专利名称：多功能微机控制阶跃伏安仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种分析化学仪器仪安法是分析化学中重要的仪器分析方法之一。自从海洛夫斯基首先建立极谱法并发明第一台极谱仪以来，伏安法在不断地发展，仪器也在不断地更新和改进。
方波伏安法由于具有快速、灵敏等特点，已成为伏安法中占主导地位的分析方法。传统的方波伏安法为差式方波伏安法，是在静止电极或一汞滴生长后期完成整个电位扫描过程，所用的扫描方式是在阶梯扫描的基础上叠加一列方波，每个阶梯对应一个方波周期，其电流为同一阶段上正、逆方波脉冲末端的取样电流之差，对于可逆电极的简单体系，吸附和络合吸附体系，由于方波正负脉冲取样电流方向相反，相减时可使电流信号增加；加上采样是在方波脉冲的末端，可使充电电流得到衰减，从而提高信噪比。然而我们发现，对于不可逆的简单电极体系，平行催化和络合吸附催化体系等，因正、负脉冲采样电流同向，两者相减只能使分析信号强度减少，而且因正负脉冲充电电流方向相反，相减则噪声增大。
目前的方波伏安仪已经商品化，如美国的PAR 384D、国产的MEC-12A型伏安仪等，但这些伏安仪只用于差式方波伏安法。
为了克服上述缺点，本实用新型的发明人提出将两取样电流相减改为相加的叠式方波伏安法，或称阶跃伏安法。
本实用新型的目的是根据叠式方波伏安法的理论，设计出相应的阶跃伏安仪，进一步提高分析的灵敏度。
叠式方波伏安法在阶跃伏安仪中，向电极施加如下方波扫描电压E(j)＝Ei-INT(j-1)/2]ΔE＋(-1)jEs(1)
式(1)中Ei为初始电压，ΔE为阶梯扫描电压的电压阶跃，Es为方波的波幅，Ej第j个方波的电压。式(1)中右边前两项代表阶梯扫描电压，第三项为方波电压成份，方波扫描电压如
图1所示，该扫描电压可视为一个阶梯扫描电压与一列方波电压的叠加。
理论上，我们得到如下叠式方波电流方程(2)和差式方波电流方程(3)iA=nFAD1/2Co*(πτ)1/2(φJ/α1/2+φJ-l(l+α)-1/2]]>+Σj=1J-2φj[(J+α-j)-1/2-(J+α-j-2)-1/2])---(2)]]>iD=nFAD1/2Co*(πτ)1/2(φJ-1[2α-1/2-(l+α)-1/2]-φJα-1/2]]>+Σj=1J-2φj[2(J+α-j-1)-1/2-(J+α-j)-1/2]]>-(J+α-j-2)-1/2]) (3)式中τ为方波半周期时间，α为采样时间τ′与半周期时间τ的比值，J为扫描开始到j个方波半周期数，n为电子转移数，F为法拉第常数，A为电极面积，D为扩散系数，Co为0的浓度。
对于平行催化体系的叠式和差式方波伏安法的电流方程为iCA=nFAD1/2(KfCx*)1/2Co*(φj+φj+1)---(4)]]>iCD=nFAD1/2(KfCx*)1/2Co*(φj-φj+1)---(5)]]>
以下结合附图和实施例对本实用新型的结构进行描述。
图2为本实用新型的结构示意图；图3为本实用新型的计算机接口及数字电路图；图4为本实用新型的恒电位及电流检测电路图；图5为本实用新型电源部分电路图。
参照图2～图4，本实用新型包括微机部分(100)、仪器部分(200)和电解池(300)三部分，微机部分(100)包括主机(Computer)(101)、键盘(KB)(102)、显示器(CRT)(103)、磁盘驱动器(DISK)(104)、绘图仪(Ploter)(105)和接口(I/O)(106)，电解池(300)上设有工作电极(W)(301)、参比电极(R)(302)和辅助电极(A)(303)，所述的仪器部分(200)由数模转换器(D/A)(201)、恒电位输出(PO)(202)、流压转换器(I/V)(203)、灵敏度反馈网络(S.N)(204)、滤波器(FILTER)(205)、采样保持电路(S/H)(206)、模数转换器(A/D)(209)、适配器(VIA)(208)、地址译码器(A.D)(209)、数据锁存器(LATCH)(210)和电极控制器(ELE.CTRL)(211)组成，微机接口(I/0)(106)接往数模转换器(D/A)(201)、地址译码器(A.D)(209)、数据锁存器(210)和适配器(VIA)(208)，地址译码器(A.D)(209)的输出接往数模转换器(D/A)(201)、数据锁存器(LATCH)(210)和模数转换器(A/D)(207)，数模转换器(D/A)(201)的输出接往恒电位输出(PO)(202)，恒电位输出(PO)的输出分别接往参比电极(R)(302)和辅助电极(A)(303)，数据锁存器(LATCH)(210)的接口接往滤波器(FILTER)(205)和灵敏度反馈网络(S.N)、输出接往流压转换器(I/V)(203)和电极控制器(211)，流压转换器(I/V)(203)的输出分别接工作电极(W)(301)和滤波器(FILTER)(205)，滤波器(FILTER)(205)的输出接往采样保持电路(S/H)(206)，采样保持电路(S/H)(206)输出接往模数转换器(A/D)(207)，模数转换器(A/D)(207)的接口接往适配器(VIA)(208)、一端输出接往采样保持电路(S/H)。
下面结合图3和图4说明本实用新型的工作原理。
微机的总线，通过其I/O槽口接到数字电路(图3)，仪器的数字电路完成的功能有四，第一，接收计算机送出的扫描电压数字信号，并转换为电压信号，第二，接收计算机送出的控制信号并完成相应控制，第三，完成模数转换，并将数据送给计算机处理，第四，计时器计时中断，完成准确计时。
扫描电压的数字信号的传送，扫描电压由D/A产生在本仪器中用12位D/A，DAC1210，DAC1210内部有三个数据输入锁存器，分别为8位、4位和12位，8位和4位锁存器的输出作为12位锁存器的输入，DAC1210内部这样的设计，为它与8位微机的接口提供了方便，因此，在我们的仪器中DAC1210的数据输入线D0-D11直接与计算机的总线(DB)相联，D/A的D11-D4线接DB的D7-D0，D/A的D3-D0接DB的D7-D4，D/A转换数据由微机分两次送给D/A转换器，第一次送高八位，第二次送低四位，分别送给D/A转换器内部的八位和四位锁存器，扫描电压的数字信号传送完成，数字信号变为相应的电流信号由D/A输出。
D/A产生的输出电流经两个运放转换成双极性输出电压，设计的电压输出范围为-2.048～+2.047V，D/A转换器所需的参考电压由A/D转换器内部参考电压输出端提供。
控制信号的传送和控制的实现计算机对仪器的控制是通过两个八位D型数据锁存器74273完成的，当控制信号通过数据总线DB被锁入锁存器后，锁存器的输出信号保持为输入信号不变，仪器的有关部分就由这些信号来控制，两个锁存器，一个锁存器用来控制流压转换器的灵敏度转换，以及滤波器常数的转换，由于灵敏度和滤波常数转换所用器件为CMOS模拟开关，因此要将锁存器输出的TTL信号电平转变成CMOS信号电平，电平转换由两个四比较器LM339完成。第二个锁存器用来控制可以和仪器配合使用的PAR303电极系统和一个电极开关，由PAR303电极的控制信号说明，而知控制信号为负电平有效。为此我们将第二锁存器的部分信号反相，以满足要求。对应的计算控制信号，为高电平有效，电极开关由一双刀双掷断电器担任，由一大功率晶体管驱动。
A/D转换器与计算机的联接和系统的定时在我们的仪器中采用高速(25μs/次)高精度模数转换器ADC80。在我们的电路中将它接成双极性±5V输入方式。A/D转换时钟信号用其内部时钟信号，A/D转换启动采用外部脉冲触发方式，外部转换启动脉冲由地址译码输出信号经反相器后送入，模拟信号经采样保持电路后送入，采样保持电路的逻辑控制信号由A/D转换器的状态标志信号(STATE)经反相后提供，这样采样保持电路在A/D转换期间处于保持状态，其它时刻电路处于采样状态，由于ADC80的数据输出非三态信号，因此不能直接与数据总线相联，为此我们采用6502 CPU专用接口芯片6522通用适配器来采集A/D转换的数据，同时利用6522内的定时器T1产生连续中断，为系统提供准确定时，因为6522用CPU的时钟(1M)工作，所以它的定时精度很高(1μs)。
另外，仪器还设有开机复位电路，复位时间约20ms，主要用来对6522和数据锁存器74273进行复位，防止仪器处于混乱状态，而损坏仪器。
模拟部分是仪器的关键部分，它的性能好坏直接影响整个仪器的性能，该部分电原理总图参见附图4。模拟部分为恒电位输出部分和I/V转换，放大部分。
首先讨论恒电位输出部分，由D/A转换器产生扫描电压信号，由AN端进入恒电位电路，在这个电路中有一双刀双掷断电器J，恒电位电路与电解池是否接通，由继电器控制，在扫描期间，电路与电解池接通，其它时刻断开，这样，一方面保护了电路，另一方面也使溶液处于非电解状态，保证溶液中各物质组分不变。
参比电极输入端的输入阻抗很大，很容易受外部干扰，因此对这段引线施以屏蔽，由于屏蔽线的芯线与屏蔽层间的电容很大，如果屏蔽层接地会引起输入信号负相移，降低电路的稳定性，因此，参比电极输入端采用等电位屏蔽，用IC21的输出端来屏蔽输入端。
电流检测采用I/V转换器，I/V转换器的反馈电阻的大小，决定了它的灵敏度，在仪器中反馈电阻的大小，通过一个入路模拟开关CD4051来选择，最高灵敏度设计为满度±204.8nA，最低灵敏度为满度±3.35mA，灵敏度共有八档，每档满度电流值成等比数列，倍数为4，每一反馈电阻上都并联一个小容量电容，以滤去高频噪音，时间常数设计为0.1ms 。这一级还加入限幅电路防止输出电压过大，限幅电路由两接成靠背式的稳压二极管组成，I/V转换后的电压信号经第二级放大倍数约为3倍的倒相放大后，分为两路，一路经一模拟开关后送入积分器，积分输出信号经电阻馈入I/V转换器的电流输入端，这个电路在开关接通时起到使仪器输出为0作用，稳0后开关断开，电路输出仍然为0，在分析中用这个电路补偿前期还原物质的还原电流，提高仪器的抗前期还原能力，另一路信号经限幅，滤波后送给A/D转换器，在后级放大中设限幅的作用，是为了防止信号电压超过模拟开关的电源电压，而导致的模拟开关失控，仪器中的滤波为低通滤波，其中射极跟随器的前一阶滤波网络的滤波常数由模拟开关选择。
本实用新型的控制通过微机(100)控制，控制程序可固化或存于盘中。
电解池(300)中的电极，一般情况下，工作电极(301)可用玻璃碳电极、汞膜电极、悬汞电极或碳糊电极等，参比电极(302)为甘汞电极或银-氯化银电极，辅助电极(303)用铂电极。
本实用新型是针对本发明人提出的叠式方波伏安法而设计，同时还适用于本发明人提出的叠式循环方波伏安法、对位方波伏安法等。另外，尚有传统的差式方波伏安法和阶梯扫描伏安法的功能。实验表明，本仪器性能良好，精密度高(0.80％)，线性关系好(＞0.99)，峰峰之间分辩力强，检测下限低(1×10-7mol·L-1)，而且成本低，应用范围广。
权利要求1.一种多功能微机控制阶跃伏安仪，包括微机部分(100)、仪器部分(200)和电解池(300)三部分，微机部分(100)包括主机(Computer)(101)、键盘(KB)(102)、显示器(CRT)(103)、磁盘驱动器(DISK)(104)、绘图仪(Ploter)(105)和接口(I/O)(106)，电解池(300)上设有工作电极(W)(301)、参比电极(R)(302)和辅助电极(A)(303)，其特征在于所述的仪器部分(200)由数模转换器(D/A)(201)、恒电位输出(PO)(202)、流压转换器(I/V)(203)、灵敏度反馈网络(S.N)(204)、滤波器(FILTER)(205)、采样保持电路(S/H)(206)、模数转换器(A/D)(207)、适配器(VIA)(208)、地址译码器(A.D)(209)、数据锁存器(LATCH)(210)和电极控制器(ELE.CTRL)(211)组成，微机接口(I/O)(106)接往数模转换器(D/A)(201)、地址译码器(A.D)(209)、数据锁存器(210)和适配器(VIA)(208)，地址译码器(A.D)(209)的输出接往数模转换器(D/A)(201)、数据锁存器(LATCH)(210)和模数转换器(A/D)(207)，数模转换器(D/A)(201)的输出接往恒电位输出(PO)(202)，恒电位输出(PO)的输出分别接往参比电极(R)(302)和辅助电极(A)(303)，数据锁存器(LATCH)(210)的接口接往滤波器(FILTER)(205)和灵敏度反馈网络(S.N)、输出接往流压转换器(I/V)(203)和电极控制器(211)，流压转换器(I/V)(203)的输出分别接工作电极(W)(301)和滤波器(FILTER)(205)，滤波器(FILTER)(205)的输出接往采样保持电路(S/H)(206)，采样保持电路(S/H)(206)输出接往模数转换器(A/D)(207)，模数转换器(A/D)(207)的接口接往适配器(VIA)(208)、一端输出接往采样保持电路(S/H)。
专利摘要一种多功能微机控制阶跃伏安仪，由微机、仪器部分和电解池三部分组成。微机接口接往数模转换器、地址译码器、数据锁存器和适配器，地址译码器的输出接往数模转换器、数据锁存器和模数转换器，数模转换器的输出接往恒电位输出，恒电位输出的输出分别接往参比电极和辅助电极，数据锁存器的接口接往滤波器和灵敏度反馈网络、输出接往流压转换器和电极控制器，流压转换器的输出分别接工作电极和滤波器，滤波器的输出接往采样保持电路。本仪器是针对叠式方波伏安法而设计，还适用于传统的方波伏安法。
文档编号G01N27/26GK2260327SQ95224989
公开日1997年8月20日 申请日期1995年10月20日 优先权日1995年10月20日
发明者莫金垣, 闵利, 区兆文, 蔡佩祥, 张润建, 黄昊 申请人:中山大学