基于FPGA 的硅光電池微弱電流信號檢測技術研究

王 金，黃 侃

（江西交通職業技術學院，江西 南昌 330013）

0 引 言

硅光電池是一種利用光生電效應將光能轉化成電能的半導體器件，已在航空、數碼攝像、光伏發電等領域得到廣泛應用。硅光電池輸出的電流信號非常微弱，無法直接用于驅動其他電路或設備，且容易受環境和噪聲等因素的干擾[1]。因此，精確檢測硅光電池微弱電流信號是保證硅光電池質量的重要手段。目前，國內檢測硅光電池輸出的μA級多通道電流時，普遍采用模擬切換開關加常規運算放大器的方法。由于模擬切換開關存在通道間的泄漏電流和數字信號切換干擾，并且常規運放噪聲和輸入失調電流較大，從而導致μA 級微弱電流測量不準確。

文章針對目前國內硅光電池（特別是航天用硅光電池或光電組合件）的光電特性測量現狀及其準確測量要求，采用每通道電流獨立處理后加精密運放與濾波的微弱電流信號調理方法，然后進行模擬/數字（Analog/Digital，A/D）轉換，利用現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）進行轉換控制和電流信號的采集和發送[2]。

1 總體設計

硅光電池微弱電流信號檢測總體硬件設計方案如圖1 所示，共支持14 獨立通道，包括一級前置放大、二級放大、低通濾波、A/D 轉換、FPGA 數據采集和存儲以及上位機通信等模塊。

圖1 總體設計方案

1.1 一級前置放大模塊

一級前置放大模塊是微電流-電壓放大電路。集成硅光電池及組件的輸出電流極其微小，只有0 ～15 μA，為有效提取和分辨出光電池電流，選用具有輸入偏置電流小、失調電流和電壓小、漂移低、增益高、共模抑制能力強以及輸入電阻高等優點的放大器ICL7650 作為一級前置放大模塊的放大器。

為滿足放大器線性度和帶寬要求，一級放大器電流-電壓放大倍數設置為5 000，設計反向比例運算放大電路，采用T 型電阻網絡替代高阻值的反饋電阻。由于電路增益較高可能產生高頻振蕩，設計時在電阻R2兩端并聯小容量電容C1。根據放大器ICL7650 的特點，其同相端并未接平衡電阻，而是直接接地[3]。為保證通道一致性，在對14 路硅光電池電流進行放大時，采用14 個同批次ICL7650 放大器進行同步放大。

1.2 二級放大模塊

二級放大模塊為電壓-電壓放大電路，電壓放大倍數設置為100 倍。由于一般要求放大后的輸出電壓信號取值范圍為0 ～10 V，二級放大器的供電電源電壓需大于+10 V，而ICL7650 不能滿足此應用需求，故選擇OP07 作為二級放大模塊的放大器[4]。二級放大器OP07 的電路原理如圖2 所示。其供電電壓為±15 V，可滿足0 ～10 V 電壓放大的要求。為滿足電壓放大并保持輸出與輸入同相的需求，設計反向比例運算放大電路，使用T 型反饋網絡電阻作為其反饋電阻，從而有效提高增益的精度和穩定性，減小噪聲。此外，為了保證運放輸入級差分放大電路的對稱性，放大器的同相端通過補償電阻接地。

圖2 二級放大器OP07 的電路原理

1.3 低通濾波模塊

因為前端放大后的信號可能受到來自光電池本身和周圍環境的干擾，使輸出信號中夾雜著高頻噪聲，影響檢測系統的測量精度，所以需要設計低通濾波電路來過濾高頻噪聲。為避免無源低通濾波電路的通帶放大倍數及其截止頻率隨負載的變化發生變化，設計有源低通濾波器[5]。

有源低通濾波電路由RC 網絡和集成運放組成。為保持信號的線性度和一致性，濾波模塊的集成運放采用OP07，設計同相輸入低通濾波器，如圖3 所示。

圖3 低通濾波器電路

通帶放大倍數為

式中：f為輸入信號頻率；j 為虛數單位。設本系統電路信號通帶截止頻率fp=5 Hz，則設計的低通濾波器需滿足f0≥5 Hz，可將低通濾波電路參數設置為R=10 kΩ、C=0.1 μF。

1.4 A/D 轉換模塊

A/D 轉換模塊用于將經過放大濾波處理后的14 個通道的模擬電壓信號轉換為數字電壓信號。AD7606 是亞德諾半導體技術有限公司（ADI 公司）的16 位、8 通道的AD 轉換芯片，其分辨率和模擬輸入電壓范圍滿足硅光電池微弱電流信號檢測系統的A/D 轉換指標要求。由于通道數為14 路，本模塊電路采用2 個AD7606 芯片，A/D 轉換啟動、片選、讀寫控制信號均由后端FPGA 進行設置，實現各通道同步采樣和轉換數據的并行輸出。

為了對14 個通道的數字電壓信號進行同步采樣，需將AD7606 的CONVSTA 和CONVSTB 短接，并施加一個轉換開始信號。Range 引腳與邏輯高電平相連，保證所有通道的模擬輸入范圍為±10 V。當轉換開始信號啟動時，表明轉換過程開始，此時AD7606 的CONVSTA 和CONVSTB 管腳同時為高電平，BUSY 管腳也為高電平并保持，直到所有14 個通道的轉換都已完成為止。當BUSY 管腳出現下降沿時，表明轉換數據正在鎖存至輸出狀態寄存器，需經過鎖存時間后才可讀取。將片選信號及并行數據讀取控制信號同時接低電平，此時使能輸出總線DB，并將16位AD 轉換結果輸出到并行數據總線DB0～DB15上，至此完成一個周期的A/D 轉換。

1.5 FPGA 模塊

FPGA 器件集成度高、體積小，具有通過用戶編程實現特定應用的功能。本模塊中，FPGA 用于實現將模數轉換后14 個通道的數字電壓信號進行存儲和上位機通信功能。選用EP2C8T144C8N 作為主處理芯片。

FPGA 首先需要設置I/O 口，對AD 轉換芯片的片選、讀寫、復位和通道轉換進行控制。在A/D 轉換過程中，AD7606 向FPGA 發出高電平的BUSY 信號，待轉換結束后，BUSY 信號恢復為低電平。經A/D 轉換后14 個通道的數字電壓信號通過FPGA 的I/O 口存儲至片內RAM。各通道電壓A/D 轉換數據在FPGA 中存儲完成后，FPGA 向ISA 數據采集板卡發出中斷信號，啟動上位機通信功能，接收來自ISA 板卡的地址信號、片選信號、讀寫信號以及控制信號，實現數據的上位機通信功能。

1.6 ISA 總線通信模塊

FPGA 與上位機通信可通過ISA 數據采集板卡實現。來自ISA 板卡的信號線包含8 位數據線，8 位地址線、片選信號和讀寫控制信號。8 位數據線的傳輸要經過電平轉換芯片74LVC4245 將+5 V 電平轉換為+3.3 V 電平，或者將3.3 V 電平轉換為5 V 電平。而74LVTH16245 用于將8 位地址線、片選信號和讀、寫控制信號的+5 V 電平轉換為+3.3 V 電平，信號由并行數據口傳輸至ISA 板卡，與工控機相連實現信號的傳輸。而ISA 板卡對信號的采集受FPGA 中斷信號的控制，當AD 轉換輸出的數字信號在FPGA 中存儲完成，FPGA 往ISA 板卡發出中斷指令，使ISA 板卡對FPGA 內雙口RAM 中存儲的AD 數據進行采樣。

1.7 電源模塊

電源模塊電路設計本系統所需電壓，其中放大器OP07 的供電電壓為±15 V，放大器ICL7650 的供電電壓為±5 V，A/D 轉換芯片AD7606 的供電電壓為+5 V，邏輯輸入電壓為+3.3 V，FPGA 的供電電壓為+3.3 V，內核電壓為1.2V 。各電平轉換芯片所需的供電電壓為+5 V 和+3.3 V，其他接口電路所需電壓為+5 V。

現有的±15 V 電源電壓可直接給放大器OP07供電，MAX660 可將+5 V 電壓轉換為-5 V 電壓，用于給放大器ICL7650 供電。TPS73701 芯片可將+5 V電壓轉換為+3.3 V 和+1.2 V 電壓，用于給AD7606和FPGA 供電。

2 實驗測試

以實際項目系統為依托，將硅光電池微弱電流檢測系統隨同硅光電池放置于二維轉臺，啟動太陽模擬器，硅光電池接收太陽模擬發射的類太陽光并輸出與光照強度和轉臺角度呈一定關系的電流信號。電流測試結果如表1 所示。

表1 電流測試結果

經過對比實測電流值與理論值，各通道電流測量誤差最大值不超過0.2%，滿足實際使用要求。

3 結 論

文章針對硅光電池電流信號微弱、易受環境影響等特點，提出基于FPGA 的硅光電池微弱電流信號檢測系統。根據實際項目運行測試，系統具有較好的穩定性和較高的精確度。文章設計的檢測系統具有一定的普遍性，對其他微弱電流信號和μA 級電流精密檢測具有一定的應用參考價值。