CN107807706B - 一种在线欧姆压降预补偿快速扫描电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线欧姆压降预补偿快速扫描电路，包括交流电源、电化学池、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、滑动变阻器和电容，第一运算放大器、第一电阻、第二电阻和第三电阻构成恒电位仪，第二运算放大器、第四电阻、第五电阻和第六电阻构成电流/电压转换电路，第三运算放大器、第七电阻、滑动变阻器和电容构成预补偿电压产生电路；优点是消除了正反馈欧姆压降补偿技术所带来的振荡以及额外的时间延迟，使输出电压信号具有更为理想的伏安特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速扫描电路，尤其是涉及一种在线欧姆压降预补偿快速扫描电路。
背景技术
伏安法通过改变电极电位的扫描速率来考察所研究体系的电化学性质，并可作循环扫描以获取其它电化学技术无法获取的反向信息，为目前常用的一种电化学技术。伏安法可方便地提供化学或生物化学物种氧化还原过程的热力学参数，还可直接洞察各种电化学反应的动力学信息，如：测定体系的异相电子传递速率常数、考察体系的多步电子传递过程、检测反应中间体的产生与反应和研究电子转移的伴随化学反应等。
伏安法所使用的电位扫描速率越高，其所能分辨的动力学时间窗口就越向低端延伸，更快的异相或均相反应可以被研究，更短寿命的中间体可以被跟踪，这样可以大大扩展对电子转移和化学反应动力学的认识。因此，快速扫描电路设计技术是进一步推动伏安法发展的关键技术之一。快速扫描伏安法输出电流中包含两种电流分量：其一是扫描电压通过电极电容所产生的充电电流ic，即背景电流，该背景电流没有包含电化学检测所需的信息；其二为电化学反应所产生的法拉第电流if。随着扫描速度的增加背景电流线性增大，若不加控制，则背景电流有淹没法拉第电流之势，由此导致输出信号信噪比的降低。
文献1(ZhiyongGuo,Xiangqin Lin*,Zhaoxiang Deng,“Undistorted cyclicvoltammograms at scan rates up to 2.5MV·s-1through positive feedbackcompensation of ohmic drop”,Chinese J.Chem.2004,22,913-919.)中提出了一种双运放快速扫描电路，其电路图如图1所示。该双运放快速扫描电路采用正反馈欧姆压降补偿技术实现，由交流电源Vs、电化学池、两个运算放大器运放A1和A2，五个电阻(R、R、R1、Rf和Rs)和一个滑动变阻器Rw1组成，运算放大器A2的输出电压通过滑动变阻器RW1正反馈回运算放大器A1的同相输入端，叠加于输入扫描信号，由此补偿电化学池的溶液电阻所造成的欧姆电压降。
文献2(ZhiyongGuo,Xiangqin Lin*,“Ultrafast cyclic voltammetry at scanrates up to 3MV s–1through a single-opamp circuit with positive feedbackcompensation of ohmic drop”,J.Electroanal.Chem.2004,568,45-53.)提出了一种单运放快速扫描电路，其电路如图2所示。该单运放快速扫描电路采用正反馈欧姆压降补偿技术实现，由运算放大器A、交流电源Vs、两个电阻R1和R2、滑动变阻器Rw和电容Ox组成，通过两个电阻R1和R2构成的正反馈网络，产生一个负输入阻抗用于抵消电化学池的溶液电阻产生的欧姆压降，实现补偿。
不管是上述文献1提出的双运放快速扫描电路还是文献2提出的单运放快速扫描电路，其原理均是采用正反馈欧姆压降补偿技术补偿电化学池的溶液电阻所造成的电压降，消除电化学池的溶液电阻所带来的歪曲因素，从而获得较好的伏安信号，但是此类电路正是因为采用了正反馈补偿技术，从而也附带了正反馈欧姆压降补偿技术自身的天然技术障碍，即电路极易出现振荡以及会产生额外的时间延迟。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以消除正反馈欧姆压降补偿技术所带来的振荡以及额外的时间延迟，使输出信号具有更为理想的伏安特性的在线欧姆压降预补偿快速扫描电路。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种在线欧姆压降预补偿快速扫描电路，包括交流电源、电化学池、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、滑动变阻器和电容；所述的交流电源的正极、所述的第一电阻的一端和所述的电容的一端连接，所述的交流电源的负极接地，所述的第一电阻的另一端、所述的第二电阻的一端和所述的第一运算放大器的反相输入端连接，所述的第二电阻的另一端、所述的第一运算放大器的输出端和所述的电化学池的负极连接，所述的第一运算放大器的正相输入端和所述的第三电阻的一端连接，所述的第三电阻的另一端、所述的第三运算放大器的输出端和所述的滑动变阻器的一端连接，所述的滑动变阻器的另一端、所述的滑动变阻器的滑动端、所述的电容的另一端和所述的第三运算放大器的反相输入端连接，所述的电化学池的正极、所述的第二运算放大器的同相输入端和所述的第六电阻的一端连接，所述的第六电阻的另一端接地，所述的第二运算放大器的反相输入端、所述的第四电阻的一端和所述的第五电阻的一端连接，所述的第四电阻的另一端接地，所述的第五电阻的另一端和所述的第二运算放大器的输出端连接，所述的第五电阻的另一端和所述的第二运算放大器的输出端的连接端为所述的快速扫描电路的输出端，所述的第三运算放大器的同相输入端和所述的第七电阻的一端连接，所述的第七电阻的另一端接地。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过第一运算放大器、第一电阻、第二电阻和第三电阻构成恒电位仪，第二运算放大器、第四电阻、第五电阻和第六电阻构成电流/电压转换电路，第三运算放大器、第七电阻、滑动变阻器和电容构成预补偿电压产生电路，预补偿电压产生电路实质为一个微分电路，交流电源产生的扫描电压信号通过该微分电路中的滑动变阻器后转化为与电化学池的电极电容产生的电流同频同相的电压信号，并加载在第一运算放大器的正相输入端，用于补偿电化学池的溶液电阻和作为采样电阻的第六电阻产生的电压降，从而使电化学池的电极电容上得到与扫描电压信号一致的波形，由此消除正反馈欧姆压降补偿技术所带来的振荡以及额外的时间延迟，使输出信号具有更为理想的伏安特性。
附图说明
图1为现有的双运放快速扫描电路的电路图；
图2为现有的单运放快速扫描电路的电路图；
图3为本发明的在线欧姆压降预补偿快速扫描电路的电路图；
图4为本发明的在线欧姆压降预补偿快速扫描电路的恒电位仪的输出等效电路
图5为本发明的在线欧姆压降预补偿快速扫描电路的输入输出仿真波形图；
图6为本发明的在线欧姆压降预补偿快速扫描电路的伏安图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：如图3所示，一种在线欧姆压降预补偿快速扫描电路，包括交流电源VS、电化学池P1、第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第三运算放大器A3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、滑动变阻器T1和电容C1；交流电源VS的正极、第一电阻R1的一端和电容C1的一端连接，交流电源VS的负极接地，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的一端和第一运算放大器A1的反相输入端连接，第二电阻R2的另一端、第一运算放大器A1的输出端和电化学池P1的负极连接，第一运算放大器A1的正相输入端和第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端、第三运算放大器A3的输出端和滑动变阻器T1的一端连接，滑动变阻器T1的另一端、滑动变阻器T1的滑动端、电容C1的另一端和第三运算放大器A3的反相输入端连接，电化学池P1的正极、第二运算放大器A2的同相输入端和第六电阻R6的一端连接，第六电阻R6的另一端接地，第二运算放大器A2的反相输入端、第四电阻R4的一端和第五电阻R5的一端连接，第四电阻R4的另一端接地，第五电阻R5的另一端和第二运算放大器A2的输出端连接，第五电阻R5的另一端和第二运算放大器A2的输出端的连接端为快速扫描电路的输出端，第三运算放大器A3的同相输入端和第七电阻R7的一端连接，第七电阻R7的另一端接地。
本发明的在线欧姆压降预补偿快速扫描电路通过第一运算放大器A1、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3构成恒电位仪，第二运算放大器A2、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6构成电流/电压转换电路，第三运算放大器A3、第七电阻R7、滑动变阻器T1和电容C1构成预补偿电压产生电路，预补偿电压产生电路将交流电源VS输入的扫描电压转化为与通过电化学池P1的电极电容的电流同频同相的电压信号，用于补偿电化学池P1的溶液电阻和作为采样电阻的第六电阻R6产生的电压降，从而使电化学池P1的电极电容上得到与扫描电压一致的波形，由此消除正反馈欧姆压降补偿技术所带来的振荡以及额外的时间延迟，使输出信号具有更为理想的伏安特性。
本发明的在线欧姆压降预补偿快速扫描电路的原理分析如下：
预补偿电压产生电路的输出电压Vc可以表示为：
恒电位仪的输出可以表示为扫描电压与补偿电压的叠加：
式(1)和式(2)中，RT1表示滑动变阻器T1的阻值，C1为电容C1的容值，Vs为交流电源VS输出的线性扫描电压，当预补偿电压产生电路的输入信号为线性扫描电压时，式(1)和式(2)中的微分项为常数，即是一个直流电压。此时，恒电位仪输出电压Vc作用于电化学池P1及作为采样电阻的第六电阻R6的等效电路如图4所示。图4中，电阻Ru表示电化学池P1的溶液电阻，电容Cd表示电化学池P1的电极电容，E表示直流电源，为线性扫描电压微分后的直流电压，可以表示为：
根据电容隔直通交的基本特性，该等效电路中流过的电流就是扫描电压通过电极电容Cd的电流，由此该等效电路的回路电压方程可以表示为：
式(4)中VCd为电极电容的电压，Ru为电阻Ru的阻值，R6为第六电阻R6的阻值，Cd为电极电容Cd的容值。
调节预补偿电压产生电路的滑动变阻器T1，令
此时，预补偿电压产生电路恰好能够补偿电化学池P1的溶液电阻Ru和采样电阻R6上的压降，使得电化学池P1的电极电容Cd上的电压就是系统所加载的扫描电压信号，从而消除了正反馈欧姆压降补偿技术所带来的振荡以及额外的时间延迟。
应用电路仿真软件对本发明的在线欧姆压降预补偿快速扫描电路进行仿真，交流电源VS输入幅度为1.0V，频率为5.0MHz的三角波，对应扫描速度为20MV/s，电化学池的溶液电阻Ru＝10kΩ，电极电容Cd＝3.3pF。本发明的在线欧姆压降预补偿快速扫描电路的输入输出仿真波形如图5所示，本发明的在线欧姆压降预补偿快速扫描电路的伏安图如图6所示。分析图5可知，本发明的在线欧姆压降预补偿快速扫描电路较好的补偿了欧姆压降，输出为所预期的较为理想的方波，分析图6可知，本发明的在线欧姆压降预补偿快速扫描电路的伏安特性已非常接近于理想的快速扫描电路的伏安特性了。
Claims (1)
1.一种在线欧姆压降预补偿快速扫描电路，其特征在于包括交流电源、电化学池、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、滑动变阻器和电容；
所述的交流电源的正极、所述的第一电阻的一端和所述的电容的一端连接，所述的交流电源的负极接地，所述的第一电阻的另一端、所述的第二电阻的一端和所述的第一运算放大器的反相输入端连接，所述的第二电阻的另一端、所述的第一运算放大器的输出端和所述的电化学池的负极连接，所述的第一运算放大器的正相输入端和所述的第三电阻的一端连接，所述的第三电阻的另一端、所述的第三运算放大器的输出端和所述的滑动变阻器的一端连接，所述的滑动变阻器的另一端、所述的滑动变阻器的滑动端、所述的电容的另一端和所述的第三运算放大器的反相输入端连接，所述的电化学池的正极、所述的第二运算放大器的同相输入端和所述的第六电阻的一端连接，所述的第六电阻的另一端接地，所述的第二运算放大器的反相输入端、所述的第四电阻的一端和所述的第五电阻的一端连接，所述的第四电阻的另一端接地，所述的第五电阻的另一端和所述的第二运算放大器的输出端连接，所述的第五电阻的另一端和所述的第二运算放大器的输出端的连接端为所述的快速扫描电路的输出端，所述的第三运算放大器的同相输入端和所述的第七电阻的一端连接，所述的第七电阻的另一端接地。
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