可用于电化学测量的反向加法式恒电位器及IV转换测量电路的制作方法

本发明涉及恒电位器技术领域，特别涉及一种高精度的可用于电化学测量的反向加法式恒电位器及iv转换测量电路。

背景技术：

现有的恒电位器电路存在着稳定性差、转换精度和分辨率低，重复性差，抗干扰能力弱等问题。

技术实现要素：

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种可用于电化学测量的反向加法式恒电位器及iv转换测量电路。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种反向加法式恒电位器及iv转换测量电路，包括：恒电位器、iv转换电路、电解池，其中，

所述恒电位器的正向输入端与函数发生器相连，所述恒电位器的反向输入的和输出端与所述电解池连接，以由所述恒电位器和所述电解池构成负反馈放大的闭环回路，输出极化电流；

所述iv转换电路的负向输入端接所述电解池，所述iv转换电路的正向输入端接地，所述iv转换电路的输出端与后续的接收信号采集回路相连，用于将所述电解池在电化学反应过程中输出的极化电流转换成电压信号，以供后续的所述接收信号采集回路进行数据采集和处理。

进一步，所述恒电位器和所述iv转换电路均采用集成运算放大器。

进一步，所述恒电位器包括第一运算放大器，与所述第一运算放大器的负向输入端分别相连的第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第一运算放大器的正向输入端接地，构成反向加法电路，该反向加法电路包括三个支路，所述三个支路的电流在第一运算放大器的反向输入端加和，流入的各电流之和为零。

进一步，所述三个支路包括：

第一支路：所述第一运算放大器的输入端接收控制电压eout，经第一变阻器和所述第一电阻作用于所述第一运算放大器的反向输入端；

第二支路：第二运算放大器的输出端与所述第三电阻相连，构成电压跟随器作为反馈回路连接到参比电极，所述参比电极电位的反馈信号经第二运算放大器和所述第三电阻作用于所述第一运算放大器的反向输入端；

第三支路：在电路中外接+5v基准源通过第二变阻器和所述第二电阻接入到所述第一运算放大器的反向输入端，以对系统进行调零。

进一步，还包括：第一至第三模拟开关，所述第一模拟开关与所述第一运算放大器的输出端和所述电解池的一个电极相连，所述第二模拟开关与所述第二运算放大器的正向输入端和所述电解池的另一个电极相连，所述第三模拟开关与所述iv转换电路和所述电解池的再一个电极相连，用于通过开关来控制恒电位器的三个电极连接端与电解池的导通与否。

进一步，所述iv转换电路采用反馈式电流测量方法，包括第三运算放大器和第四运算放大器，其中，所述第三运算放大器与反馈电阻构成电流跟随器，输出电压同极化电流成比例，将要测量的极化电流信号转化成电压信号，经过所述第四运算放大器，得到与控制电压eout同相变化的电压参数。

进一步，还包括：多路模拟开关，所述多路模拟开关与所述反馈电阻相连，用于选择切换不同阻值的反馈电阻。

进一步，对所述反向加法式恒电位器及iv转换测量电路中的电源地、数字地和模拟地进行隔离和分开布线，包括，将模拟电源、模拟元件和模拟地与数字电源、数字元件和数字地进行磁珠隔离。

本发明实施例还提供一种电化学测量装置，包括：函数发生器、上述实施例提供的反向加法式恒电位器及iv转换测量电路、接收信号采集回路和微控制器，其中，所述函数发生器的输入端与所述微控制器相连，所述函数发生器的输出端与所述高精度的反向加法式恒电位器及iv转换测量电路的输入端相连，用于产生所需控制电压；所述高精度的反向加法式恒电位器及iv转换测量电路的输出端与所述接收信号采集回路相连，用于根据所述控制电压执行信号的控制和测量，将电化学反应过程中输出的极化电流转换成电压信号；所述接收信号采集回路的输出端与所述微控制器相连，用于接收测量后的信号。

进一步，所述函数发生器采用da数模转换器，所述接收信号采集回路采用ad模数转换器。

根据本发明实施例的可用于电化学测量的反向加法式恒电位器及iv转换测量电路，具有以下有益效果：

(1)在高速的控制电压下，具有较高的稳定性和转换精度；

(2)电流测量分辨率高，重复性好；

(3)提供良好的抗干扰设计，从而保证了电路的工作稳定性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的反向加法式恒电位器及iv转换测量电路的示意图；

图2为根据本发明实施例的恒电位器及其iv转换的电路原理图；

图3为根据本发明实施例的灵敏度选择电路的原理图；

图4为根据本发明实施例的抗干扰设计原理图；

图5为根据本发明实施例的电化学测量装置的系统框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例的反向加法式恒电位器及iv转换测量电路，包括：恒电位器100、iv转换电路200、电解池300。在本发明的一个实施例中，恒电位器100和iv转换电路200均采用集成运算放大器。函数发生器采用da数模转换器，接收信号采集回路采用ad模数转换器。

在一般电化学反应过程中，极化电流最大范围为ma级，电流测量分辨率小于1na。常用的运算放大器都具有ma级的电流输出能力。为防止控制电压的波形失真，对恒电位器100和iv转换电路200在运放的选择上，需要着重考虑的指标为输入失调电压、输入偏置电流和开环增益。因此，本发明的恒电位器100、iv转换电路200中采用的集成芯片ad8627和ad8608，其输入失调电压在uv级，输入偏置电流为pa级，开环增益超过100db，符合电路中的使用要求。

优选的，恒电位器100选用型号为ad8627的集成运算放大器芯片；iv转换电路200选用型号为ad8608的集成运算放大器芯片。

具体地，恒电位器100的正向输入端与函数发生器相连，恒电位器100的反向输入的和输出端与电解池300连接，以由恒电位器100和电解池300构成负反馈放大的闭环回路，使得参比电压随控制电压的调节而变化，并与工作电极的恒定基准电压进行比较，得到范围在±2v变化的扫描电压，最终实现极化电流输出。

图2为根据本发明实施例的恒电位器100及其iv转换的电路原理图。其中，we、re、ce分别代表工作电极、参比电极和辅助电极，极化电流i为阴极还原电流，并规定阴极电流为正。

如图2所示，恒电位器100包括第一运算放大器a2，与第一运算放大器a2的负向输入端分别相连的第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3，第一运算放大器a2的正向输入端接地，构成反向加法电路，该反向加法电路包括三个支路，三个支路的电流在第一运算放大器a2的反向输入端加和，流入的各电流之和为零。

具体地，三个支路包括：

第一支路：第一运算放大器a2的输入端接收控制电压eout，经第一变阻器rw1和第一电阻r1作用于第一运算放大a2的反向输入端；

第二支路：第二运算放大器a2的输出端与第三电阻r3相连，构成电压跟随器作为反馈回路连接到参比电极。由于运算放大器具有高输入阻抗，因此参比电极上不会有大的电流流过，从而避免了对所测的电极体系的干扰。参比电极电位的反馈信号经第二运算放大器a1和第三电阻r3作用于第一运算放大器a2的反向输入端。

第三支路：在电路中外接+5v基准源通过第二变阻器rw2和第二电阻r2接入到第一运算放大器a2的反向输入端，以对系统进行调零。

具体地，回路中运放的偏置电流、溶液电阻对控制电压会产生一定的影响，因此，在电路中外接+5v基准源通过变阻器rw2和电阻r2接入到a2的反向输入端，从而对系统进行调零。在此部分的电路中，运算放大器a2和a3的同相输入端+2.5v基准源，同时也是工作电极的恒电位点。当输入信号eout在1v到4v之间变化时，参比电极的电压变化范围为4.5v～0.5v，等效的工作电极相对于参比电极的电位变化范围为-2v～2v，从而满足扫描电压在±2v之间变化的设计要求。

参考图2，iv转换电路200的负向输入端接电解池300，iv转换电路200的正向输入端接地，iv转换电路200的输出端与后续的接收信号采集回路相连，用于将电解池300在电化学反应过程中输出的极化电流转换成电压信号，以供后续的接收信号采集回路进行数据采集和处理。

具体地，如图2所示，iv转换电路200采用反馈式电流测量方法，包括第三运算放大器a3b和第四运算放大器a3c，其中，第三运算放大器a3b与反馈电阻rf构成电流跟随器，输出电压同极化电流成比例，将要测量的极化电流信号转化成电压信号，经过第四运算放大器a3c，得到与控制电压eout同相变化的电压参数。

具体地，iv转换电路200将流入工作电极的电流转化为电压信号，供ad采集回路转换成数字量。本发明采用反馈式电流测量方法，选用的运算放大器是内部有4个运放的集成芯片ad8608，电路中的使用了其中的2路运放，分别是a3b和a3c。由运算放大器a3b和反馈电阻rf构成了电流跟随器，运算放大器ad8608的低偏置电流对极化电流i的影响很小，可忽略。因此第三运算放大器a3b的输出电压同极化电流成比例，从而将要测量的极化电流信号转化成电压信号，经过第四运算放大器a3c，可得到与eout同相变化的电压参数。当控制电压eout在1v到4v之间变化时，此时测量第三运算放大器a3b的输出电压范围为5v-0v，经反向比例运算电路a3c后输出范围为0v-2.5v，由ad采集回路测量运算放大器a3c的输出电压即可实现对极化电流的测量和记录。

在电化学分析测试中，不同电化学体系测试条件下待测的极化电流大小往往是不同的，因此需要用户根据实际情况选择合适的灵敏度，从而保证电流检测的准确性。针对不同的灵敏度可以采用不同的反馈电阻rf。在本发明的一个实施例中，还包括：多路模拟开关，多路模拟开关与反馈电阻相连，用于选择切换不同阻值的反馈电阻。

优选的，多路模拟开关选用型号为max4617。

具体地，采用多路模拟开关max4617实现对rf的切换，并在rf两端并联滤波电容cf来构成低通滤波器，原理图如图3所示，此部分的电路以iwe和owe端点接入到图2中，并取代图2中的rf和cf回路。

此外，如图2所示，本发明还包括：第一至第三模拟开关，第一模拟开关与第一运算放大器的输出端和电解池300的一个电极相连，第二模拟开关与第二运算放大器的正向输入端和电解池300的另一个电极相连，第三模拟开关与iv转换电路200和电解池300的再一个电极相连，用于通过开关来控制恒电位器100的三个电极连接端与电解池300的导通与否。

具体地，为了控制测试进程，还需通过开关来控制恒电位器100的三个电极连接端与电解池300的导通与否。要实现这样的功能可以通过模拟开关来实现，本电路中的第一至第三模拟开关采用低导通电阻、响应快速的dg419。如图2所示，第一至第三模拟开关分别诶d1、d2和d3。由于运算放大器具有很小的输出阻抗，可在运算放大器a1的输出端外接一个ad采集电路，实现对扫描电压的实时测量和记录。

本发明的整个回路是由模拟器件和一部分数字信号控制的模拟器件构成，而模拟器件的抗干扰性较差，因此在进行pcb设计时，应进行电源地、数字地和模拟地的隔离和分开布线，并隔离电源。如图5所示，对反向加法式恒电位器100及iv转换测量电路中的电源地、数字地和模拟地进行隔离和分开布线，包括，将模拟电源、模拟元件和模拟地与数字电源、数字元件和数字地进行磁珠隔离，实现抗干扰设计。

如图5所示，本发明实施例的电化学测量装置，包括：函数发生器2、上述实施例提供的反向加法式恒电位器及iv转换测量电路1、接收信号采集回路3和微控制器4。

具体地，函数发生器2的输入端与微控制器4相连，函数发生器2的输出端与高精度的反向加法式恒电位器及iv转换测量电路1的输入端相连，用于产生所需控制电压。高精度的反向加法式恒电位器及iv转换测量电路1的输出端与接收信号采集回路3相连，用于根据控制电压执行信号的控制和测量，将电化学反应过程中输出的极化电流转换成电压信号。接收信号采集回路3的输出端与微控制器相连，用于接收测量后的信号。微控制器4主要采用嵌入式的微处理器作为主控制器，实现自动控制、数据采集、数据处理、显示与传输等功能。

在本发明的一个实施例中，函数发生器2采用da数模转换器，接收信号采集回路3采用ad模数转换器。

根据本发明实施例的可用于电化学测量的反向加法式恒电位器及iv转换测量电路，具有以下有益效果：

(1)在高速的控制电压下，具有较高的稳定性和转换精度；

(2)电流测量分辨率高，重复性好；

(3)提供良好的抗干扰设计，从而保证了电路的工作稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。