● 摘要
随着人类科学技术的发展和进步，极弱信号测量技术得到了高速的发展。极弱信号测量技术的应用领域十分广泛，包括生物学、农业、医学、光学、化学、物理学和航空航天等领域。极弱信号主要分为极弱电压信号与极弱电流信号，本论文所研究的是极弱电流信号的测量。极弱电流测量技术的主要原理即测量特定传感器收集的极弱电流信号，并通过后级的模数转换将其转换为能被计算机处理的有效信号。近些年来，空间探测活动逐渐兴起。在一些空间探测活动中，探测载荷需要测量极弱的电流信号，例如朗缪尔探针、阻滞分析仪等。此类载荷的主要特点是通过就位测量方式测量传感器上收集到的极弱电流信号，这使得空间环境探测更加直观和有效，由此可见极弱电流测量技术的研究对于空间环境探测的发展具有重要的意义。极弱电流测量的关键技术即噪声的抑制与干扰的屏蔽，并且需要完善有效的电磁兼容性设计。为了实现模块的低噪声特性，本论文在电路设计中对整个电路进行了低噪声设计和电磁兼容性设计，控制电路的本底噪声以及减小外界干扰对电路的影响。设计了程控自动增益电路以满足空间环境探测中的宽动态范围要求与自动控制要求。同时，引入了系统流程法保证电磁兼容设计的有效性与可控性。本论文所设计的极弱电流测量模块主要分为两部分：模拟电路部分与数字控制单元部分。模拟电路部分主要包括前置电流—电压（I-V）转换电路，次级主放大电路和滤波电路等。数字控制单元的功能是实现对模拟电路次级主放大电路的程控自动增益调节。实验结果表明，本论文所研制的极弱电流测量模块能够测量1×10-12A~1×10-6A范围的微弱电流信号，输入电流本底噪声为12.5nV/1Hz ，输入电压本底噪声为12.5nV/1Hz ，测量误差小于±5%，在实验过程中测得最低分辨率达到0.1pA。同时该模块能够实现七级（0dB ~ 120dB）程控自动增益调节，具有准直流~1kHz的频带特性，满足空间环境等离子体探测中的低噪声与宽动态范围的要求。最后，讨论了提升整个极弱电流测量模块性能的方法，并展望了极弱电流测量模块标准化的问题。