在电子电路设计领域，微电流采集是一个关键且具有挑战性的任务，尤其是在涉及检测溶液中重金属离子等需要高精度测量的项目中。本文将详细介绍用于微电流采集的 I/V 流压转换电路，包括其项目背景、电路拆解分析以及实际检测系统的优化。
　　项目背景
　　近期接触到一个检测溶液中重金属离子的项目，采用阳极伏安法这种电化学方法来检测水质中的微量金属元素含量。其原理是在一定点位下，使待测金属离子部分地还原成金属并溶入微电极或析出于电极的表面，然后向电极施加反向电压，使微电极上的金属氧化而产生微弱的氧化电流，记录氧化过程的电流 - 电压曲线。由于不同种类的离子具有其特定的峰电位和峰电流，从而可以定性定量分析出待测溶液中重金属离子的种类和浓度。基于此项目需求，需要设计电路来检测水质中的微小电流，下面重点介绍相关电路。
　　完整模拟电路
　　　电路拆解和分析
　　在模拟电路的仿真环节，我们使用一个理想电流信号 1mA 当作被测信号来测试放大效果。为了便于分析，我们先忽略电路部分所有的电容，得到简化后的电路。
　　现在将放大电路从中间拆解成两个部分进行分析：
　　第一级：I/V 转换
　　图中所示电路分为两个挡位，分别对应 S1 和 S3 这两个开关。被测电流源 1mA 通过电阻 R7 或者 R2 输出电压 V1，参考端为运放同相端（根据虚短虚断原理，反向端电势为 0）。由此可以得出 V1 的输出关系如下：
　　档位电阻 R输入电流 I输出值 V1
　　10kΩ1mA-I * R = -10V
　　1kΩ1mA-I * R = -1V
　　需要注意的是，换成第一档位使 V1 输出 - 10V，在该电路中是不能实现的，原因是运放的正负双轨达不到这个电压值，这里只是用于演示原理。
　　在图中 V2 的部分上拉了一个 2.048V 的参考电压源 VDC5，V2 用于作为后级电压跟随器的输入。由于 V1 的电压值不会被这个参考电压源所影响，我们把 V1 部分电压等效成一个电压源，它和 VDC5 并联，等效电路图如下：
　　　我们这里直接用叠加定理来计算 V2 的电压值（这里不能直接用电势差来算）。特别要注意的是，解释一下 V2 的电压值为什么只能用叠加定理来计算。可以使用电势差来计算点位电压的前提条件是在只有一个电源的电路中，对应点的电势会受到该电源的影响；而在本电路中，V1 是由电流源和电阻相乘而来的，不受到 VDC5 电压源的影响，所以得把它当成一个电压源。对于有两个电源的电路，就需要用到叠加原理。叠加原理是电路分析中的一个重要概念，它指的是在多个电源共同作用的线性电路中，任一支路的电流（或电压）等于各个电源单独作用时在该支路产生的电流（或电压）的代数和。
　　这就是流压放大转换电路中最主要的部分。
　　第二级：电压跟随
　　　这个电路相对简单，R5 和 C1 构成了一个低通滤波器，在被测信号不理想的情况下可以滤除掉高频杂波，其截至频率可根据具体电路参数进行计算。后面是一个标准的电压跟随器，因为传递的是电压信号，R6 用于防止过流烧坏器件，跟随效果如下图所示：
　　实际检测系统优化
　　在前面的电路分析中，我们考虑的是理想情况下的输入，但在真实情况中，被测量信号带有很多干扰。因此，我们在上述分析的电路对应位置加入电容。电容在电路中有多种作用，如滤波、去耦、积分、定时、阻抗匹配等，这里只介绍本电路中电容的具体作用。
　　第一级的电容作用：相位补偿
　　在实际中，我们可以把输入端看成是一个电阻和电容的并联，把第一级的电流源等效下来就是这样。我们在反馈端并联一个电容可以起到相位补偿的作用。可以这样理解，输入端 Rin 和 Cs 构成一个低通滤波，会造成相位滞后；反馈端的 Cf 和 Rin 又构成一个高通滤波，会造成相位超前，这样就补偿了相位。不过这仅仅是从个人理解的角度出发。
　　理论计算方面是有的，但到了设计成熟阶段，大部分人都是凭借以前的调试经验。一般对于电容大小的取值要考虑到系统的频响（简单点说，加的电容越大，带宽越窄），然后就是振荡问题。如果非要进行计算，可以看看运放的输入端的分布电容是多大。例如，负反馈放大电路就是要保证输入端的那个电阻阻值和分布电容的乘积等于反馈电阻的阻值和要加的电容的乘积。
　　　图中为加入相位补偿后的第一级电路图，电容的选择没有经过理论计算，凭的是经验值，具体在实际电路的调试中可以根据情况进行更换。
　　第二级的电容作用：滤波
　　这个电容个人习惯从储能角度去思考。如果电压跟随器的两端出现了一个干扰使得两端信号有了一个差值，这个电容能够很好地平衡两端电压（这里其实也有点相位补偿的意思）。
　　　　最终经过放大的信号可以通过 AD 采集电路输入到 MCU 中进行处理。