微機(jī)控制電化學(xué)系統(tǒng)中的微電流測量設(shè)計(jì)

肖樂，劉覺民，向增，郭剛，秦攀

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙 410082)

微機(jī)控制電化學(xué)系統(tǒng)中的微電流測量設(shè)計(jì)

肖樂，劉覺民，向增，郭剛，秦攀

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙 410082)

為提高電化學(xué)分析儀系統(tǒng)的測量精度和數(shù)據(jù)分析速度，優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，介紹了由單片機(jī)ADuC847控制的電化學(xué)分析儀系統(tǒng)中的微電流測量設(shè)計(jì)，分析了微電流測量的原理，通過I/V轉(zhuǎn)換、T型電路和抗干擾等設(shè)計(jì)，并使用高精度運(yùn)放OPA129對微電流進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)了寬量程和高靈敏度。該系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確測量pA～μA級微電流，并能直觀地顯示測量結(jié)果。

電化學(xué)分析儀；微電流測量；ADuC847

微弱信號一般都是通過相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)槲㈦娏骰蛘呤俏㈦妷盒盘?，然后?jīng)過放大器的放大，達(dá)到一定的幅值便于后續(xù)電路的處理，從而反映出被測量的大小，由此微電流的測量技術(shù)水平在某種程度上決定了其他的微弱信號的測量能力[1]。微電流的測量在物理學(xué)、醫(yī)學(xué)和電化學(xué)等諸多方面都有著很多的應(yīng)用，是電化學(xué)分析儀系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對于電化學(xué)分析系統(tǒng)中的微電流測量精度和測量的準(zhǔn)確度，要求也越來越高。

本文研制了一套便攜式的電化學(xué)分析儀系統(tǒng)裝置，該系統(tǒng)基于單片機(jī)ADuC847控制，可以在直流和低頻的條件下，通過對系統(tǒng)微電流測量部分的電路分析與設(shè)計(jì)，用恒電位法完成生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對量程pA～μA級微電流和高準(zhǔn)確度測量。

1 電化學(xué)分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微機(jī)控制電化學(xué)分析儀系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括了微電流的檢測處理、單片機(jī)、鍵盤、液晶顯示以及計(jì)算機(jī)的通信等幾個(gè)部分。微電流檢測處理包括恒電位儀、I/V轉(zhuǎn)換和放大及濾波環(huán)節(jié)。單片機(jī)采用的是ADI公司的ADuC847，它是有單指令周期8052閃存MCU、自帶24位Δ-∑A/D、12位D/A，該芯片的數(shù)據(jù)處理速度達(dá)12MIPS，且軟件設(shè)計(jì)簡單，噪聲低，非常適用于本系統(tǒng)裝置。單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換是將濾波后的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)行處理，D/A轉(zhuǎn)換輸出電壓掃描信號控制恒電位儀的參比電極RE電勢的大小。鍵盤實(shí)現(xiàn)了本地操作命令的輸入，液晶屏則顯示系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)和工作狀態(tài)。系統(tǒng)還可以和計(jì)算機(jī)通訊，方便將采集的數(shù)據(jù)保存和對系統(tǒng)的軟件進(jìn)行在線的修改。

圖1 電化學(xué)分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 微電流測量電路

2.1 恒電位儀

恒電位儀整體說是一個(gè)負(fù)反饋放大——輸出系統(tǒng)，運(yùn)算放大器經(jīng)過運(yùn)算，使參比電極RE與工作電極WE之間的電位差，嚴(yán)格等于輸入的指令信號電壓。用運(yùn)算放大器構(gòu)成的恒電位儀，在電解池、電流取樣電阻以及指令信號的連接方式上有很大靈活性，可以根據(jù)電化學(xué)測試的要求選擇或者設(shè)計(jì)各種類型的恒電位儀電路[2]。

本系統(tǒng)采用的恒電位儀電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由三個(gè)電極體系、運(yùn)算放大器樣品溶液和反饋電阻四個(gè)部分構(gòu)成。其中三電極體系由工作電極WE、參比電極RE和對電極CE組成。單片機(jī)D/A輸出控制電壓o至恒電位儀的參比電極RE，從對電極CE輸出電流；電流測量電路將工作電極WE控制在地電位(虛地)，并檢測流入WE的電流[3-4]。如圖2所示，可以看到A1處于反向放大，工作電極WE的電位由A3保持在虛地的狀態(tài)，因此工作電極WE和參比電極RE之間的電位差就保持在+o不變。放大器A2則作為一個(gè)電壓跟隨器存在，A3則測定流過工作電極WE的電流f進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，并輸出電壓。

圖2 恒電位儀結(jié)構(gòu)圖

2.2 微電流測量基本原理

圖3 I/V轉(zhuǎn)換原理圖

但是，實(shí)際上應(yīng)用中，并沒有完全理想的運(yùn)算放大器，放大器的開環(huán)增益不是無窮大，同時(shí)也存在著偏置電流b和輸入失調(diào)電壓os的影響。所以實(shí)際I/V轉(zhuǎn)換的輸出為：

因此為了得到更好的測量效果，運(yùn)算放大器應(yīng)該滿足下面的要求：(1)偏置電流b?被測電流i；(2)反饋電阻f?輸入阻抗i；(3)共模抑制比CMRR高；(4)輸入失調(diào)電壓os小；(5)噪聲小。根據(jù)上述要求，本系統(tǒng)選擇了OPA129作為I/V轉(zhuǎn)換的運(yùn)算放大器。該運(yùn)算放大器的最大偏置電流為100 fA，最大的輸入失調(diào)電壓為2 mV，共模抑制比高達(dá)118 dB，非常適合微弱信號的放大，具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 OPA129技術(shù)參數(shù)

測量電化學(xué)分析儀系統(tǒng)的微電流，一般采用電流負(fù)反饋的方法，它由一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)反饋電阻組成I/V轉(zhuǎn)換電路[5-7](電流-電壓轉(zhuǎn)換電路)。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：o為輸出電壓；i為輸入電流；f為反饋電阻。當(dāng)運(yùn)算放大器處于理想的狀態(tài)下，該轉(zhuǎn)換電路的輸出為：

圖4 T型電路原理圖

2.3 檔位設(shè)計(jì)

圖5 反饋電阻分檔設(shè)計(jì)

表2 檔位與反饋電阻取值情況

2.4 抗干擾處理

(1)電源去耦。采用直流供電電源，該電源為公用電源，同時(shí)提供放大器、單片機(jī)和液晶顯示等器件的電源，因此要在放大電路的正負(fù)電源端串接RC退偶濾波電路[8]。同時(shí)為了減少電源對電路的干擾，還應(yīng)將數(shù)字電源和模擬電源隔開。

(2)器件及PCB設(shè)計(jì)。電阻選用低噪聲的金屬膜電阻；電容選用低噪聲的云母或瓷質(zhì)電容；PCB板最好選用高絕緣的電路板，如環(huán)氧玻璃板；輸入信號線盡量短，采用聚四氟乙烯架空處理，放大器和電源部分周圍應(yīng)敷銅接地，有效提高信噪比。

3 校準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

校準(zhǔn)前的測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6(a)所示，其偏差較大，最大偏差約為5 mV，即0.05 nA。校準(zhǔn)之后的測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 (b)，其偏差很小，最大偏差為1 mV，即0.01 nA。

4 結(jié)束

電化學(xué)分析儀系統(tǒng)中，微電流測量部分是極為重要的環(huán)節(jié)，本文詳細(xì)地對微電流的測量進(jìn)行了設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了對pA～μA級的微電流快速、準(zhǔn)確地測量，精度高，偏差小。同時(shí)也介紹了系統(tǒng)的其他部分結(jié)構(gòu)，裝置簡單、直觀，滿足電化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求，具有一定的推廣價(jià)值。

圖6 微電流測量校準(zhǔn)前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果

[1]姜智能.電化學(xué)工作站的研究與開發(fā)[D].南京：南京理工大學(xué)，2009.

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Micro-current measurements design in microcomputer control electrochemical system

XIAO Le,LIU Jue-min,XIANG Zeng,GUO Gang,QIN Pan

In order to improve the measuring accuracy and the data analysis speed of the electrochemical analyzer system,to optimize the structure of the system,the ADuC847 by single-chip microcomputer control of the electrochemical analyzer system of micro-current measurement design was introduced.The micro-current measurement principles,through the I/V switching,T circuit and the anti-interference,such as design,and using the high accuracy OPA129 op-amp to micro-current amplification were analyzed.The wide measuring range and high sensitivity were realized.pA～μA level micro-current could be quickly,accurately measured by the system.Then the measured results could be intuitive displayed.

electrochemical analyzer;micro-current measurement;ADuC847

TM 933

A

1002-087 X(2014)02-0327-02

2013-06-20

肖樂(1987—)，男，湖南省人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)的應(yīng)用。