專利名稱：可輸出任意波形的電化學用電源裝置及其工作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電源裝置及其工作方法，尤其是一種可輸出任意波形的 電化學用電源裝置及其工作方法。
背景技術：
將經過退火的純度>99%的鋁片于磷酸、草酸或硫酸溶液中陽極氧化后獲 得的氧化鋁薄膜具有垂直于膜面的平行排列的孔洞，這些孔洞具有有序程度 高、孔徑可控、孔深可調等特點，已經在設計和制備零維、 一維納米陣列結 構方面得到了廣泛的應用。
在對鋁片進行陽極氧化的過程中，由于多孔氧化鋁薄膜中孔的孔徑和孔 間距取決于施加的氧化電壓，若電源能自動輸出事先選定的任意波形的電壓-時間信號，代替現(xiàn)有的恒壓電源對高純鋁片在磷酸、草酸或硫酸溶液中進行 陽極氧化，就可以改變多孔氧化鋁薄膜中孔的形狀和結構，從而合成出具有 三維納米孔陣列結構的新型多孔氧化鋁薄膜。這種新型多孔氧化鋁薄膜可根 據(jù)施加的電壓-時間波形的不同而具有不同的三維有序孔結構，并且在可見光 到紅外波段具有光學截止帶，可以強烈的反射特定波長的光波，在光學、催 化、分離等領域具有潛在的應用價值。
然而，目前巿面上卻沒有現(xiàn)成的商業(yè)電源裝置可以滿足這種氧化鋁薄膜 制備的要求。 一般地，巿場上所售的恒壓電源或恒流電源，只能提供穩(wěn)定不 變的電壓或電流；巿場上所售的信號發(fā)生器也只能給出頻率固定、波形固定 的低壓信號，如方波、正弦波或三角波等。雖也有通過計算機內在程序和程 控電源來對其輸出的電壓、電流參數(shù)進行調節(jié)的，如在2007年2月出版的《測 控技術》第2期雜志中"基于LabWindows/CVI的程控電源監(jiān)控軟件設計"一 文曾公開了一種程控電源裝置，但其目的卻僅是為了利用程控電源輸出的在 限定范圍內任意可調的電壓和電流，以進行被測設備的耐壓擾動性能的測試， 而未能提供適用于電化學領域的能輸出任意波形的電壓-時間信號，并能對選 定的信號進行排列組合后依次自動輸出的電源裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題為克服現(xiàn)有技術中的不足之處，提供一種結構 簡單、實用，使用方便的可輸出任意波形的電化學用電源裝置。
本發(fā)明要解決的另一個技術問題為提供一種可輸出任意波形的電化學用 電源裝置的工作方法。
為解決本發(fā)明的技術問題，所釆用的技術方案為可輸出任意波形的電 化學用電源裝置包括依次電連接的計算機、程控電源和負載，特別是(a)所 述計算機的PCI插槽中置有DA/AD轉換器，所述DA/AD轉換器的DA轉換器的 輸出端與所述程控電源的控制信號輸入端電連接，用于將所需的波形信號傳 送至程控電源，所述DA/AD轉換器的AD轉換器的輸入端與所述負載電連接， 用于監(jiān)測負載上的電壓波形；(b)所述程控電源由依次電連接的脈寬可調發(fā) 生器、主振蕩回路和整流回路，以及整流回路與脈寬可調發(fā)生器間分別串接 的電壓釆樣電路、過流保護電路構成，其中，程控電源的控制信號輸入端與 脈寬可調發(fā)生器的輸入端電連接、輸出端接負載，用于將計算機傳來的波形 轉換成電模擬量輸出。
作為可輸出任意波形的電化學用電源裝置的進一步改進，所述的DA/AD
轉換器為中國北京瑞博華公司的DA/AD接口卡AD7214H;所述的輸入端與負
載之間串接有光電隔離器；所述的光電隔離器由跨接于負載兩端的發(fā)光二極 管和與其相配接的光電三極管構成；所述的程控電源為中國天津斯威特公司
的可控開關電源。
為解決本發(fā)明的另一個技術問題，所釆用的另一個技術方案為可輸出 任意波形的電化學用電源裝置的工作方法包含以下步驟第一步，設定所需 的電壓-時間波形函數(shù)Vn(t)-a。+aa+a2t2+a3t3…，產生一個以上的電化學用的 基礎工作模式；第二步，根據(jù)需要，將一個以上的電壓-時間波形函數(shù) Vn(t)-a。+a,t+a2t2+a3t3…組合成所需的函數(shù)F(Vn)-Vr^+V".,產生一個電化 學用的工作模式；第三步，根據(jù)工作模式，將其由輸出端輸出相應的電模擬 量。
作為可輸出任意波形的電化學用電源裝置的工作方法的進一步改進，所 述的設定工作模式的運行時間，當運行時間到時停止運行；所述的電壓-時間
5波形函數(shù)V。(t)-an+aa+a2t2+a3t3…為正弦波或方波或鋸齒波或直線的函數(shù)模 塊；所述的正弦波或方波或鋸齒波或直線為輸出的幅度、電平、頻率、占空 比和工作時間均由用戶按需求予以設定的電壓-時間信號。
相對于現(xiàn)有技術的有益效果是，其一，將計算機經其PCI插槽中的DA/AD 轉換器分別與程控電源和負載電連接，程控電源釆用依次電連接的脈寬可調 發(fā)生器、主振蕩回路和整流回路，以及整流回路與脈寬可調發(fā)生器間分別串 接的電壓采樣電路、過流保護電路的構造，使其既可由計算機中駐有的程序 來控制DA/AD轉換器的DA轉換器輸出任意組合波形的電壓-時間信號，并經
程控電源對其進行功率放大后直接使用，為合成出具有新穎結構和性能的新 型多孔氧化鋁薄膜奠定了基礎，又可通過DA/AD轉換器的AD轉換器將程控電 源實際輸出的電壓信號采集后送回計算機顯示，以對輸出的電壓-時間波形進 行實時監(jiān)控，還具有因直接將DA/AD轉換器的DA轉換器與帶脈寬可調發(fā)生器 的程控電源相結合，而產生出控制的原理簡單、電路連接的結構簡潔、通用 性好的特點；其二，易于根據(jù)需合成的多孔氧化鋁薄膜中孔的形狀和結構， 方便地由計算機來選擇、設定和組合成所需的任意電壓-時間波形函數(shù)，并將 其經DA/AD轉換器和程控電源轉換成任意波形的電壓。不僅適用于以硫酸、
草酸和磷酸為電解液來制備新型多孔氧化鋁薄膜的氧化過程，也適宜在其它 電解液中利用該電源輸出任意波形的電壓-時間波形來電化學合成特定結構 的材料，如超晶格材料或梯度材料等。
作為有益效果的進一步體現(xiàn)， 一是AD轉換器的輸入端與負載之間串接有 光電隔離器，防止了 AD轉換器在釆集數(shù)據(jù)時受到負載上高電壓的損壞；二是 設定工作模式的運行時間，當運行時間到時停止運行，提升了電源裝置的智 能化程度。


下面結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式作進一步詳細的說明。 圖l是本發(fā)明電源裝置的一種基本結構原理示意圖； 圖2是圖1中程控電源的一種實施例電路結構圖； 圖3是本發(fā)明工作方法的流程圖4是本發(fā)明電源裝置輸出的周期性電壓波形圖，其中，曲線a為計算機傳出的波形，曲線b為程控電源輸出的波形；
圖5是本發(fā)明電源裝置自負載上釆集的電壓波形圖6是對使用本發(fā)明電源裝置制得的多孔氧化鋁薄膜的橫截面使用美國 FEI公司的Sirion 200FEG型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對其進行觀察后 攝得的SEM照片，由該SEM照片可知，薄膜是由周期性變化的三維空氣孔與 氧化鋁孔壁復合而成的；
圖7是將圖6所示的薄膜分別于反射光和透射光下進行觀察后攝得的兩 張照片，其中，圖7a為薄膜于反射光下攝得的照片，照片中的薄膜呈現(xiàn)為綠 色，圖7b為薄膜于透射光下攝得的照片，照片中的薄膜呈現(xiàn)為紅色，這表明 薄膜的顏色來源于光子帶隙，即物理顏色，而非化學顏料。
具體實施例方式
參見圖1和圖2，可輸出任意波形的電化學用電源裝置包括一臺計算機5， 一個DAMD轉換器1和一個程控電源2。該計算機5經其PCI插槽與DA/AD 轉換器1電連接，DA/AD轉換器1的輸入端和輸出端分別與負載3、程控電源 2的輸入端電連接，程控電源2的輸出端與負載3電連接。
其中，計算機5起總體控制和生成所需的任意電壓-時間波形函數(shù)的作 用，它為通用型的微機計算機。
DA/AD轉換器1為中國北京瑞博華公司生產的DA/AD接口卡，其型號為 AD7214H。該M/AD接口卡AD7214H為具有八路AD轉換通道和四路DA轉換通 道的PCI的數(shù)據(jù)采集卡，其中，AD轉換的精度為16bit， DA轉換的精度為 12bit,輸出帶有光電隔離器。DA/AD接口卡AD7214H被置于計算機5的PCI 插槽中，現(xiàn)選用DA/AD接口卡AD7214H的DA轉換通道的第一路的輸出口作為 控制信號的輸出端(13， 14)與程控電源2的控制信號輸入端(21， 22)電 連接，其輸出信號的電壓幅值為0~5V，用于將所需的波形信號傳送至程控 電源2。選用DA/AD接口卡AD7214H的AD轉換通道的第一路的輸入口作為信 號釆集的輸入端(ll, 12)與負載3電連接，用于監(jiān)測負載3上的電壓波形； 其中，在信號采集的輸入端(11， 12)與負載3之間串接有光電隔離器4， 該光電隔離器4由跨接于負載3兩端的發(fā)光二極管和與其相配接的光電三極 管構成。程控電源2為委托中國天津斯威特科技有限公司加工的可控開關電源， 其由依次電連接的脈寬可調發(fā)生器、主振蕩回路和整流回路，以及整流回路 與脈寬可調發(fā)生器間分別串接的電壓釆樣電路、過流保護電路構成。程控電 源2的工作電壓為交流220V，由輸入端(26, 27 )接巿電而獲得；其外殼25 接地。程控電源2的受控電壓的范圍為0~5V,由輸入端(21, 22)自DA/AD 轉換器1的輸出端U3， 14)接入后與脈寬可調發(fā)生器的輸入端電連接。程 控電源2的輸出電壓為0~ 200V、最大電流為1A，由輸出端(23~24)接負載 3。程控電源2輸出的任意組合波形的電壓-時間信號與輸入的控制信號之間 按照線性關系變化，即V。(t) =40vin(t),用于將計算機5傳來的波形不失真 地轉換成電模擬量輸出。
參見圖3、圖4、圖5、圖6和圖7，可輸出任意波形的電化學用電源裝
置的工作方法和裝置工作流程如下對可輸出任意波形的電化學用電源裝置 通電后，計算機5內置的程序開始運行。首先，計算機5的屏幕上出現(xiàn)一個 關于參數(shù)設置的對話界面，用戶通過選擇所需要的電壓-時間波形函數(shù) Vn(t)=a。+ait+a2t2+a3t3...,如選擇正弦波函數(shù)和直線函數(shù)(步驟110)，得以 產生一個以上的電化學用的基礎工作模式(步驟120)。為便于選擇，對話界 面顯示了如正弦波、方波、鋸齒波和直線等的函數(shù)模塊供用戶直接調用，這 些函數(shù)模塊中的正弦波或方波或鋸齒波或直線為輸出的幅度、電平、頻率、 占空比和工作時間均由用戶按需求予以設定的電壓-時間信號。接著，由計算 機5將一個以上的電壓-時間波形函數(shù)V。(t)-a。+aA+a2t2+a3t3…組合成所需的 函數(shù)FOU-V吵V2+V3…，即將正弦波函數(shù)和直線函數(shù)組合成所需的函數(shù)一弧齒 波函數(shù)(步驟130)，從而產生了一個電化學用的工作模式。然后，計算機5 根據(jù)工作模式，將其由程控電源2的輸出端(23， 24)輸出相應的電模擬量 (步驟140~170)，其波形如圖4中曲線所示。同時，計算機5通過DA/AD 轉換器l的輸入端(11， 12)釆集加在負載3上的實際輸出的電壓時間關系 數(shù)值V。(t)(步驟180)，并于屏幕上顯示出來(步驟190)和保存于計算機5 中(步驟200 ),釆集到的波形如圖5中曲線所示。直至計算機5中預先設定 的運行時間到，本發(fā)明停止運行，從而制備出如圖6、圖7所示的多孔氧化 鋁薄膜。
8顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明的可輸出任意波形的電化學用電
倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范 圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1、一種可輸出任意波形的電化學用電源裝置，包括依次電連接的計算機、程控電源和負載，其特征在于(a)所述計算機(5)的PCI插槽中置有DA/AD轉換器(1)，所述DA/AD轉換器(1)的DA轉換器的輸出端(13，14)與所述程控電源(2)的控制信號輸入端(21，22)電連接，用于將所需的波形信號傳送至程控電源(2)，所述DA/AD轉換器(1)的AD轉換器的輸入端(11，12)與所述負載(3)電連接，用于監(jiān)測負載(3)上的電壓波形；(b)所述程控電源(2)由依次電連接的脈寬可調發(fā)生器、主振蕩回路和整流回路，以及整流回路與脈寬可調發(fā)生器間分別串接的電壓采樣電路、過流保護電路構成，其中，程控電源(2)的控制信號輸入端(21，22)與脈寬可調發(fā)生器的輸入端電連接、輸出端(23，24)接負載(3)，用于將計算機(5)傳來的波形轉換成電模擬量輸出。
2、 根據(jù)權利要求1所述的可輸出任意波形的電化學用電源裝置，其特征 是DA/AD轉換器(1)為中國北京瑞博華公司的DA/AD接口卡AD7214H。
3、 根據(jù)權利要求2所述的可輸出任意波形的電化學用電源裝置，其特征 是輸入端(11, 12)與負載(3)之間串接有光電隔離器(4)。
4、 根據(jù)權利要求3所述的可輸出任意波形的電化學用電源裝置，其特征 是光電隔離器(4)由跨接于負載(3)兩端的發(fā)光二極管和與其相配接的光 電三極管構成。
5、 根據(jù)權利要求1所述的可輸出任意波形的電化學用電源裝置，其特征 是程控電源(2)為中國天津斯威特公司的可控開關電源。
6、 根據(jù)權利要求l所述的可輸出任意波形的電化學用電源裝置的工作方 法，其特征在于所述方法包含以下步驟第一步，設定所需的電壓-時間波形函數(shù)VJt)-an+a,t+a2t2+a3t3...，產生 一個以上的電化學用的基礎工作模式；第二步，根據(jù)需要，將一個以上的電壓-時間波形函數(shù) Vn(t)-a。+a,t+a2t2+a3t3…組合成所需的函數(shù)F(VJ-V,+V2+V3…，產生一個電化 學用的工作模式；第三步，根據(jù)工作模式，將其由輸出端輸出相應的電模擬量。
7、 根據(jù)權利要求6所述的可輸出任意波形的電化學用電源裝置的工作方法，其特征是設定工作模式的運行時間，當運行時間到時停止運行。
8、 根據(jù)權利要求6所述的可輸出任意波形的電化學用電源裝置的工作方 法，其特征是電壓-時間波形函數(shù)Vn(t)-a。+aj+a2t^a^…為正弦波或方波或 鋸齒波或直線的函數(shù)模塊。
9、 根據(jù)權利要求8所述的可輸出任意波形的電化學用電源裝置的工作方 法，其特征是正弦波或方波或鋸齒波或直線為輸出的幅度、電平、頻率、占 空比和工作時間均由用戶按需求予以設定的電壓-時間信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可輸出任意波形的電化學用電源裝置及其工作方法。裝置為計算機(5)的PCI插槽中置有其DA轉換器的輸出端(13，14)與程控電源(2)的控制信號輸入端(21，22)電連接、AD轉換器的輸入端(11，12)與負載(3)電連接的DA/AD轉換器(1)，程控電源(2)由依次電連接的脈寬可調發(fā)生器、主振蕩回路和整流回路，以及整流回路與脈寬可調發(fā)生器間分別串接的電壓采樣電路、過流保護電路構成。方法為先設定所需的電壓-時間波形函數(shù)V_n(t)＝a₀+a₁t+a₂t²+a₃t³…，再將一個以上的電壓-時間波形函數(shù)V_n(t)＝a₀+a₁t+a₂t²+a₃t³…組合成所需的函數(shù)F(V_n)＝V₁+V₂+V₃…，并將其由輸出端輸出相應的電模擬量。它能輸出任意波形的電壓-時間信號，可廣泛地用于電化學領域來合成具有特定結構的三維納米材料。
文檔編號C25D11/04GK101526825SQ20081001867
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月7日 優(yōu)先權日2008年3月7日
發(fā)明者兵 吳, 彪 王, 費廣濤 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院