量對象的情況，要考慮遠離電磁干擾，或做屏蔽措施了。

我現在還沒有合適的外殼方案，等電路優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形網絡等。

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

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