高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端，解決了現(xiàn)有電化學(xué)檢測(cè)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗干擾性和穩(wěn)定性差，且檢測(cè)精度低等問(wèn)題。該高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端，其特征在于，包括正向電壓跟隨電路，基于正向電壓跟隨電路的RE電極和CE電極，電流電壓轉(zhuǎn)換電路，基于電流電壓轉(zhuǎn)換電路的WE電極，以及與電流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出端連接的三環(huán)對(duì)頂交叉負(fù)反饋放大器。本發(fā)明電路簡(jiǎn)單，電路的穩(wěn)定性和抗干擾性強(qiáng)，功耗低，且測(cè)試精度高。因此，適合推廣應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電化學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，具體地講，是涉及一種高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前 端。

【背景技術(shù)】
[0002] 電化學(xué)檢測(cè)器是測(cè)量物質(zhì)的電信號(hào)變化，對(duì)具有氧化還原性質(zhì)的化合物，如含硝 基、氨基等有機(jī)化合物及無(wú)機(jī)陰、陽(yáng)離子等物質(zhì)可采用電化學(xué)檢測(cè)器。包括極譜、庫(kù)侖、安培 和電導(dǎo)檢測(cè)器等。前三種統(tǒng)稱為伏安檢測(cè)器，用于具有氧化還原性質(zhì)的化合物的檢測(cè)，電導(dǎo) 檢測(cè)器主要用于離子檢測(cè)。其工作原理是：在兩電極之間施加一恒定電位，當(dāng)電活性組分經(jīng) 過(guò)電極表面時(shí)發(fā)生氧化還原反應(yīng)（電極反應(yīng)），電量（Q)的大小符合法拉第定律，現(xiàn)有電化 學(xué)檢測(cè)器的抗干擾性弱、穩(wěn)定性差，且檢測(cè)精度低，檢測(cè)噪聲大增益低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種電路簡(jiǎn)單、抗干擾性和穩(wěn)定性強(qiáng)且檢 測(cè)精度高的高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0005] 高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端，包括正向電壓跟隨電路，基于正向電壓跟隨電路 的RE電極和CE電極，電流電壓轉(zhuǎn)換電路，基于電流電壓轉(zhuǎn)換電路的WE電極，以及與電流電 壓轉(zhuǎn)換電路輸出端連接的三環(huán)對(duì)頂交叉負(fù)反饋放大器。通過(guò)上述設(shè)置，整個(gè)電路中僅用了 三個(gè)電阻，大大提高了電路的穩(wěn)定性和抗干擾性，同時(shí)也降低了整個(gè)電路的功耗；同時(shí)，采 用改進(jìn)的三電極設(shè)計(jì)，并在WE端口引入了三環(huán)對(duì)頂交叉負(fù)反饋放大電路，其具有噪聲小， 信號(hào)帶寬大，電路穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，從而大大提高了整個(gè)電路的電流檢測(cè)精度。
[0006] 具體的說(shuō)，所述正向電壓跟隨電路包括電壓跟隨器U1和放大器U2,電壓跟隨器U1 的輸出端直接與放大器U2的反相輸入端相連，電壓跟隨器U1的同相輸入端連接電極RE，放 大器U2的同相輸入端接入?yún)⒖茧妷篤REF，其輸出端連接電極CE;當(dāng)電極CE和電極RE浸入 溶液導(dǎo)通時(shí)，電壓跟隨器U1和放大器U2組合構(gòu)成另一個(gè)電壓跟隨器。通過(guò)上述設(shè)置，電壓 跟隨器U1的輸出直接與U2放大器的反向輸入端相連，使U1和U2形成另一個(gè)電壓跟隨器， 保證了RE電極上的電壓與輸入?yún)⒖茧妷篤ERF大小方向相同，使得本發(fā)明可適用于單極性 供電的便攜式設(shè)備。
[0007] 進(jìn)一步的，為了防止U1和U2形成的電壓跟隨電路出現(xiàn)自激振蕩情況，在所述放大 器U2的輸出端連接有一個(gè)用于防止電壓跟隨電路自激振蕩一階RC電路，且該一階RC電路 形成低通濾波器，可濾去被測(cè)電流信號(hào)的高頻分量。
[0008] 具體的說(shuō)，所述電流電壓轉(zhuǎn)換電路包括反相輸入端連接電極WE、同相輸入端接地 的運(yùn)算放大器U3,以及采樣電阻R2 ;運(yùn)算放大器U3的輸出端與三環(huán)對(duì)頂交叉負(fù)反饋放大器 連接。
[0009] 為了提高電流電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，所述運(yùn)算放大器U3為JFET輸入型運(yùn)算放 大器；所述采樣電阻R2的阻值小于104Q。
[0010] 同時(shí)，所述三環(huán)對(duì)頂交叉負(fù)反饋放大器包括分別形成負(fù)反饋電路的放大器A1、放 大器A2和放大器A3,由放大器A1形成的負(fù)反饋電路的輸出節(jié)點(diǎn)與放大器A2形成的負(fù)反饋 電路的輸出節(jié)點(diǎn)連接，二者組合形成對(duì)頂環(huán)；由放大器A2形成的負(fù)反饋電路的輸出節(jié)點(diǎn)與 放大器A3形成的負(fù)反饋電路的同相輸入節(jié)點(diǎn)連接，由放大器A3形成的負(fù)反饋電路的反相 輸入節(jié)點(diǎn)與由放大器A2形成的負(fù)反饋電路的反相輸入節(jié)點(diǎn)連接，二者組合形成交叉環(huán)。通 過(guò)上述設(shè)置，相較于傳統(tǒng)的放大電路具有更低的噪聲電平和更大的信號(hào)帶寬，并改善了傳 統(tǒng)的電化學(xué)檢測(cè)器測(cè)試精度。
[0011] 具體的說(shuō)，放大器A1的輸出端與放大器A2的輸出端連接，放大器A1的同相輸入 端連接電流電壓轉(zhuǎn)換電路，放大器A1的反相輸入端與放大器A1的輸出端連接，放大器A2 的輸出端與放大器A3的同相輸入端連接；放大器A3的反相輸入端和放大器A2的反相輸入 端連接，放大器A3輸出端與放大器A2的反相輸入端之間接有電阻R3,放大器A2的同相輸 入端接地且其與反相輸入端之間接有電阻R4。
[0012] 優(yōu)選的，放大器A1、放大器A2和放大器A3選用同型自調(diào)零運(yùn)算放大器。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0014] (1)本發(fā)明電路簡(jiǎn)單，電路的穩(wěn)定性和抗干擾性強(qiáng)，功耗低，且測(cè)試精度高。
[0015] (2)本發(fā)明中電壓跟隨器U1的輸出直接與U2放大器的反向輸入端相連，當(dāng)電極 CE和RE浸入溶液導(dǎo)通時(shí)，U1和U2形成了另一個(gè)電壓跟隨器，從而保證了RE電極上的電壓 與輸入?yún)⒖茧妷篤ERF大小方向相同，使得本發(fā)明可適用于單極性供電的便攜式設(shè)備，擴(kuò)大 了本發(fā)明的適用范圍。
[0016] (3)本發(fā)明在U2輸出接了一階RC電路，有效地防止U1和U2形成的電壓跟隨電 路出現(xiàn)自激振蕩情況，同時(shí)，該一階RC電路形成的低通濾波器可以濾出被測(cè)電流的高頻分 量。
[0017](4)本發(fā)明中的U3選用具有JFET輸出運(yùn)算放大器，采樣電阻R2選擇小于104Q， 減小運(yùn)了放放大器U3的輸入電流，增加了從采樣電阻R2流過(guò)的輸入電流，從而提高了電流 電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。
[0018] (5)本發(fā)明在WE端口引入了獨(dú)創(chuàng)的三環(huán)對(duì)頂交叉負(fù)反饋放大電路，該放大電路 具有噪聲小，信號(hào)帶寬大，電路穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，從而極大地提高了整個(gè)電路的電流檢測(cè)精 度。
[0019](6)本發(fā)明可以對(duì)氰離子，鉻離子等污染離子進(jìn)行精確定量分析；在金屬的腐蝕 問(wèn)題上，由于大多數(shù)金屬腐蝕都是電化學(xué)反應(yīng)，該檢測(cè)前端也可以精確檢測(cè)；許多生命現(xiàn)象 如肌肉運(yùn)動(dòng)，神經(jīng)信號(hào)傳遞都涉及到電化學(xué)機(jī)理，但由于信號(hào)微弱難以用常規(guī)儀器檢測(cè)，但 該檢測(cè)前端由于具備檢測(cè)噪聲小增益高等特顯可以完全勝任此類微弱信號(hào)檢測(cè)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的電路原理圖。
[0021] 圖2為傳統(tǒng)反相運(yùn)放電路的等效噪聲模型。
[0022] 圖3為三環(huán)對(duì)頂交叉負(fù)反饋放大電路噪聲模型。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于 下列實(shí)施例。
[0024] 實(shí)施例
[0025] 如圖1、3所示，本實(shí)施例提供了一種高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端，該檢測(cè)前端 適用于單電源供電的便攜式電化學(xué)測(cè)量設(shè)備，電流檢查精度可達(dá)到10nA?10uA，可以與一 般實(shí)驗(yàn)室用電化學(xué)工作站媲美，它包括三個(gè)電路：正向電壓跟隨電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、 三環(huán)對(duì)頂交叉負(fù)反饋放大器，通過(guò)三電路的設(shè)計(jì)，極大地簡(jiǎn)化了電路，與此同時(shí)，配合三電 極WE電極，CE電極，RE電極的設(shè)計(jì)，提高了電路的穩(wěn)定性和抗干擾性，同時(shí)也降低了整個(gè)電 路的功耗。
[0026] 為了使得本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的有更清晰的了解和認(rèn)識(shí)，下面結(jié)合附圖對(duì)其 進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：
[0027] 正向電壓跟隨電路，包括電壓跟隨器U1和放大器U2,電壓跟隨器U1的輸出端直 接與放大器U2的反相輸入端相連，電壓跟隨器U1的同相輸入端連接電極RE，放大器U2的 同相輸入端接入?yún)⒖茧妷篤REF，其輸出端連接電極CE。本實(shí)施例中電壓跟隨器U1的輸出 直接與U2放大器的反向輸入端相連，這樣設(shè)計(jì)的好處在于，當(dāng)電極CE和RE浸入溶液導(dǎo)通 時(shí)，U1和U2形成了另一個(gè)電壓跟隨器，從而保證了RE電極上的電壓與輸入?yún)⒖茧妷篤ERF 大小方向相同；其中，參考電壓VERF可以用電壓分壓式或者VERF輸出芯片獲得。
[0028] 進(jìn)一步的，為了防止U1和U2形成的電壓跟隨電路出現(xiàn)自激振蕩情況，本實(shí)施例還 在放大器U2的輸出端連接有一個(gè)用于防止電壓跟隨電路自激振蕩一階RC電路，該RC電路 可以對(duì)輸出信號(hào)的相位進(jìn)行arctan(wRC)相位補(bǔ)償（w為輸出信號(hào)的頻率，R為R1的電 阻值，C為C1的電容值），與此同時(shí)，且該一階RC電路形成的低通濾波器可以濾出被測(cè)電流 的高頻分量，其截止頻率為1/2RC。
[0029] 電流電壓轉(zhuǎn)換電路包括反相輸入端連接電極WE、同相輸入端接地的運(yùn)算放大器 U3,以及采樣電阻R2 ;運(yùn)算放大器U3的輸出端與三環(huán)對(duì)頂交叉負(fù)反饋放大器連接。為了 提高電流電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，應(yīng)該盡量減小運(yùn)放放大器U3的輸入電流，讓盡量多的輸 入電流從采樣電阻R2流過(guò)，以保證所轉(zhuǎn)換電壓的精確度，基于上述設(shè)計(jì)原理，本實(shí)施例中， 運(yùn)算放大器U3米用JFET輸入型運(yùn)算放大器，其輸出偏執(zhí)電流小于10pA，輸入電阻一般為 1〇12〇 ;采樣電阻R2的阻值小于104Q，根據(jù)輸入并聯(lián)之類電路電流大小與該之類電阻大小 成反比的原理，可知輸入WE電極的電流幾本上由R2分走，而流入運(yùn)放的電流基本上接近其 偏執(zhí)電流。
[0030] 下面將上述傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換電路與本實(shí)施例中的轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行對(duì)比：
[0031] 在傳統(tǒng)恒電位儀中為了對(duì)nA電流進(jìn)行檢測(cè)，其采樣電阻值一般為10?1000MQ。 而本發(fā)明電路的采樣電路值R2為lk。根據(jù)奈奎斯特關(guān)系式可以計(jì)算出電阻的熱燥聲電平。

【權(quán)利要求】
1. 高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端，其特征在于，包括正向電壓跟隨電路，基于正向電壓 跟隨電路的RE電極和CE電極，電流電壓轉(zhuǎn)換電路，基于電流電壓轉(zhuǎn)換電路的WE電極，以及 與電流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出端連接的三環(huán)對(duì)頂交叉負(fù)反饋放大器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端，其特征在于，所述正向電壓 跟隨電路包括電壓跟隨器U1和放大器U2,電壓跟隨器U1的輸出端直接與放大器U2的反相 輸入端相連，電壓跟隨器U1的同相輸入端連接電極RE，放大器U2的同相輸入端接入?yún)⒖茧?壓VREF，其輸出端連接電極CE ;當(dāng)電極CE和電極RE浸入溶液導(dǎo)通時(shí)，電壓跟隨器U1和放 大器U2組合構(gòu)成另一個(gè)電壓跟隨器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端，其特征在于，在所述放大器 U2的輸出端連接有一個(gè)用于防止電壓跟隨電路自激振蕩一階RC電路，且該一階RC電路還 可濾去被測(cè)電流信號(hào)的高頻分量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端，其特征在于，所述電流電壓 轉(zhuǎn)換電路包括反相輸入端連接電極WE、同相輸入端接地的運(yùn)算放大器U3,以及采樣電阻 R2 ;運(yùn)算放大器U3的輸出端與三環(huán)對(duì)頂交叉負(fù)反饋放大器連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端，其特征在于，所述采樣電阻 R2的阻值小于104Q。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端，其特征在于，所述運(yùn)算放大 器U3為JFET輸入型運(yùn)算放大器。
7. 據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端，其特征在于，所述三環(huán)對(duì)頂交 叉負(fù)反饋放大器包括分別形成負(fù)反饋電路的放大器A1、放大器A2和放大器A3,由放大器A1 形成的負(fù)反饋電路的輸出節(jié)點(diǎn)與放大器A2形成的負(fù)反饋電路的輸出節(jié)點(diǎn)連接，二者組合 形成對(duì)頂環(huán)；由放大器A2形成的負(fù)反饋電路的輸出節(jié)點(diǎn)與放大器A3形成的負(fù)反饋電路的 同相輸入節(jié)點(diǎn)連接，由放大器A3形成的負(fù)反饋電路的反相輸入節(jié)點(diǎn)與由放大器A2形成的 負(fù)反饋電路的反相輸入節(jié)點(diǎn)連接，二者組合形成交叉環(huán)。
8. 據(jù)權(quán)利要求7所述的高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端，其特征在于，放大器A1的輸出 端與放大器A2的輸出端連接，放大器A1的同相輸入端連接電流電壓轉(zhuǎn)換電路，放大器A1 的反相輸入端與放大器A1的輸出端連接，放大器A2的輸出端與放大器A3的同相輸入端連 接；放大器A3的反相輸入端和放大器A2的反相輸入端連接，放大器A3輸出端與放大器A2 的反相輸入端之間接有電阻R3,放大器A2的同相輸入端接地且其與反相輸入端之間接有 電阻R4。
9. 據(jù)權(quán)利要求8所述的高精度便攜式電化學(xué)檢測(cè)前端，其特征在于，放大器A1、放大器 A2和放大器A3選用同型自調(diào)零運(yùn)算放大器。
【文檔編號(hào)】G01N27/26GK104330446SQ201410440584
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】郭勁宏 申請(qǐng)人:成都勁宏科技有限公司