高精度便携式电化学检测前端的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度便携式电化学检测前端，解决了现有电化学检测器结构复杂、抗干扰性和稳定性差，且检测精度低等问题。该高精度便携式电化学检测前端，其特征在于，包括正向电压跟随电路，基于正向电压跟随电路的RE电极和CE电极，电流电压转换电路，基于电流电压转换电路的WE电极，以及与电流电压转换电路输出端连接的三环对顶交叉负反馈放大器。本发明电路简单，电路的稳定性和抗干扰性强，功耗低，且测试精度高。因此，适合推广应用。
【专利说明】高精度便携式电化学检测前端
【技术领域】
[0001] 本发明属于电化学检测领域，具体地讲，是涉及一种高精度便携式电化学检测前 端。
【背景技术】
[0002] 电化学检测器是测量物质的电信号变化，对具有氧化还原性质的化合物，如含硝 基、氨基等有机化合物及无机阴、阳离子等物质可采用电化学检测器。包括极谱、库仑、安培 和电导检测器等。前三种统称为伏安检测器，用于具有氧化还原性质的化合物的检测，电导 检测器主要用于离子检测。其工作原理是：在两电极之间施加一恒定电位，当电活性组分经 过电极表面时发生氧化还原反应（电极反应），电量（Q)的大小符合法拉第定律，现有电化 学检测器的抗干扰性弱、稳定性差，且检测精度低，检测噪声大增益低。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种电路简单、抗干扰性和稳定性强且检 测精度高的高精度便携式电化学检测前端。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0005] 高精度便携式电化学检测前端，包括正向电压跟随电路，基于正向电压跟随电路 的RE电极和CE电极，电流电压转换电路，基于电流电压转换电路的WE电极，以及与电流电 压转换电路输出端连接的三环对顶交叉负反馈放大器。通过上述设置，整个电路中仅用了 三个电阻，大大提高了电路的稳定性和抗干扰性，同时也降低了整个电路的功耗；同时，采 用改进的三电极设计，并在WE端口引入了三环对顶交叉负反馈放大电路，其具有噪声小， 信号带宽大，电路稳定性强等特点，从而大大提高了整个电路的电流检测精度。
[0006] 具体的说，所述正向电压跟随电路包括电压跟随器U1和放大器U2,电压跟随器U1 的输出端直接与放大器U2的反相输入端相连，电压跟随器U1的同相输入端连接电极RE，放 大器U2的同相输入端接入参考电压VREF，其输出端连接电极CE;当电极CE和电极RE浸入 溶液导通时，电压跟随器U1和放大器U2组合构成另一个电压跟随器。通过上述设置，电压 跟随器U1的输出直接与U2放大器的反向输入端相连，使U1和U2形成另一个电压跟随器， 保证了RE电极上的电压与输入参考电压VERF大小方向相同，使得本发明可适用于单极性 供电的便携式设备。
[0007] 进一步的，为了防止U1和U2形成的电压跟随电路出现自激振荡情况，在所述放大 器U2的输出端连接有一个用于防止电压跟随电路自激振荡一阶RC电路，且该一阶RC电路 形成低通滤波器，可滤去被测电流信号的高频分量。
[0008] 具体的说，所述电流电压转换电路包括反相输入端连接电极WE、同相输入端接地 的运算放大器U3,以及采样电阻R2 ;运算放大器U3的输出端与三环对顶交叉负反馈放大器 连接。
[0009] 为了提高电流电压转换器的转换精度，所述运算放大器U3为JFET输入型运算放 大器；所述采样电阻R2的阻值小于104Q。
[0010] 同时，所述三环对顶交叉负反馈放大器包括分别形成负反馈电路的放大器A1、放 大器A2和放大器A3,由放大器A1形成的负反馈电路的输出节点与放大器A2形成的负反馈 电路的输出节点连接，二者组合形成对顶环；由放大器A2形成的负反馈电路的输出节点与 放大器A3形成的负反馈电路的同相输入节点连接，由放大器A3形成的负反馈电路的反相 输入节点与由放大器A2形成的负反馈电路的反相输入节点连接，二者组合形成交叉环。通 过上述设置，相较于传统的放大电路具有更低的噪声电平和更大的信号带宽，并改善了传 统的电化学检测器测试精度。
[0011] 具体的说，放大器A1的输出端与放大器A2的输出端连接，放大器A1的同相输入 端连接电流电压转换电路，放大器A1的反相输入端与放大器A1的输出端连接，放大器A2 的输出端与放大器A3的同相输入端连接；放大器A3的反相输入端和放大器A2的反相输入 端连接，放大器A3输出端与放大器A2的反相输入端之间接有电阻R3,放大器A2的同相输 入端接地且其与反相输入端之间接有电阻R4。
[0012] 优选的，放大器A1、放大器A2和放大器A3选用同型自调零运算放大器。
[0013] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0014] (1)本发明电路简单，电路的稳定性和抗干扰性强，功耗低，且测试精度高。
[0015] (2)本发明中电压跟随器U1的输出直接与U2放大器的反向输入端相连，当电极 CE和RE浸入溶液导通时，U1和U2形成了另一个电压跟随器，从而保证了RE电极上的电压 与输入参考电压VERF大小方向相同，使得本发明可适用于单极性供电的便携式设备，扩大 了本发明的适用范围。
[0016] (3)本发明在U2输出接了一阶RC电路，有效地防止U1和U2形成的电压跟随电 路出现自激振荡情况，同时，该一阶RC电路形成的低通滤波器可以滤出被测电流的高频分 量。
[0017](4)本发明中的U3选用具有JFET输出运算放大器，采样电阻R2选择小于104Q， 减小运了放放大器U3的输入电流，增加了从采样电阻R2流过的输入电流，从而提高了电流 电压转换器的转换精度。
[0018] (5)本发明在WE端口引入了独创的三环对顶交叉负反馈放大电路，该放大电路 具有噪声小，信号带宽大，电路稳定性强等特点，从而极大地提高了整个电路的电流检测精 度。
[0019](6)本发明可以对氰离子，铬离子等污染离子进行精确定量分析；在金属的腐蚀 问题上，由于大多数金属腐蚀都是电化学反应，该检测前端也可以精确检测；许多生命现象 如肌肉运动，神经信号传递都涉及到电化学机理，但由于信号微弱难以用常规仪器检测，但 该检测前端由于具备检测噪声小增益高等特显可以完全胜任此类微弱信号检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为本发明的电路原理图。
[0021] 图2为传统反相运放电路的等效噪声模型。
[0022] 图3为三环对顶交叉负反馈放大电路噪声模型。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于 下列实施例。
[0024] 实施例
[0025] 如图1、3所示，本实施例提供了一种高精度便携式电化学检测前端，该检测前端 适用于单电源供电的便携式电化学测量设备，电流检查精度可达到10nA?10uA，可以与一 般实验室用电化学工作站媲美，它包括三个电路：正向电压跟随电路、电流电压转换电路、 三环对顶交叉负反馈放大器，通过三电路的设计，极大地简化了电路，与此同时，配合三电 极WE电极，CE电极，RE电极的设计，提高了电路的稳定性和抗干扰性，同时也降低了整个电 路的功耗。
[0026] 为了使得本领域技术人员对本发明的有更清晰的了解和认识，下面结合附图对其 进行详细说明：
[0027] 正向电压跟随电路，包括电压跟随器U1和放大器U2,电压跟随器U1的输出端直 接与放大器U2的反相输入端相连，电压跟随器U1的同相输入端连接电极RE，放大器U2的 同相输入端接入参考电压VREF，其输出端连接电极CE。本实施例中电压跟随器U1的输出 直接与U2放大器的反向输入端相连，这样设计的好处在于，当电极CE和RE浸入溶液导通 时，U1和U2形成了另一个电压跟随器，从而保证了RE电极上的电压与输入参考电压VERF 大小方向相同；其中，参考电压VERF可以用电压分压式或者VERF输出芯片获得。
[0028] 进一步的，为了防止U1和U2形成的电压跟随电路出现自激振荡情况，本实施例还 在放大器U2的输出端连接有一个用于防止电压跟随电路自激振荡一阶RC电路，该RC电路 可以对输出信号的相位进行arctan(wRC)相位补偿（w为输出信号的频率，R为R1的电 阻值，C为C1的电容值），与此同时，且该一阶RC电路形成的低通滤波器可以滤出被测电流 的高频分量，其截止频率为1/2RC。
[0029] 电流电压转换电路包括反相输入端连接电极WE、同相输入端接地的运算放大器 U3,以及采样电阻R2 ;运算放大器U3的输出端与三环对顶交叉负反馈放大器连接。为了 提高电流电压转换器的转换精度，应该尽量减小运放放大器U3的输入电流，让尽量多的输 入电流从采样电阻R2流过，以保证所转换电压的精确度，基于上述设计原理，本实施例中， 运算放大器U3米用JFET输入型运算放大器，其输出偏执电流小于10pA，输入电阻一般为 1〇12〇 ;采样电阻R2的阻值小于104Q，根据输入并联之类电路电流大小与该之类电阻大小 成反比的原理，可知输入WE电极的电流几本上由R2分走，而流入运放的电流基本上接近其 偏执电流。
[0030] 下面将上述传统转换电路与本实施例中的转换电路进行对比：
[0031] 在传统恒电位仪中为了对nA电流进行检测，其采样电阻值一般为10?1000MQ。 而本发明电路的采样电路值R2为lk。根据奈奎斯特关系式可以计算出电阻的热燥声电平。
【权利要求】
1. 高精度便携式电化学检测前端，其特征在于，包括正向电压跟随电路，基于正向电压 跟随电路的RE电极和CE电极，电流电压转换电路，基于电流电压转换电路的WE电极，以及 与电流电压转换电路输出端连接的三环对顶交叉负反馈放大器。
2. 根据权利要求1所述的高精度便携式电化学检测前端，其特征在于，所述正向电压 跟随电路包括电压跟随器U1和放大器U2,电压跟随器U1的输出端直接与放大器U2的反相 输入端相连，电压跟随器U1的同相输入端连接电极RE，放大器U2的同相输入端接入参考电 压VREF，其输出端连接电极CE ;当电极CE和电极RE浸入溶液导通时，电压跟随器U1和放 大器U2组合构成另一个电压跟随器。
3. 根据权利要求2所述的高精度便携式电化学检测前端，其特征在于，在所述放大器 U2的输出端连接有一个用于防止电压跟随电路自激振荡一阶RC电路，且该一阶RC电路还 可滤去被测电流信号的高频分量。
4. 根据权利要求1所述的高精度便携式电化学检测前端，其特征在于，所述电流电压 转换电路包括反相输入端连接电极WE、同相输入端接地的运算放大器U3,以及采样电阻 R2 ;运算放大器U3的输出端与三环对顶交叉负反馈放大器连接。
5. 根据权利要求4所述的高精度便携式电化学检测前端，其特征在于，所述采样电阻 R2的阻值小于104Q。
6. 根据权利要求4所述的高精度便携式电化学检测前端，其特征在于，所述运算放大 器U3为JFET输入型运算放大器。
7. 据权利要求1所述的高精度便携式电化学检测前端，其特征在于，所述三环对顶交 叉负反馈放大器包括分别形成负反馈电路的放大器A1、放大器A2和放大器A3,由放大器A1 形成的负反馈电路的输出节点与放大器A2形成的负反馈电路的输出节点连接，二者组合 形成对顶环；由放大器A2形成的负反馈电路的输出节点与放大器A3形成的负反馈电路的 同相输入节点连接，由放大器A3形成的负反馈电路的反相输入节点与由放大器A2形成的 负反馈电路的反相输入节点连接，二者组合形成交叉环。
8. 据权利要求7所述的高精度便携式电化学检测前端，其特征在于，放大器A1的输出 端与放大器A2的输出端连接，放大器A1的同相输入端连接电流电压转换电路，放大器A1 的反相输入端与放大器A1的输出端连接，放大器A2的输出端与放大器A3的同相输入端连 接；放大器A3的反相输入端和放大器A2的反相输入端连接，放大器A3输出端与放大器A2 的反相输入端之间接有电阻R3,放大器A2的同相输入端接地且其与反相输入端之间接有 电阻R4。
9. 据权利要求8所述的高精度便携式电化学检测前端，其特征在于，放大器A1、放大器 A2和放大器A3选用同型自调零运算放大器。
【文档编号】G01N27/26GK104330446SQ201410440584
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】郭劲宏 申请人:成都劲宏科技有限公司