CN107918428B - 一种具有背景电流消除功能的快速扫描电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有背景电流消除功能的快速扫描电路，包括交流电源、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、电化学池、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、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一滑动变阻器、第二滑动变阻器和第一电容，第三运算放大器、第二变阻器、第十电阻和第一电容构成背景电流补偿产生电路，第四运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻构成背景电流消除电路；优点是不管扫描频率的如何提高，其背景电流都会被消除掉，不会对法拉第电流造成干涉和影响，提高了输出电压的信噪比，提高了扫描电路的检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速扫描电路，尤其是涉及一种具有背景电流消除功能的快速扫描电路。
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)和一个变阻器Rw1组成。该双运放快速扫描电路的输出电压可表示为：
上式中，为背景电流ic经运算放大器A2放大后的电压信号，为法拉第电流if经运算放大器A2放大后的电压信号。在固定扫描速率下，背景电流为直流量，在伏安平面上表现为平行于横坐标的直流电压。
该双运放快速扫描电路在不同频率条件下，为了更加方便的分析其输出波形所产生的变化，我们给出如图2(a)～图2(d)所示的输出时域波形图，该输出波形是在没有扣除背景电流时的输出信号。从图2(a)～图2(d)中可以出，随着扫描频率的提高，背景电流不断增大；而取决于溶液特性的法拉第电流并没有随着扫描电压频率的增大而增加，由此导致了输出电压的信噪比下降，降低了电路的灵敏度。
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背景电流，避免背景电流对法拉第电流造成干扰和影响，提高输出电压的信噪比以及检测灵敏度的具有背景电流消除功能的快速扫描电路。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种具有背景电流消除功能的快速扫描电路，包括交流电源、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、电化学池、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、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一滑动变阻器、第二滑动变阻器和第一电容；所述的交流电源的正极和所述的第一电阻的一端连接，所述的交流电的负极接地，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、所述的第一电容的一端和所述的电化学池的负极连接，所述的电化学池的正极、所述的第五电阻的一端和所述的第二运算放大器的正相输入端连接，所述的第五电阻的另一端接地，所述的第二运算放大器的反相输入端、所述的第三电阻的一端和所述的第四电阻的一端连接，所述的第三电阻的另一端接地，所述的第四电阻的另一端、所述的第二运算放大器的输出端、所述的第一滑动变阻器的一端和所述的第六电阻的一端连接，所述的第一滑动变阻器的另一端接地，所述的第一滑动变阻器的滑动端和所述的第一运算放大器的正相输入端连接，所述的第六电阻的另一端、所述的第七电阻的一端、所述的第八电阻的一端和所述的第四运算放大器的反相输入端连接，所述的第七电阻的另一端和所述的第四运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的快速扫描电路的输出端，所述的第四运算放大器的正相输入端和所述的第九电阻的一端连接，所述的第九电阻的另一端接地，所述的第八电阻的另一端、所述的第三运算放大器的输出端和所述的第二滑动变阻器的一端连接，所述的第二滑动变阻器的另一端、所述的第二滑动变阻器的滑动端、所述的第三运算放大器的反相输入端和所述的第一电容的另一端连接，所述的第十电阻的一端和所述的第三运算放大器的正相输入端连接，所述的第十电阻的另一端接地。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过第三运算放大器、第二变阻器、第十电阻和第一电容构成背景电流补偿产生电路，第四运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻构成背景电流消除电路，交流电源产生的输入信号经过第一运算放大器A1后被分为两路信号，第一路信号作用于电化学池产生背景电流和法拉第电流，背景电流和法拉第电流通过第二运算放大器和第四运算放大器后在第四运算放大器的输出端分别产生一个输出电压信号，其中，背景电流产生的电压信号与输入信号同相，第二路信号通过第三运算放大器和第四运算放大器后在第四运算放大器的输出端也产生一个输出电压信号，该输出电压信号与输入信号反相，此时，背景电流在第四运算放大器的输出端产生的输出电压信号、法拉第电流在第四运算放大器的输出端产生的电压信号以及第二路信号在第四运算放大器的输出端产生的输出电压信号，三者在第四运算放大器的输出端叠加，由于背景电流在第四运算放大器的输出端产生的输出电压信号和第二路信号在第四运算放大器的输出端产生的输出电压信号两者反相，此时调节第二滑动变阻器即可使两者抵消，由此，有效的消除由背景电流在第四运算放大器的输出端产生的电压信号，，最终得到仅含法拉第电流的扫描输出电压信号，由此，本发明的快速扫描电路不管扫描频率的如何提高，仅需调整第二滑动变阻器，其背景电流都会被消除掉，不会对法拉第电流造成干涉和影响，提高了输出电压的信噪比，提高了扫描电路的检测灵敏度。
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(a)为现有的双运放快速扫描电路在扫描频率为20Khz时，输出信号的典型时域输出波形曲线；
图2(b)为现有的双运放快速扫描电路在扫描频率为50Khz时，输出信号的典型时域输出波形曲线；
图2(c)为现有的双运放快速扫描电路在扫描频率为100Khz时，输出信号的典型时域输出波形曲线；
图2(d)为现有的双运放快速扫描电路在扫描频率为150Khz时，输出信号的典型时域输出波形曲线；
图3为本发明的快速扫描电路的电路图；
图4为本发明的快速扫描电路的输入仿真波形图。
图5(a)为本发明的快速扫描电路在扫描频率为20Khz时，输出信号的典型时域输出波形曲线；
图5(b)为本发明的快速扫描电路在扫描频率为50Khz时，输出信号的典型时域输出波形曲线；
图5(c)为本发明的快速扫描电路在扫描频率为100Khz时，输出信号的典型时域输出波形曲线；
图5(d)为本发明的快速扫描电路在扫描频率为150Khz时，输出信号的典型时域输出波形曲线；
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，一种具有背景电流消除功能的快速扫描电路，包括交流电源VS、第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第三运算放大器A3、第四运算放大器A4、电化学池P1、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、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第一滑动变阻器T1、第二滑动变阻器T2和第一电容；交流电源VS的正极和第一电阻R1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、第一电容的一端和电化学池P1的负极连接，电化学池P1的正极、第五电阻R5的一端和第二运算放大器A2的正相输入端连接，第五电阻R5的另一端接地，第二运算放大器A2的反相输入端、第三电阻R3的一端和第四电阻R4的一端连接，第三电阻R3的另一端接地，第四电阻R4的另一端、第二运算放大器A2的输出端、第一滑动变阻器T1的一端和第六电阻R6的一端连接，第一滑动变阻器T1的另一端接地，第一滑动变阻器T1的滑动端和第一运算放大器A1的正相输入端连接，第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的一端、第八电阻R8的一端和第四运算放大器A4的反相输入端连接，第七电阻R7的另一端和第四运算放大器A4的输出端连接且其连接端为快速扫描电路的输出端，第四运算放大器A4的正相输入端和第九电阻R9的一端连接，第九电阻R9的另一端接地，第八电阻R8的另一端、第三运算放大器A3的输出端和第二滑动变阻器T2的一端连接，第二滑动变阻器T2的另一端、第二滑动变阻器T2的滑动端、第三运算放大器A3的反相输入端和第一电容的另一端连接，第十电阻R10的一端和第三运算放大器A3的正相输入端连接，第十电阻R10的另一端接地。
本发明的具有背景电流消除功能的快速扫描电路中，第一运算放大器A1、第一电阻R1、第二电阻R2和第一滑动变阻器T1构成恒电位仪，第二运算放大器A2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5构成电流/电压转换电路，第三运算放大器A3、第二变阻器T2、第十电阻R10和第一电容C1构成背景电流补偿产生电路，第四运算放大器A4、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9构成背景电流消除电路，背景电流补偿产生将交流电源VS输入的扫描电压转化为与通过电化学池的电极电容的电流同频的电压信号，通过预先产生一个合理的背景电流，背景电流消除电路为反相加法电路，将扫描电路中的背景电流分量去除，最终得到仅含法拉第电流的扫描输出电压信号，由此，本发明的快速扫描电路不管扫描频率的如何提高，其背景电流都会被消除掉，不会对法拉第电流造成干涉和影响，提高了输出电压的信噪比，提高了扫描电路的检测灵敏度。
本发明的具有背景电流消除功能的快速扫描电路的工作原理如下所示：
在电流/电压转换电路中，由背景电流所引起的输出电压为：
当输入信号为线性扫描电压时，式(1)中的微分项为常数，即是一个直流电压，ic为背景电流，Cd为电化学池P1的电极电容的容值，R5为第五电阻的阻值，R3第三电阻的阻值，R4第四电阻的阻值，第三运算放大器A3、第一电容C1、第二滑动变阻器T2和第十电阻R10构成背景电流补偿产生电路，该背景电流补偿产生电路是一个微分运算电路，其输入信号是反相后的扫描电压信号Vs，其功能是模拟产生与电化学池的电极电容同频同相的充放电电流并转换为相应的电压，其输出电压Vc可以表示为：
式(2)中，RT2表示第二滑动变阻器T2的阻值，C1表示第一电容C1的容值；
第四运算放大器A4、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9构成背景电流消除电路，背景电流消除电路将电流/电压转换电路的输出电压与背景电流补偿产生电路的输出电压相叠加后输出，其输出电压可表示为：
上式中，R3为第三电阻R3的阻值，R4为第四电阻R4的阻值，R5为第五电阻R5的阻值，R6为第六电阻R6的阻值，R7为第七电阻R7的阻值，R8为第八电阻R8的阻值，if位法拉第电流，为电极电容所产生的背景电流所引起的电压，为背景电流补偿产生电路所产生的电压，为法拉第电流所引起的电压。
调整背景电流补偿产生电路中的第二滑动变阻器T2，令
此时，快速扫描电路中的背景电流被消除，其输出电压Vout为：
由此，本发明的具有背景电流消除功能的快速扫描电路的输出电压仅仅由法拉第电流所产生。
应用电路仿真软件对具有背景电流消除功能的快速扫描电路进行仿真，交流电源VS输出幅度为1.0V，频率为5.0MHz的三角波，对应扫描速度为20MV/s，电化学池P1的溶液电阻的阻值Ru＝10kΩ，电极电容Cd＝3.3pF。本发明的具有背景电流消除功能的快速扫描电路的输入信号仿真波形如图4所示，在扫描频率为20Khz时，输出信号的典型伏安特性曲线如图5(a)所示，在扫描频率为50Khz时，输出信号的典型时域输出波形曲线如图5(b)所示，在扫描频率为100Khz时，输出信号的典型时域输出波形曲线如图5(c)所示，在扫描频率为150Khz时，输出信号的典型时域输出波形曲线如图5(d)所示。分析图4、图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)可知，本发明的具有背景电流消除功能的快速扫描电路较好地消除了背景电流，输出电压为所预期的近似为零的直流电压。
Claims (1)
1.一种具有背景电流消除功能的快速扫描电路，其特征在于包括交流电源、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、电化学池、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、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一滑动变阻器、第二滑动变阻器和第一电容；
所述的交流电源的正极和所述的第一电阻的一端连接，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、所述的第一电容的一端和所述的电化学池的负极连接，所述的电化学池的正极、所述的第五电阻的一端和所述的第二运算放大器的正相输入端连接，所述的第五电阻的另一端接地，所述的第二运算放大器的反相输入端、所述的第三电阻的一端和所述的第四电阻的一端连接，所述的第三电阻的另一端接地，所述的第四电阻的另一端、所述的第二运算放大器的输出端、所述的第一滑动变阻器的一端和所述的第六电阻的一端连接，所述的第一滑动变阻器的另一端接地，所述的第一滑动变阻器的滑动端和所述的第一运算放大器的正相输入端连接，所述的第六电阻的另一端、所述的第七电阻的一端、所述的第八电阻的一端和所述的第四运算放大器的反相输入端连接，所述的第七电阻的另一端和所述的第四运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的快速扫描电路的输出端，所述的第四运算放大器的正相输入端和所述的第九电阻的一端连接，所述的第九电阻的另一端接地，所述的第八电阻的另一端、所述的第三运算放大器的输出端和所述的第二滑动变阻器的一端连接，所述的第二滑动变阻器的另一端、所述的第二滑动变阻器的滑动端、所述的第三运算放大器的反相输入端和所述的第一电容的另一端连接，所述的第十电阻的一端和所述的第三运算放大器的正相输入端连接，所述的第十电阻的另一端接地。
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