CN108291886B - 具有数字接口的恒电势器/恒流器 - Google Patents
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Abstract
一种恒电势器/恒流器使用用于将数字控制信号提供至数模转换器(DAC)的控制器,其响应于数字控制信号来生成模拟输出信号。高电流驱动器响应于来自DAC的模拟输出信号产生高电流输出。高电流监测器监测来自高电流驱动器的输出来对于高电流驱动器产生反馈信号以控制由高电流驱动器产生的电流,且取决于从高电流驱动器供应的电流产生输出来由控制器监测。用于对电极的对电极触头与高电流监测器的输出连接。用于工作电极的工作电极触头与固定稳定电压电位电连接,以启用对电极与工作电极之间的材料的电化学分析。
Description
技术领域
本发明大体上涉及用于电化学分析的电化学仪器,且更具体地涉及恒电势器/恒流器。
背景技术
恒电势器和恒流器常用于电化学分析、电合成、感测、生产和相关领域。高准确性、低成本和多功能(例如,循环和线性扫描伏安法、各种脉冲伏安方法、AC伏安法、电化学、阻抗测量、计时库仑法,等等)对于研究、教学、生产、感测和其它应用是恒电势器/恒流器的期望的性质。因此,对于电化学仪器,将期望的是具有向恒电势器和恒流器功能两者提供宽电流范围和实用数字界面来允许高速性能的能力。
发明内容
根据本发明,提供了一种用于进行材料的电化学分析的电化学仪器。电化学仪器可为恒电势器/恒流器的形式,以用于进行定位在仪器的对电极与工作电极之间的材料的电化学分析。电化学仪器可包括控制器,诸如微控制器,以用于控制仪器的电路的操作。控制器可作用为按照计算机程序和来自用户的各种输入操作,以提供各种或选择的参数或操作模式。控制器产生期望的数字控制信号。数模转换器(DAC)可提供成与控制器电连通,以响应于来自控制器的数字控制信号生成模拟输出信号。高电流驱动器可提供成与DAC电连通,以响应于来自DAC的模拟输出信号产生高电流范围的输出。例如,高电流驱动器可产生大约毫安mA的几分之一或mA到大约数安培As的范围中的高电流范围输出。作为特定可选的实例,高电流驱动器可产生大约0.25mA到大约2.5A的范围中的电流。高电流监测器可提供成与高电流驱动器电连通,以监测来自高电流驱动器的高电流范围输出。高电流监测器可响应于由高电流监测器监测的电流对于高电流驱动器产生反馈信号,以控制由高电流驱动器产生的电流。高电流监测器还可取决于从高电流驱动器供应的电流来供应输出以由控制器监测。高电流监测器还可在工作输出处供应工作输出信号,以用于执行选择的材料的分析。出于此目的,对电极触头可提供成用于与对电极电连通且可与高电流监测器的工作输出电连通地连接。工作电极触头可提供成用于与工作电极电连通,且可与固定稳定电压电位(例如,接地或虚拟接地)电连接,以用于启用对电极与工作电极处或之间的材料的电化学分析。例如,来自高电流监测器的选择的工作输出信号可在分析或测试的材料处或穿过其从对电极施加,且然后至工作电极。
低电流驱动器也可以可选地提供成与DAC电连通,以响应于来自DAC的模拟输出信号产生低电流范围输出。例如,低电流范围输出可在大约毫微安培nAs且甚至可小到微微安培pAs到大约mA或mA的几分之一的范围中。作为特定可选的实例,低电流驱动器可产生大约2.5nA到0.25mA的范围中的电流。低电流驱动器可与对电极电连通,以便低电流范围输出可由低电流驱动器供应至对电极。低电流监测器可与工作电极触头电连通地连接,以用于检测工作电极触头处的电流。在低电流操作模式中,来自低电流驱动器的低电流范围输出可在分析或测试的材料处或穿过其供应至对电极,且然后供应至工作电极。与工作电极电连通的低电流监测器可取决于在工作电极触头处检测到的电流来供应输出以由控制器监测。低电流监测器还可对于低电流驱动器提供反馈信号,以便控制低电流驱动器的输出,以控制对电极触头与工作电极触头之间的电流。低电流监测器可以可选地包括监测器放大器,其具有可与工作电极电连通地连接的放大器输入且具有放大器输出。低电流监测器还可包括连接在监测器放大器的输出与监测器放大器的输入之间的反馈电阻器的阵列。低电流监测器还可包括监测器复用器,例如,模拟复用器,其与控制器电连通,以用于对于监测器放大器的输出与输入之间的电连通选择阵列中的至少一个反馈电阻器以控制监测器放大器的输出。
高电流监测器可以可选地包括用于监测第一高电流范围中的电流的第一高电流范围监测电路,以及用于监测第二高电流范围中的电流的第二高电流监测电路。作为可选的实例,第一高电流监测电路可在大约数mAs到大约A的范围中操作,而第二高电流监测电路可在大约mA的几分之一到大约数mAs的范围中操作。作为更具体的可选实例,高电流监测电路可在大约25mA到2.5A的范围中操作,且第二高电流监测电路可在大约0.25mA到25mA的范围中操作。当然,两个范围不必在公共的端点精确重叠,且此公共端点可改变到不同量级。
仪器还可包括用于与基准电极电连通的基准电极触头以用于相对于与材料连通的工作电极和对电极定位,以及与基准电极触头电连通来用于检测基准电极触头处的电压的缓冲器。缓冲器可取决于基准电极触头处检测到的电压来供应输出,其从基准电极触头缓冲来由控制器监测。缓冲器还可选择性地对于高电流驱动器提供反馈信号以在高电流下的电压模式或高功率操作模式中操作时控制由高电流驱动器产生的输出,以便控制基准电极触头处的电压。在低电流下的电压模式或低功率操作模式中操作时,缓冲器还可将来自缓冲器的反馈信号提供至低电流驱动器,以控制由低电流驱动器产生的输出来控制基准电极触头处的电压。为了适应具有高电流驱动器和低电流驱动器两者的可选布置,仪器还可包括用于使高电流驱动器与对电极触头的电连通可切换地连接和断开的高电流开关,以及用于使低电流驱动器与对电极触头的电连通可切换地连接和断开的低电流开关。控制器可作用为启用或停用来自高电流或低电流驱动器中的一者或两者的输出,以分别提供高电流开关和低电流开关中的一种来与对电极触头连接和断开。控制器可操作成控制高电流开关和低电流开关,以便在高电流开关将高电流驱动器与对电极触头电连接成电连通时,控制器引起低电流开关使低电流驱动器与对电极触头的电连通断开。类似地,当低电流开关使低电流驱动器与对电极触头切换成电连通时,高电流开关使高电流驱动器与对电极触头的电连通电性地断开。对于其中高电流监测器包括第一高电流监测电路和第二高电流监测电路两者的操作布置,高电流开关可包括用于使第一高电流范围监测电路与对电极触头的电连通电连接和断开的第一高电流监测器开关,以及用于使第二高电流监测电路与对电极触头的电连通电连接和断开的第二高电流监测开关。在操作中,控制器可与第一和第二高电流监测开关电连通,使得在控制器的控制下,在高电流监测开关中的一个接通时,另一个高电流监测开关断开,且在高电流监测开关中的至少一个接通时,低电流开关断开。
仪器还可包括接地开关,其在控制器的控制下以用于使工作电极触头与固定稳定电压电位(诸如接地或虚拟接地)的电连通电连接和断开。当高电流驱动器由高电流开关切换成与对电极触头电连通时,诸如在高功率或高电流操作模式中操作时,控制器可控制接地开关来使工作电极触头接地。
仪器还可包括低电流监测开关,其在控制器的控制下以用于使工作电极触头与低电流监测器的电连通可切换地连接和断开。在低功率或低电流操作模式中,低电流监测器开关将工作电极触头与低电流监测器电连接成电连通,且低电流开关操作成使低电流驱动器与对电极触头电连通地连接。在高电流或高功率操作模式中,低电流监测器开关还可作用为使工作电极触头与低电流监测器的电连通断开,且低电流开关可作用为使低电流驱动器与对电极触头的电连通断开。
接下来,该仪器还可包括反馈复用器,例如,模拟复用器,其与控制器电连通,且与高电流监测器电连通以用于接收来自高电流监测器的反馈信号,与缓冲器电连通以用于接收来自缓冲器的反馈信号,且与低电流监测器电连通以用于接收来自低电流监测器的反馈信号,且用于在控制器的控制下可切换地选择反馈信号中的哪个或取决于其的信号由反馈复用器输出。在此方面,控制器可操作成在高电流模式中操作时控制反馈复用器来对于高电流驱动器供应来自高电流监测器的反馈信号,且在低电流模式中操作时对于低电流驱动器供应来自低电流监测器的反馈信号,且在电压模式中操作时对于高电流驱动器或低电流驱动器中的至少一个供应来自缓冲器的反馈信号。例如,反馈复用器可在高功率操作模式下在电压模式中操作时对于高电流驱动器且在低功率操作模式下在电压模式中操作时对于低电流驱动器供应来自缓冲器的反馈信号。可选地,第一高电流范围监测电路可对于反馈复用器提供第一高电流反馈信号,且第二高电流监测电路可对于反馈复用器供应第二高电流反馈信号。在高电流模式中操作时,控制器的控制下的复用器可在第一高电流范围中操作时对于高电流驱动器选择性地供应来自第一高电流范围监测电路的第一高电流反馈信号,且在第二高电流范围中操作时对于高电流驱动器选择性地供应来自第二高电流范围监测电路的第二高电流反馈信号。第一高电流范围监测电路可包括串联连接在高电流驱动器与对电极触头之间的第一感测电阻器,以及第一差分放大器,诸如仪器放大器,其跨过第一感测电阻器连接以检测由流过第一感测电阻器的电流产生的电压来提供第一高电流反馈信号。类似地,第二高电流范围监测电路可包括串联连接在高电流驱动器与对电极之间的第二感测电阻器,以及第二差分放大器,诸如仪器放大器,其跨过第二感测电阻器连接以检测由流过第二感测电阻器的电流产生的电压来提供第二高电流反馈信号。优选地,第一感测电阻器和第二感测电阻器是并联连接的电路,且具有不同电阻量级,可选地诸如102的量级差异,例如,诸如0.1欧姆和10欧姆。
仪器还可包括与低电流监测器、缓冲器和高电流监测器的输出电连通的模数转换器(DAC),以将低电流监测器、缓冲器和高电流监测器的输出信号转换成用于控制器的数字信号。
在可选的布置中,缓冲器还可与对电极触头电连通,以用于检测对电极触头处的电压,且用于供应指出对电极触头处的电压的缓冲输出来与控制器电连通。
高电流/高功率
根据本发明,用于进行选择的材料的电化学分析的电化学仪器可构造、调整或设置成在高功率或高电流操作模式中操作,且因此可为恒电势器和/或恒流器的构造,以将选择的电信号提供至定位在对电极与工作电极之间的材料。如针对高功率或高电流操作模式构造的那样,电化学仪器可包括用于提供数字控制信号的控制器,以及与控制器电连通来用于响应于来自控制器的数字控制信号生成模拟输出信号的数模转换器(DAC)。高电流驱动器可与DAC电连通,以响应于来自DAC的模拟输出信号产生高电流范围输出。例如,高电流范围输出可在前文指出的范围中。高电流监测器可用于与高电流驱动器电连通来监测由高电流驱动器输出的电流。高电流监测器可响应于由高电流监测器监测的电流对于高电流驱动器产生电流反馈信号,以控制由高电流驱动器产生的电流。高电流监测器还可取决于由高电流驱动器产生的电流来供应输出以由控制器监测。高电流监测器还可在工作输出处供应工作输出信号来施加至材料,诸如在测试或分析下的材料。出于此目的,用于与对电极电连通的对电极触头可与高电流监测器的工作输出电连通地连接。用于与工作电极电连通的工作电极触头可与固定稳定电压电位(诸如接地或虚拟接地)电连通地连接,以启用对电极和工作电极处或之间的材料的电化学分析。高电流监测器可以可选地包括用于监测第一高电流范围中的电流的第一高电流范围监测电路,以及用于监测第二高电流范围中的电流的第二高电流监测电路。例如,第一高电流范围和第二高电流范围可在前文指出的范围中。高电流监测器还可包括用于使第一高电流范围监测电路与对电极的电连通电连接和断开的第一高电流监测器开关,以及用于使第二高电流监测电路与对电极触头的电连通电连接和断开的第二高电流监测开关,可选地在与第一高电流监测开关和第二高电流监测开关电连通的控制器的控制下。
仪器还可包括用于与基准电极电连通的基准电极触头,以用于相对于与材料连通的工作电极和对电极定位。缓冲器可提供成用于与基准电极触头电连通,以用于检测基准电极触头处的电压,且用于取决于基准电极触头处的电压供应输出,其从基准电极触头缓冲来由控制器监测。缓冲器还可对于高电流驱动器提供反馈信号以控制由高电流驱动器产生的输出来控制基准电极触头处的电压。
仪器还可包括反馈复用器,其可选为模拟复用器的形式,与控制器电连通,且与高电流监测器电连通以用于接收来自高电流监测器的反馈信号,且与缓冲器电连通以用于接收来自缓冲器的反馈信号,以用于在控制器的控制下可切换地选择反馈信号中的哪个或取决于其的信号由反馈复用器对于高电流驱动器输出。在电流模式中,控制器将切换反馈复用器以对于用于高电流驱动器的反馈输出来自高电流监测器的反馈信号。在电压模式中,控制器将切换反馈复用器以对于用于高电流驱动器的反馈输出来自缓冲器的反馈信号。可选地,第一高电流范围监测电路可对于反馈复用器提供第一高电流反馈信号,且第二高电流监测电路可对于反馈复用器提供第二高电流反馈信号。反馈复用器可在控制器的控制下操作,以在第一高电流范围中操作时对于高电流驱动器可选地供应来自第一高电流范围监测电路的第一电流反馈信号或取决于其的信号,且在第二高电流范围中操作时对于高电流驱动器可选地供应来自第二高电流范围监测电路的第二高电流反馈信号或取决于其的信号。
可选地,第一高电流范围监测电路可包括串联连接在高电流驱动器与对电极触头之间的第一感测电阻器,以及第一差分放大器,诸如仪器放大器,其跨过第一感测电阻器连接以检测由流过第一感测电阻器的电流生成的电压来产生第一高电流反馈信号和输出来由控制器监测。类似地,第二高电流范围监测电路可以可选地包括串联连接在高电流驱动器与对电极触头之间的第二感测电阻器,以及第二差分放大器,诸如仪器放大器,其跨过第二感测电阻器连接以检测由流过第二感测电阻器的电流生成的电压来产生第二高电流反馈信号和输出来由控制器监测。优选地,第一感测电阻器和第二感测电阻器是并联连接的电路,且具有不同的电阻量级,可选地诸如102的量级差异,例如,诸如0.1欧姆和10欧姆。
仪器还可包括与控制器电连通且与缓冲器和高电流监测器的输出电连通的模数转换器(ADC),以将缓冲器和高电流监测器的输出信号转换成用于控制器的数字信号。
可选地,缓冲器还可与对电极触头电连通地连接以用于检测对电极触头处的电压,以用于供应代表对电极触头处的电压的缓冲输出来与控制器电连通。
低电流/低功率
根据本发明,电化学仪器可构造、调整或设置成例如操作为低电流或低功率操作模式中的恒电势器或恒流器。在这样构造时,仪器包括用于提供数字控制信号的控制器,以及与控制器电连通来响应于来自控制器的数字控制信号生成模拟输出信号的数模转换器(DAC)。低电流驱动器可定位成与DAC电连通,以响应于来自DAC的模拟输出信号产生低电流范围的输出。例如,低电流范围可在前文指出的范围中。对电极触头可提供成用于与对电极电连通,且用于与低电流驱动器的输出电连通。工作电极触头也可提供成与工作电极电连通,以启用对电极与工作电极之间的材料的电化学分析。在操作中,来自低电流驱动器的电流可供应至对电极以用于在待分析或测试的材料处或穿过其施加,且然后至工作电极。
仪器还可包括低电流监测器,其可与工作电极触头电连通地连接以用于监测工作电极触头处的电流,以及用于取决于工作电极触头处检测到的电流供应输出来由控制器监测。低电流监测器还可对于低电流驱动器提供反馈信号,以便控制低电流驱动器的输出,以控制对电极触头与工作电极触头之间的电流。低电流监测器可以可选地包括监测器放大器,诸如电流反馈放大器或跨阻抗放大器,其具有可与工作电极触头电连通地连接的输入且提供输出。低电流监测器还可包括连接在监测器放大器的输出与监测器放大器的输入之间的反馈电阻器的阵列,以在监测器放大器的输出与输入之间提供反馈环。低电流监测器还可包括监测器复用器,例如,模拟复用器,其与控制器电连通,以用于对于监测器放大器的输出与输入之间的电连接选择阵列中的至少一个反馈电阻器,以控制监测器放大器的输出。
仪器还可以可选地包括用于与基准电极电连通的基准电极触头,以用于相对于与材料连通的工作电极和对电极定位。仪器还可包括用于与基准电极触头电连通的缓冲器以用于检测基准电极触头处的电压。缓冲器可作用为取决于基准电极触头处的电压来供应输出,其从基准电极触头缓冲来由控制器监测。缓冲器还可对于低电流驱动器提供反馈信号以控制由低电流驱动器产生的输出来控制基准电极触头处的电压。在电压操作模式中,基准电极触头处的电极可相对于工作电极触头处的电压监测,其例如可为虚拟接地。
仪器还可包括与控制器电连通的反馈复用器,例如,模拟复用器。反馈复用器还可与缓冲器电连通以用于接收来自缓冲器的反馈信号,且与低电流监测器电连通以用于接收来自低电流监测器的反馈信号,以用于在控制器的控制下可切换地选择输入反馈复用器的反馈信号中的哪个或取决于其的信号将对于低电流驱动器输出。在此方面,控制器可作用为控制反馈复用器,以在低电流模式中操作时对于低电流驱动器供应来自低电流监测器的反馈信号,且在电压模式中操作时对于低电流驱动器选择性地供应来自缓冲器的反馈信号。
仪器还可包括与控制器电连通且与低电流监测器和缓冲器的输出电连通的模数转换器(ADC),以将低电流监测器和缓冲器的输出转换成数字信号以用于供应至控制器来由控制器监测。
可选地,缓冲器还可与对电极触头电连通地连接,以用于检测对电极触头处的电压,且用于供应代表对电极触头处的电压的缓冲输出来与控制器电连通。
附图说明
本发明的示例性实施例的以上概述和以下详细描述可在连同附图阅读时进一步理解,其中相似的元件在各处相似地标记,在附图中:
图1示意性地绘出了恒电势器/恒流器电路的顶层框图;
图2示意性地绘出了图1的恒电势器/恒流器电路的高功率或高电流电路构造的框图;
图3示意性地绘出了图1的恒电势器/恒流器电路的低功率或低电流电路构造的框图;
图4为如大体上由图1-3中的MCU示出的图1-3的恒电势器/恒流器电路中使用的微控制器电路的电路图;
图5为如大体上由图1-3中的DAC示出的用于恒电势器/恒流器电路的使用DAC电路和调节器电路的数模电路(DAC)的电路图;
图6为如大体上由图1-3中的MUX示出的反馈复用器电路的电路图;
图7为大体上在图1-3中示出的设置控制电路和图1中所示且更具体绘出为图2中的高功率运算放大器HP OPA的高电流驱动器的电路图;
图8为图1中所示且如更具体由感测电阻器Rs1和Rs2示出的高电流监测器和图2中的仪器放大器INA1和INA2的电路图;
图9为如图1中所示且如由图3中的低功率运算放大器LP OPA和开关SW-5更详细地示出的低电流驱动器和相关联的开关SW-5的电路图;
图10为图1中所示且如更具体由图3中的跨阻抗放大器TIA、-10增益放大器和监测器复用器MUX2以及相关联的电阻器阵列所示的低电流监测器的电路图;
图11为如图1-3中所示的缓冲器电路缓冲器和对电极触头CNT以及基准电极触头RFE的电路图;
图12为如图1中所示且如由图2中的工作电极触头WKG和开关SW-3以及由图3中的工作电极触头WKG和开关SW-4更详细示出的工作电极触头WKG和相关联的开关SW-3和SW-4的电路图;
图13为如结合于图1中所示的ADC电路中且更具体作为如图3中所示的ADC-LC电路和调节器电路的模数转换器电路ADC-LC和相关联的调节器电路的电路图;
图14为如图2中绘出且如结合到图1中所示的ADC电路中的模数转换器电路ADC-HC1和相关联的调节器电路的电路图;
图15为如图2中绘出且如结合到图1中所示的ADC电路中的模数转换器电路ADC-HC2和相关联的调节器电路的电路图;
图16为如图2和3中所示且如结合到如图1中所示的ADC电路中的模数转换器电路ADC-V和相关联的调节器电路的电路图;
图17为用于对于如图4-23中所示的电路生成1.25伏1V25和2.5伏2V50的基准电压的基准电压电路的电路图;
图18为用于提供用于如图1-4中所示的控制器MCU的存储器和程序存储器的可擦可编程存储器芯片EP(EPROM)和相关联电路的电路图;
图19为用于如图1-4中所示的控制器MCU的通信端口的电路图;
图20为对于如图4-23中所示的电路提供+15伏和-15伏的滤波供应电压的电压滤波器电路的电路图;
图21为用于对于如图4-23中所示的电路提供5伏和3.3伏的输出的功率供应电路的电路图;
图22为用于操作风扇以用于冷却具有大体上在图1-23中示出的电路的仪器的风扇电路的电路图;
图23为结合到图1的缓冲器中来启用电连通且在如图1中所示的控制器MCU与对电极触头CNT之间缓冲的可选的缓冲器电路的电路图;以及
图24为绘出具有大体上在图1-3中示出且更具体在图4-23中示出的电路的仪器的操作程序步骤的流程图。
具体实施方式
参看附图,且首先参看图1,大体上表示为30的电化学仪器绘出为用于分析和测试设置或放置在与对电极触头CNT电连接的对电极和电连接在工作电极触头WKG处的工作电极中间的容器35中的材料的电化学性质,以便期望的电信号可通过对电极和工作电极施加至材料。大体上,该仪器可作用为将期望的量级、波形和持续时间的选择的电流和/或电压信号施加到容器35内的材料,以便可监测从对电极流至工作电极的电流。基准电极可连接在基准电极触头REF处,以用于在对电极与工作电极中间定位在容器35处,以启用对基准电极与工作电极之间的电压的监测。在操作中,电化学仪器可通过测量和监测基准电极触头REF与工作电极触头WKG之间的电压而作用为恒电势器,或通过测量对电极触头CNT与工作电极触头WKG之间的电流而作用为恒流器,或作为组合的恒电势器/恒流器,由此仪器可在操作之间切换为恒电势器和恒流器。
大体上,仪器30包括优选提供为微控制器MCU的高速控制器40,以执行恒电势器/恒流器电路的所有控制、设置和监测功能。例如,可通过不同电路的协调来实现宽电流范围,从nAs(且或许pAs)到As。高速高分辨率模数转换器ADC 110和数模转换器DAC 50用于实现高准确性和高速。通信接口45(诸如UART/RS232/USB接口中的一个或多个,诸如串行接口,例如,RS232)、USB("通用串行总线")、并行接口(诸如GPIB)和/或有线或无线接口(诸如UART(通用异步接收器/发射器))可用于与外部控制装置(诸如计算机(例如,PC、Mac、平板计算机)、网络、智能电话或其它选择的装置或系统)通信。还提供了用于大量电化学技术的能力,包括但不限于循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)、各种脉冲伏安技术(差示脉冲(DPV)、正常脉冲(NPV)、示差正常脉冲(DNPV)、方波(SWV)、电化学阻抗谱(EIS)和交流伏安法(ACV)。例如,可通过用户输入或软件升级来增加新特征。
作为总体概述,参看图1,仪器包括优选微控制器单元MCU的形式的控制器40,其作用为执行程序指令、响应于用户输入,且监测来自操作电路的信号,以产生数字输出信号来控制电路的操作。如图1中所示,由于仪器30的操作电路包括模拟电路,仪器30包括DAC,优选高分辨率和高速,响应于来自MCU 40的数字信号生成所需的模拟电压或电流来驱动高电流驱动器70或低电流驱动器80。仪器30还包括ADC,优选高速和高分辨率,以用于将来自模拟电路的选择的模拟信号转换成用于MCU 40的数字信号。在高电流操作模式中,如由程序指令和/或用户输入所提供,DAC驱动如图2中所示的高功率运算放大器HP OPA 72的正输入,而在低电流操作模式中,DAC 50驱动如图3中所示的低功率运算放大器LP OPA 82的正输入。DAC输出由MCU控制器,且DAC 50的输出信号是双极的,其可为正极或负极的。当使用高电流模式时,低电流LP OPA输出由高隔离模拟继电器SW-5阻隔,且两个高电流范围中的一个在控制器40的控制下由一对模拟继电器SW-1和SW-2中的一个的触动来选择。在使用低电流模式时,高电流输出由与来自控制器40的功率启用线PA EN连接的高电流OPA HP OPA72的停用插脚停用。相应的运算放大器(HP OPA 72或LP OPA 82)的输出供应工作输出来将选择的信号施加至对电极触头CNT。取决于选择的操作模式(恒电压模式或恒电流模式,或高电流或高功率模式,或低电流或低功率模式)的反馈信号供应至相应的功率运算放大器(HP OPA 72或LP OPA 82)的负输入来形成负反馈放大器电路。
模拟反馈复用器MUX 100用于在控制器的控制下选择恒电压模式或恒电流模式。在恒电流模式中,反馈MUX 100基于电流范围自动地选择反馈信号。在恒电压模式中,反馈MUX 100选择电压基准信号作为反馈信号。例如,MUX 100可作用为选择恒电压、高电流范围中的恒电流(例如,包括第一范围的高电流和第二范围的高电流),以及低电流范围中的恒电流。
在低电流操作模式中操作时,低电流由TIA电路(跨阻抗放大器电路)中的精密电阻器136(如图3中所示)的阵列自动地选择,包括低电流监测器电路130,如图1中所示,且如由跨阻抗放大器TIA 132、反馈电阻器136的阵列、监测器复用器MUX2134和图3中所示的负增益放大器138提供。电阻器阵列136的适合的电阻器由MUX2134选择,其由来自MCU 40的输出控制,以进一步选择适合的低电流。
现在,为了仪器电路的总体操作和构造的更详细描述,参看附图且首先参看图1,电化学仪器30包括微控制器MCU形式的控制器单元40,其用来执行用于单元的所有期望的控制、设置、监测和通信功能。通信接口45可与控制器MCU电连接,以启用此控制器来与外部装置(诸如计算机(PC、MAC或其它类型的计算机装置)、网络、智能电话或其它类型的外部装置)通信。例如,通信接口45可包括通用异步接收器/发射器(UART)、通用串行总线(USB)或其它通信连接(诸如串行RS232或并行GPEB)中的一个或多个。控制器MCU 40经由可为串行外围接口总线形式的接口总线55与数模转换器电路DAC50(优选高速和高分辨率)电连接。如图1中所示,控制器MCU 40为DAC 50提供数字控制信号,DAC 50继而又响应于来自控制器的数字控制信号在输出线VDAC上生成模拟输出信号。来自DAC的VDAC输出信号供应至设置控制电路60,其作用为将信号选择性地输出至高电流驱动器70和低电流驱动器80。控制器40也通过功率启用线PAEN与设置控制电路60连接,功率启用线作用为在以高电流模式操作时启用高电流驱动器,以响应于来自DAC的VDAC输出信号和供应至设置控制电路60的功率启用信号PAEN来产生功率输出信号PAOUT。当启用高电流驱动器来产生功率输出信号PAOUT时,开关SW-5在控制器40的控制下打开以断开电流驱动器80。备选地,当控制器40作用为从低电流驱动器80产生低电流输出时,在以低电流模式操作时,未启用功率启用线PAEN以防止高电流驱动器提供输出,且开关SW-5闭合,从而连接低电流驱动器80。设置控制电路60通过控制线CTRL将信号供应至低电流驱动器80,以驱动低电流驱动器来产生输出。高电流监测器90沿PAOUT线与高电流驱动器的输出连接,且作用为监测由PAOUT处的高电流驱动器产生的电流,且响应于在PAOUT线上监测到的电流来产生输出信号。可选地,高电流监测器90可包括单独的监测电路,以监测高电流的不同电流范围,使得用于监测高电流的第一范围(例如,25mA到2.5A)中的电流的第一监测电路经由开关SW-1连接,且用于监测高电流的第二范围(例如,0.25mA到25mA)中的电流的第二监测电路经由开关SW-2连接。开关SW-1和开关SW2在如图1中所示的控制器单元MCU 40的控制下操作,以便工作输出电流从高电流监测电路90选择性地通过开关SW-1或SW-2(取决于电流范围)供应至对电极触头CNT。高电流监测器还通过INA OUT线将高电流反馈信号供应至数字控制的模拟复用器100的形式的反馈复用器MUX 100。高电流监测器90还作用为将INA OUT线上的输出信号供应至优选高速且高分辨率的模数转换器110,其经由例如为串行外围接口总线形式的接口总线115与控制器40连接。
如图1中所示,开关SW-1和SW-2从高电流监测器90的输出连接至对电极触头CNT,以用于与对电极连接来在容器35处使用。仪器还包括缓冲器电路120,其与基准电极触头REF连接,基准电极触头REF与定位在容器35处的基准电极连接。基准电极通常定位在与对电极触头CNT连接的对电极以及在容器35处与工作电极触头WKG连接的工作电极的中间且与它们间隔开。基准电极触头REF与基准电极电连通,其相对于与置于容器中以用于分析的材料连通的容器处的对电极和工作电极定位。缓冲器与基准电极触头电连通来用于检测基准电极触头处的电压。缓冲器作用为供应输出REF OUT,其取决于基准电极触头处检测到的电压,且从基准电极触头缓冲来由控制器监测。出于此目的,基准输出线REF OUT与ADC电路110连接。此外,缓冲器将REF OUT线处的反馈信号提供至反馈复用器100,以控制由高电流驱动器70或低电流驱动器60(分别取决于是使用高电流或功率还是低电流或功率)在电压操作模式中产生的输出。可选地,缓冲器120还可与对电极触头CNT单独连接,以检测对电极处的电压,且可作用为将缓冲的输出信号CNT OUT供应至可选的模数转换器125,其作用为在CNT OUT线上将来自缓冲器的模拟信号转换成数字信号来供应至控制器MCU 40,以允许控制器监测对电极触头CNT处的电压。
如图1中所示,工作电极触头WKG还可通过开关SW-3来接地GND,且通过开关SW-4与低电流监测器130连接。在高电流模式中操作时,高电流监测器取决于高电流的范围而通过开关SW-1或开关SW-2与对电极触头CNT连接,且工作电极触头WKG通过开关SW-3接地,同时开关SW-4和SW-5在控制器40的控制下打开。在低电流模式中操作时,低电流驱动器80通过开关SW-5连接到对电极触头CNT,同时开关SW-1和SW-2打开,且至设置控制电路60的功率启用线PA EN停用,以使高电流驱动器与对电极触头CNT断开。也在低电流模式中,工作电极触头WKG通过闭合开关SW-4而连接到低电流监测器130,同时开关SW-3在控制器40的控制下打开以使工作电极触头WKG与地极断开。当工作电极触头WKG经由开关SW-4连接到低电流监测器时,低电流线TIA IN使低电流监测器与工作电极触头WKG连接。因此,通过容器35处的材料从对电极触头CNT处的对电极传递到工作电极触头WKG处的工作电极的由低电流驱动器生成的低电流由低电流监测器130监测。从TIA IN线上的工作电极触头WKG供应的低电流由低电流监测器监测,且输出信号TIA OUT反映TIA IN线上监测到的电流而产生。来自低电流监测器130的TIA OUT线提供反馈信号至反馈复用器100。低电流监测器还将取决于TIA IN处的输入电流的输出信号通过接口总线115供应至模数转换器ADC 110来由控制器40监测。低电流监测器在控制器的控制下通过使控制器与低电流监测器连接的MUX2线启用低电流监测器来调整TIA IN线处检测到的电流。模数转换器ADC 110作用为将来自低电流监测器130的TIA OUT线、来自缓冲器120的REF OUT线以及来自高电流监测器90的INA OUT线上供应的模拟信号转换成数字信号以用于通过接口总线115与控制器40通信。因此,仪器30在控制器MCU的控制下可通过打开开关SW-2、SW-4和SW-5且闭合开关SW-1和SW-3在第一高电流模式中操作,或通过打开开关SW-1、SW-4和SW-5且闭合开关SW-2和SW-3在第二高电流模式中操作,或通过由缓冲器电路120检测基准电极触头REF处的电压在电压模式中操作。
在高电流模式中操作时,控制器MCU 40还可通过MUX线或总线控制反馈复用器100,以便作为输入供应至MUX 100的INA OUT信号在MUX OUT线处供应至高电流驱动器70作为反馈信号,以控制高电流驱动器70的输出。当在高电流驱动器在使用中的同时选择电压模式时,控制器MCU 40可通过MUX线或总线控制反馈复用器100,以将来自缓冲器120的REFOUT信号作为反馈信号通过MUX OUT线供应至高电流驱动器70,以控制基准电极处的电压。当仪器在低电流模式中操作时,来自MCU 40的功率启用信号引起设置控制电路60停用高电流驱动器70,且开关SW-5闭合来使低电流驱动器与对电极触头CNT连接。控制器40还可作用为引起开关SW-1和SW-2打开。控制器40还作用为打开开关SW-3来使工作电极触头WKG与地极断开,且闭合开关SW-4来使工作电极触头WKG与作用为监测TIA IN线上的低电流的低电流监测器120连接。响应于TIA IN线上的电流输入,低电流监测器120在TIA OUT线上产生反馈信号,其供应至由控制器MCU控制的反馈复用器100,以在低电流模式中操作时将TIA OUT反馈信号通过MUX OUT线从低电流监测器供应至低电流驱动器80。在低电流驱动器在使用中在电压模式中操作时,控制器可通过MUX OUT线或总线控制反馈复用器MUX 100,以便通过REF OUT线将来自缓冲器的反馈信号由反馈复用器100供应至低电流驱动器80。
高功率/高电流
参看图2,针对构造更详细绘出了电化学仪器30,其用于高功率模式,提供高电流操作模式和电压操作模式。如图2中所示,控制器MCU 40作用为控制电路的操作,且通过接口总线55将数字控制信号供应至如图1中所示的数模转换器电路50,其包括与如图2中更具体示出的调节器电路54连接的DAC电路52。DAC电路52作用为将来自控制器MCU 40的数字信号转换成供应至调节器电路54的模拟信号,调节器电路54作用为缓冲和调整信号水平,以将适合的输出提供至设置控制电路60来驱动图1中所示的高电流驱动器70。在高功率模式中操作时,控制器40通过功率启用线PAEN启用设置控制电路60来将输出信号从调节器电路54供应至可作用为高电流驱动器的高功率运算放大器HP OPA 70的输入。控制电路60与非反相输入或HP运算放大器72的+线连接。HP OPA放大器72的输出在如图2中所示的功率输出线PA OUT上供应,作为对图1的高电流监测器90的输入,其如图2中所示,可分别包括感测电阻器RS1和RS2、91和92,以及差分放大器INA193和INA294。如图2中所示,高功率放大器HPOPA 72的输出通过感测电阻器91和92的并联电路与对电极控制器CNT连接。更具体而言,高功率放大器HP OPA 72的输出可通过第一感测电阻器RS191由开关SW-1可切换地连接到对电极触头CNT,或备选地通过第二感测电阻器RS292由开关SW-2可切换地连接到对电极触头CNT。第一差分放大器93跨过第一感测电阻器91连接,电阻器91优选为高精度电阻器,以在开关SW-1闭合时,在电路在高电流的第一范围中操作时检测由流过第一感测电阻器91的电流生成的电压。当电路在高电流的第二范围中操作时,开关SW-1打开,且SW-2闭合,以便由高功率运算放大器HP OPA 72产生的电流流过第二感测电阻器92至对电极触头CNT。流过第二感测电阻器RS292的电流由跨过第二感测电阻器92连接的第二差分放大器94检测,第二感测电阻器92优选为高精度电阻器,以检测由流过第二感测电阻器92的电流生成的电压。因此,如图2中所示,第一高电流范围监测电路包括第一感测电阻器91和用于监测高电流的第一电流范围中的电流的第一差分放大器93。类似地,第二高电流监测电路包括第二感测电阻器92和第二差分放大器94,以首先用于监测高电流的第二电流范围中的电流。第一差分放大器93可为仪器放大器INA1的形式,而第二差分放大器94可为第二仪器放大器INA2的形式。在高电流模式中,电流感测电阻器(RS1或RS2)的电压降由此通过具有固定增益的高精度INA放大器采样,以提供足够的信号强度来提供反馈信号。如图2中所示,第一差分放大器93在连接在差分放大器93的输出处的INA-1OUT线上产生输出信号,以用于供应至调节器电路112,且然后至模数转换器ADC电路ADC-HC2111来与控制器MCU 40电连通,以便控制器可监测第一差分放大器93的输出来在开关SW-1闭合时监测流过第一感测电阻器91的电流。差分放大器93还将INA-1OUT线上的反馈信号供应至反馈复用器MUX 100。类似地,第二差分放大器94提供输出信号来供应通过调节器电路114和ADC电路ADC-HC2113以用于与MCU 40电连通,以便控制器可监测第二差分放大器94的输出,以在开关SW-2闭合时监测流过第二感测电阻器92的电流。差分放大器94还将INA-2OUT线上的反馈信号供应至反馈复用器MUX100。
如图2中所示,工作电极触头WKG在电路在高功率或高电流模式中操作时由闭合的开关SW-3连接到地极GND。如果仪器30仅在高电流模式中操作,则开关SW-3可固定在闭合位置,或甚至由图2中所示的到地极的硬接线替换。还如图2中所示,缓冲器电路120与基准电极触头REF连接,以将REF OUT线上的缓冲的输出信号提供至调节器电路118且然后至ADC电路ADC-V 117来与MCU 40电连通,以便控制器40可监测基准电极触头REF处的基准电压。缓冲器120作用为缓冲来自与缓冲器的输出REF OUT线连接的电路的在基准电极触头REF处检测到的电压。缓冲器的REF OUT线还将反馈信号从缓冲器供应至反馈复用器MUX 100。
在MCU 40的控制下,反馈复用器100在高电流或高功率模式中操作时,选择来自INA-1OUT线、INA-2OUT线或REF OUT线的哪个反馈信号可切换地供应为MUX OUT线上的负反馈信号作为至高功率放大器HP OPA 70的反相端子(-端子)的负反馈信号。在高电流的第一范围中操作使得开关SW-1闭合且SW-2打开时,穿过第一感测电阻器RS191至对电极触头CNT的高电流的第一范围由第一差分放大器93检测到,且MUX 100在MCU 40的控制下切换来将反映流过MUX OUT线处的第一感测电阻器RS191的电流的INA-1OUT线信号供应为高功率放大器HP OPA 72的反相端子处的负反馈信号。在电压模式中操作时,在开关SW-1闭合时在高电流的第一范围,缓冲器120将反映基准电极触头REF处的电压的基准触头电压信号作为反馈信号供应至MUX 100,以便控制器MCU 40可控制MUX 100来将来自缓冲器120的REF OUT信号可切换地供应为高功率放大器HP OPA 72的反相端子处的负反馈信号。当在高电流的第二范围中操作时,在控制器40的控制下,开关SW-1打开且开关SW-2闭合。结果,穿过第二感测电阻器RS292至对电极触头CNT的高电流的第二范围由第二差分放大器94检测到,第二差分放大器94提供反映流过INA-2OUT线上的第二感测电阻器RS 92的电流的输出,其作为反馈信号供应至MUX 100,反馈信号可作为MUX OUT线上的负反馈可切换地供应至高功率放大器HP OPA 72的反相端子。当在高电流的第二范围中在电压模式中操作时,从REF OUT线处的缓冲器120供应至MUX 100的反馈信号可在控制器的控制下在MUX 100处切换来作为负输出反馈信号供应至高功率放大器HP OPA 72的反相端子。
来自INA-1OUT线处的第一差分放大器93的输出信号也供应至调节器电路112,其作用为将INA-1OUT线处接收到的信号调节到适合水平以用于供应至ADC电路ADC-HC1111,且还可作用为从至ADC转换器电路111的输出缓冲在INA-1OUT线上接收到的信号。ADC电路111作用为将从调节器电路112供应的模拟信号转换成用于控制器40的数字信号。类似地,第二差分放大器94的输出通过INA-2OUT线连接到调节器电路114,其作用为将模拟信号调节到适合水平以供应至ADC电路113ADC-HC2113,且还可作用为从供应至ADC电路113的信号缓冲在INA-2OUT线上供应的信号。ADC电路113作用为将来自调节器电路114的模拟信号转换成用于控制器40的数字信号。在REF OUT线上供应的缓冲器的输出还供应至调节器电路118,调节器电路作用为调整在REF OUT线上供应的模拟信号的水平以用于供应至ADC电路ADC-V 17,其作用为将供应至ADC-V 117的模拟信号转换成适合的数字信号以用于供应至控制器MCU 40。调节器电路118还可作用为从至ADC电路ADC-V 117的输出缓冲在REF OUT线上供应的输入。模数转换器、ADC-HC1111、ADC-HC2113和ADC-V 117优选为通过接口总线115与MCU 40连通的高速和高精度的转换器。因此,MCU 40可作用为经由ADC-HC1111的输出监测流过第一感测电阻器91的电流、经由ADC-HC2113的输出监测流过第二感测电阻器92的电流,以及经由ADC-V1117的输出监测电压基准触头REF处的电压。
低功率/低电流
参看图3,绘出了电化学仪器30,其具有构造成用于提供低电流操作模式和电压操作模式的低功率操作模式中的电路。如图3中所示,控制器MCU 40通过接口总线55将数字控制信号提供至如图1中所示的DAC电路50(其包括数模转换器电路DAC 52)以及如图3中所示的相关联的调节器电路54。DAC电路52作用为将数字信号从控制器40转换成供应至调节器电路54的适合的模拟信号。调节器电路54作用为调整来自DAC 52的模拟输出的水平,且将DAC 52的输出缓冲到适合水平以用于供应到设置控制电路60,其继而又将输出供应至低功率运算放大器LP OPA 82的非反相插脚。如图1中所示,低功率运算放大器电路LP OPA 82可作用为低电流驱动器80。低功率运算放大器LP OPA 82的输出通过开关SW-5连接到对电极触头CNT。当在低电流模式中操作时,开关SW-4闭合来使工作电极触头WKG与如图1中所示的低电流监测电路130的输入连接。如果仪器30仅在低功率或低电流模式中操作,则开关SW-5和SW-4可保持闭合,或可由硬接线连接替换。如图3中所示,工作电极触头WKG通过开关SW-4连接,其在以低电流模式操作时闭合,以便流自工作电极触头WKG的电流供应至放大器132的反相输入,诸如具有接地GND的其非反相端子的运算放大器TIA 132的形式的电流跟随器或跨阻抗放大器TIA。跨阻抗放大器TIA 132的输出通过反馈电阻器136的阵列连接到模拟复用器的形式的监测器复用器MUX2134,其在MCU 40的控制下操作,监测器复用器继而又连接回跨阻抗放大器TIA 132的反相输入,以提供放大器TIA 132的反馈信号环。监测器复用器134在控制器的控制下操作,以选择电阻器阵列136中的适合电阻器,其具有对于在低电流操作模式中监测的电流适合的电阻以用于反馈环中的连接。
放大器TIA 132的输出通过具有负增益10的负增益放大器138例如供应成使跨阻抗放大器TIA 132的输出反相,且放大此信号到适合水平以用于由MCU 40监测。图1中所示的低电流监测电路130包括放大器TIA 132、负增益放大器138、监测器复用器MUX2134,以及图3中所示的电阻器136的反馈阵列。负增益放大器138产生足够的增益,以便来自负增益放大器138的输出信号在PIA OUT线处通过调节器电路116供应至ADC电路119以用于通过接口总线115与控制器通信,以便控制器可监测在TIA IN线处检测和监测的电流量。调节器电路116作用为将TIA OUT线上的模拟信号调节至适合的水平,且缓冲此信号以用于供应至模数转换器ADC-LC 119,其作用为将由调节器电路116供应的模拟信号转换成适合的数字信号以用于通过接口总线115供应至控制器40。来自TIA OUT线处的放大器138的输出信号也作为反馈信号供应至反馈复用器MUX 100。
如图3中所示,缓冲器电路120与基准电极触头REF电连接,以在REF OUT线处供应反映基准电极触头REF处检测到的电压的缓冲的输出信号。在此方面,缓冲器120供应反映基准电极触头REF处检测到的电压的缓冲反馈信号作为对REF OUT线上的反馈复用器MUX100的输入。缓冲器120还在REF OUT线上供应反映基准电极触头REF处检测到的电压的输出信号以用于通过调节器电路118且然后通过ADC电路ADC-V 117供应至MCU 40。调节器电路118作用为将从REF OUT线供应的模拟信号调节和缓冲到用于ADC转换器ADC-V的适合水平,以便转换器ADC-V作用为将来自调节器118的模拟信号转换成适合的数字输出以用于通过总线115供应至控制器40,以便基准电极触头REF处的电压的水平可由控制器监测。反馈复用器MUX 100在控制器的控制下操作,以便TIA OUT线上的反馈信号可在低电流模式中操作时可切换地供应为低功率放大器LO OPA 82的反相端子处的负反馈。在电压模式中操作时,控制器MCU40可控制反馈复用器MUX 100来将反映基准电极触头REF处检测到的电压的来自缓冲器120的REF OUT线处的反馈信号作为负反馈信号单独地供应至低功率放大器LP OPA82的反相端子。在操作中,MCU 40可作用为经由ADC-LC 119的输出监测流自工作电极触头WKG的电流,以及经由ADC-V 117的输出监测基准电极触头REF处的电压,其中ADC-V 117和ADC-LC 119优选是通过接口总线115与控制器MCU 40连通的高速和高精度的转换器。
电路构件
现在,更详细地考虑电路的操作,参看图4,控制器40包括控制器芯片ADuC7026_LQFP80的形式的微控制器电路41。微控制器芯片41作用为运行计算机程序、接收用户输入,且监测和控制电化学仪器30的电路的操作。如图4中绘出的那样,微控制器芯片41使其若干插脚与适合的3.3伏的电压源直接地或间接地连接。例如,插脚38通过LED D21连接到3.3伏的电压源,LED D21照明来反映仪器30的操作。
为了对于电路生成适合的供应电压的目的,如图20中所示,滤波器电路在插头J31处连接到正15伏电源P15V,且在插头J33处连接到负15伏电源N15V,各自跨过相应阵列的电容器151和152,其还在插头J32处接地,以便+15伏和-15伏的滤波输出电压生成且接地。+15伏的输出与如图21中所示的功率供应电路155的输入连接。如绘出的那样,+15伏的电压源供应至提供为调节器芯片LM7805的电压调节器U1157的输入,使得5伏的输出在调节器U1的输出处产生。电压调节器U1的输出还作为输入供应至由芯片ADP3303提供的低退出调节器电路LDO 158,使得+3.3V输出在如图21中所示的低退出调节器芯片LDO 158的输出处产生。来自低退出调节器芯片LDO的3.3伏的输出可按需要供应至电路构件,包括如图4中所示的微控制器芯片41。
如图4中所示,微控制器芯片41还与如图4中所示的插脚78处的2V50处的+2.5V的电压基准连接。为了产生选择的电压基准,电压基准电路154如图17中所示提供。如图所示,如由芯片LT460G提供的电压基准芯片VREF156与来自功率供应电路155的5伏输入源连接。电压基准芯片VREF156与由芯片AD822提供的缓冲器BUFF2159连接,以提供2.5伏2V50的第一缓冲电压基准和1.25伏1V25的第二缓冲基准电压。如图4中所示,2.5伏的基准2V50在插脚78处与微控制器41连接。
如图4中所示,微控制器41的插脚18和19与可用于分别使红色和绿色LED照明的插头J23连接。微控制器41的插脚20与下载插头J21连接,其可用于与介质或装置连接来下载信息、指令或程序,诸如程序更新。
参看图18,计算机存储器160以EEPROM(电可擦且可编程的只读存储器)芯片EP和相关联的电路的形式提供,以用于储存选择的编程指令和参数来由图4中所示的微控制器41使用。前述指令和参数可通过使存储器再编程来改变。EP芯片通过将时钟线提供至控制器的插脚60的线SCL和将数据线(诸如串行数据线)提供至如图4中所示的微控制器的插脚59的线SDA与微控制器41通信。
如图4中所示,微控制器41还包括连接在插脚37和插头J22处的重置电路,以启用微控制器41的重置。微控制器41还包括例如在插脚61和62处的通信端口,以允许芯片与外部装置(诸如计算机、网络、智能电话和/或其它选择的介质)通信。出于此目的,微控制器41包括分别在插脚61和62处连接的用于与TXmcu处的传输线和RXmcu处的接收线连接的端口,其继而又可与如图19中所示的通信插头165(诸如智能线缆插头)连接。
为了从仪器除去热,仪器30还包括风扇电路180来驱动如图22中所示的风扇。简言之,15伏的输入在由芯片LM7805提供的电压调节器电路U2处供应,其继而又将5V输出供应至与风扇连接的插头J36。
图4的微控制器41还通过如图1中所示的接口总线55与如图5中所示的数模转换器DAC 50通信。如图4和5中更具体所示,微控制器41通过接口总线55与数模电路DAC 50通信,接口总线55包括连接在微控制器41的插脚52与数模转换器芯片DAC 52的插脚6之间的主输出/从输入线MOSI,这由如图5中所示的芯片AD5541_SOIC、以及由微控制器41的插脚51与DAC芯片的插脚4之间连接的从选择线DAC_SS、以及由微控制器41的插脚58与DAC芯片52的插脚5之间连接的串行时钟线SCLK来提供。如图5中所示,DAC芯片52还在插脚3处连接到基准电压(2.5伏的基准电压2V50)。微控制器41通过MOSI线提供数字信号至DAC芯片DAC 52,且选择DAC芯片52来通过从选择线DAC_SS操作。定时时钟信号通过时钟线SCLK供应。如图2和3中所示,响应于来自微控制器的数字信号的DAC芯片52将模拟输出信号提供至由芯片AD822提供的缓冲器电路BFF354的输入插脚3,其作用为如图2和3中所示的调节器电路54,以在用于驱动电流或功率驱动器的适合水平下在如图5中所示的缓冲器芯片BUFF354的输出插脚1处提供缓冲和调节的模拟输出信号VDAC。
来自调节器电路54的输出VDAC作为输入供应至如图7中所示的设置控制电路60。更具体而言,来自调节器电路54的输出VDAC供应为如图7中所示的由芯片AD822和相关联的电路提供的运算放大器OPA1的插脚3处的输入,其作用为图1-3中所示的设置控制电路60。微控制器41还通过功率启用线PA_EN与如图7中所示的运算放大器OPA1电连通,功率启用线PA_EN作用为启动高功率运算放大器HP OPA 72(图2中所示),其可作用为高电流驱动器70(如图1中所示)。图2中所示的高功率运算放大器HP OPA 72包括特别地提供为图7中所示的芯片OPA548和相关电路的功率放大器芯片PA,以在设置控制电路60在CTRL线处从OPA1的插脚1产生供应至如图2和7中所示的高功率运算放大器HP OPA 72的PA 72的插脚1的输出控制信号时,以及在控制器将PA_EN线上的启用信号提供至如图7中所示的设置控制电路60时,在输出线PAout上产生高功率输出。如图4和7中所示,功率启用线PA_EN连接在如图4中所示的控制器41的插脚41与如图7中所示的设置控制电路OPA160的插脚5之间。为了停用来自高功率放大器70的输出,控制器停用功率启用线PA_EN,从而停用来自高功率放大器72的输出PAout。如图7中所示,设置控制电路60还在CTRL线处从OPA1的插脚1产生输出控制信号,其供应至低功率运算放大器电路82(图3中所示),低功率运算放大器电路82作用为如图3和9中绘出的低电流驱动器80(图1中所示)。
低电流驱动器80(图1中所示)包括如由芯片AD822和如图9中所示的相关联的电路提供的运算放大器OPA3的形式的低功率运算放大器LP OP 82(图3中所示)。现在,参看图9,来自设置控制电路60的控制信号CTRL提供为运算放大器OPA382的插脚5处的输入。插脚7处的运算放大器OPA382的输出作为输入供应至开关SW-5,其由如图9中所示的数字控制的模拟继电器RELAY5提供。微控制器41与继电器RELAY5连通,继电器通过中继线RLY5操作为开关SW-5,中继线连接在如图4中所示的微控制器41的插脚35与如图9中所示的继电器RELAY5的插脚2之间。开关SW-5的输出在继电器RELAY5的插脚3处提供以产生输出信号,其在低电流或低功率操作模式中作为工作信号供应至对电极触头CNT来用于如图1和3中所示的容器35处的对电极。因此,微控制器41可作用为控制开关SW-5,以便在继电器RELAY5触动时,低功率放大器82与对电极触头CNT连接,而在控制器通过RLY5线打开继电器RELAY5时,低功率放大器LP OPA 82与对电极触头CNT断开。
如图1中所示,在高电流或高功率操作模式中操作时,来自高电流驱动器70的输出在PA OUT线上供应至高电流监测器电路90。参看图8,大体上表示为90的高电流监测器电路连同开关SW-1和SW-2更详细示出。如图8中所示,从高电流驱动器70供应为工作信号的高功率输出信号PAout由使用第一高电流监测电路的高电流监测器90监测,该电路具有第一感测电阻器91和第一放大器93,诸如差分放大器,其优选为如由芯片INA121提供的仪器放大器INA1的形式。高电流监测电路还包括由第二感测电阻器92和第二放大器94(诸如差分放大器)提供的第二高电流监测电路,优选由仪器放大器INA2提供,特别地由如图8中所示的芯片INA121提供。如图所示,来自高功率放大器72的线PAout上的输出通过第一感测电阻器RSI91且通过第一开关SW-1供应至对电极触头CNT,且还与第二感测电阻器RS292并联来通过第二开关SW-2供应至对电极触头CNT。第一感测电阻器和第二感测电阻器选择成具有不同的电阻,以便使用感测电阻器91的第一高电流监测电路可用于来自高功率运算放大器HPOPA 72的线PAout上的第一电流范围,且使用感测电阻器92的第二高电流监测电路将用于来自高功率运算放大器HP OPA 72的线PAout上的第二电流范围。开关SW-1优选由数字控制的模拟继电器RELAY1提供,其在微控制器41的控制下通过中继线RLY1在如图4中所示的微控制器41的插脚30与如图8中所示的继电器电路RELAY1的插脚2之间操作。类似地,微控制器41还通过中继线RLY2控制优选由图8中所示的数字控制的模拟继电器RELAY2提供的开关SW-2的操作,中继线连接在如图4中所示的微控制器41的插脚31与如图8中所示的继电器电路RELAY2的插脚2之间。
对于在高电流的第一范围中的操作,在微控制器的控制下,高电流监测电路90将以一种方式操作,使得微控制器41由此将引起开关SW-1经由中继线RLY1闭合来将输出PAout(提供来自高电流驱动器的工作电流)经由感测电阻器91与对电极触头CNT连接,由此此电流由跨过第一感测电阻器91的电压检测到。当开关SW-1由微控制器41闭合时,开关SW-2将在微控制器41的控制下经由中继线RLY2打开。当开关SW-1闭合时,流过第一感测电阻器91的电流将生成与电流成比例的跨过第一感测电阻器91的电压降,其将由差分放大器93检测到,差分放大器93可为如图8中所示的仪器放大器的形式。响应于跨过第一感测电阻器91的压降,差分放大器93将通过第一感测电阻器91产生取决于电流的输出INA1out,其将作为输入供应至如图1中所示的模数转换器电路ADC 110来由微控制器41监测。来自INA1out处的差分放大器93的输出还可用作(图1中所示的INA OUT的)反馈信号来供应至如图2中所示的反馈复用器100MUX。又参看图8,在高电流的第二范围中操作时,微控制器41将引起开关SW-1由中继线RLY1上的信号打开,且引起开关SW-1由中继线RLY2上的信号闭合,以便具有不同于第一感测电阻器91的电阻的第二感测电阻器92通过第二开关SW-2将来自高电流驱动器的工作电流PAout的输出与对电极触头CNT连接。当开关SW-2闭合时,穿过第二感测电阻器92的电流将生成比例或相关的电压降,其可由以仪器放大器INA2的形式提供的差分放大器94监测,以检测跨过第二感测电阻器的电压降。响应于跨过第二感测电阻器92检测到的电压差,差分放大器94将取决于检测到的电压的可作为(图1中所示的INA OUT)反馈信号供应的输出信号INA2out供应至如图1和2中所示的反馈复用器MUX 100。此外,从差分放大器94供应的输出INA2out还可作为输入INA OUT供应至如图1中所示的ADC电路110来由控制器40监测。
如图2中大体上所示,来自差分放大器93的输出可通过调节器电路112供应来由控制器40监测,调节器电路112作用为调节输入信号的水平,且缓冲此输入信号来供应至模数转换器电路ADC-HC1111。如图14中更具体所示,来自高电流监测器的第一监测电路的输出作为输出信号INA1out供应至以缓冲器SFT-BUF-1(由芯片AD822和相关联的电路提供)的形式提供的调节器电路112的输入,缓冲器将输入信号INA1out缓冲和调节到适当水平以用于供应至由ADC电路芯片ADC1(由芯片LTC864A_SOIC和相关联的电路提供)提供的模数转换器111,其作用为将来自调节器电路112的模拟输入转换成数字输出以用于供应至微控制器41。ADC电路芯片ADC1通过如图1和2中所示的接口总线115与微控制器41连接,总线包括时钟线SCLK和主输入/从输出线MISO以及控制器ADC1_CNV,其分别与如图4中所示的微控制器41的插脚58,57,56连接。
还如大体上在图2中所示,来自差分放大器94的输出INA-2OUT可通过调节器电路114供应来由控制器40监测,调节器电路114作用为调节信号的水平,且缓冲此信号来供应至模数转换器113。如图15中更具体所示,来自高电流监测器的第二监测电路的输出作为输出信号INA2out供应至调节器电路114的输入,其包括提供为芯片AD822和相关联的电路的缓冲器SFT-BUF-2,其缓冲和调节输入信号INA2out到适当水平以用于供应至由ADC芯片ADC2(由芯片LTC1864A_SOIC和相关联的电路提供)提供的模数转换器113,其作用为将来自调节器电路114的模拟输入转换成数字输出以用于供应至微控制器41。ADC电路芯片ADC2通过如图1和2中所示的接口总线115与微控制器41连接。接口总线115包括时钟线SCLK、主输入/从输出线MISO和控制线ADC2_CNV,其分别与如图4中所示的微控制器41的插脚58,57和55连接。
微控制器41还与缓冲器120电连通,以监测大体上如图1,2和3中所示的基准电极触头REF处的电压。如图11中更具体所示,缓冲器120包括提供为芯片AD822和相关联的电路的缓冲器芯片BUF5。缓冲器芯片BUF5的插脚3处的输入与用于基准电极的插头J62处的基准电极触头REF连接,以便出现在基准电极触头处的电压将作为插脚3处的输入供应至缓冲器芯片BUF5。作为响应,缓冲芯片BUF5通过电阻器R65在输出插脚1处供应输出REFout。来自缓冲器芯片5的REFout线将电压基准反馈信号提供至如图1,2和3中所示的反馈复用器MUX100,其针对来自基准电极触头REF的插脚3处的电压输入缓冲。
再次参看图11,在插头J62处与基准电极触头连接的缓冲器芯片BUF5作用为检测基准电极触头REF处的电压或信号,且用于在输出插脚1处提供缓冲的输出REFout,其代表可由微控制器41监测的在基准电极触头REF处检测到的电压。出于此目的,来自缓冲器芯片BUF5的REFout供应至图16中所示的调节器电路118,调节器电路118将信号缓冲和调节至适合的水平来供应至ADC电路117,其将来自调节器电路118的模拟信号转换成适合的数字信号以用于通过接口总线115供应至控制器40。如图16中更具体所示,来自缓冲器120(如图11中所示的BUF5的形式)的输出REFout作为调节器电路118的缓冲器芯片SFT-BUF-4(如由芯片AD822提供)的插脚3处的输入供应。缓冲器芯片将提供为REFout处的输入的信号调节到适合水平以用于输入到以芯片LTC1864A_SOIC的形式的ADC芯片ADC4提供的ADC电路117。ADC芯片ADC4通过接口总线115与微控制器41连通,接口总线115具有分别与如图4中所示的控制器41的插脚58,57和49连接的用于信号的计时和定时的时钟线SCLK、用于将信号传输至微控制器41的主输入/从输出MISO线,以及用于从为微控制器41接收控制信号的控制线ADC4_CNV。
再次回头参看图11,可选地,缓冲器120的缓冲器芯片BUF5还可与用于对电极的插头J61处的对电极触头CNT连接,且选择性地通过如图8中更具体示出的第一高电流监测开关SW-1和第二高电流监测开关SW-2与来自高电流监测电路90的输出线CNT选择性地连接,或通过如图9中更具体示出的开关SW-5与来自低电流驱动器的输出线CNT上的输出选择性地连接。再次参看图11,由插头J61提供的对电极触头CNT处的信号作为输入提供缓冲器芯片BUF5的插脚5。作为响应,缓冲器芯片BUF5在插脚7处供应缓冲的输出CNTout,其可通过如图4中所示的控制器41的插脚81处连接的CNTmon线供应至如图1中所示的ADC电路125以由微控制器41来监测。更具体而言,参看图23,代表对电极触头CNT处检测到的信号的来自缓冲器120的CNTout信号可作为输入供应至缓冲器电路127,其包括提供为芯片AD822和相关联的电路的缓冲器芯片SFT-BUF-5,以提供缓冲的输出CNTmon来供应至微控制器41,且优选通过如图1中所示的ADC电路125。
如图1中所示,工作电极触头WKG可在仪器构造成在高功率或高电流模式中操作时由开关SW-3接地,或备选地,可在仪器构造成在低功率或低电流模式中操作时由开关SW-4连接到低电流监测器130。如图12中更详细所示,设在插头J63处的工作电极触头WKG作为输入连接到其相应的输入插脚4处的开关SW-3和SW-4两者。如图12中所示,开关SW-3以继电器RELAY3的形式提供,优选数字控制的模拟继电器,其通过与如图4中所示的微控制器41的插脚32连接的中继线RLY3在微控制器的控制下操作。类似地,以继电器RELAY4、优选数字控制的模拟继电器的形式提供的开关SW-4通过与如图4中所示的微控制器41的插脚33连接的中继线RLY4在微控制器41的控制下操作。因此,当在高电流或高功率模式中操作时,微控制器41将引起继电器RELAY3闭合,从而使插头J63处的工作电极触头WKG在继电器RELAY3的输出插脚3处接地,且将引起继电器RELAY4打开以引起提供在插头J63处的工作电极触头WKG与继电器RELAY4的插脚3处的TIAin线处的继电器RELAY4的输出断开。在低功率或低电流模式中操作时,控制器41将引起继电器RELAY3打开来使提供在插头J63处的工作电极触头WKG与输出插脚3处的地极断开,且将引起继电器RELAY4闭合来使工作电极触头WKG与输出线TIAin连接,其继而又连接到如图1中所示的低电流监测电路130。如图3中所示,当开关SW-4闭合时,从开关SW-4输出的TIA in线将作为输入供应至以运算放大器132的形式提供的放大器,其构造为电流跟踪放大器或跨阻抗放大器TIA。TIA IN线通过开关SW-4供应至标为132的跨阻抗放大器TIA的反相端子。TIA放大器132的非反相输入如图3中所示接地。来自TIA放大器132的输出作为输入供应至具有负增益10的放大器138,以使来自TIA放大器的信号反相来作为TIAout供应。此外,来自TIA放大器132的输出在微控制器41的控制下通过反馈电阻器136的阵列反馈通过监测器复用器134,以将反馈信号提供至TIA放大器132的反相输入,从而在控制器40的控制下提供低电流监测。大体上标为130的低电流监测电路在图10中更详细绘出。参看图10,来自工作电极触头WKG的信号通过如图3中大体上示出的开关SW-4提供至TIAin线上的监测电路130,且供应至如图10中更具体示出的运算放大器电路OPA2133(由芯片AD822和相关联的电路提供)的反相输入插脚6。运算放大器OPA2在插脚5-8处提供跨阻抗放大器132的功能性,且在插脚1-4处提供负增益放大器138的功能性。如图10中所示,TIAin信号是运算放大器OPA2的反相输入插脚6处的输入,而插脚5处的非反相输入接地。运算放大器OPA2的TIA区段在输出插脚7处产生输出来供应至电阻器阵列136,包括电阻器RF1-RF8,以及至运算放大器OPA2的负增益放大器区段的反相插脚2处的输入。电阻器阵列136连接在运算放大器OPA2的TIA放大器区段的输出插脚7处的TIA放大器132的输出与监测器复用器MUX2134之间,监测器复用器MUX2诸如由芯片ADG1408提供的数字控制的模拟复用器,其作用为在微控制器41的控制下可切换地连接阵列中选择的电阻器,以产生可切换地选择的反馈信号,其从监测器复用器MUX2的输出插脚8供应至运算放大器OPA2的TIA区段的插脚6处的反相输入。考虑到从运算放大器OPA2的插脚7的该反馈环,TIA放大器132的输出反馈到电阻器阵列136,其具有10k,lk,100,10,100k,1M,10M,50M的RF4,RF3,RF2,RF1,RF5,RF6,RF7,和RF8的单独的电阻器,分别连接作为对提供为MUX2的监测器复用器134的输入。监测器复用器134的输出在插脚8处从MUX2作为反馈输入提供至运算放大器OPA2的插脚6。复用器芯片MUX2通过MUX2启用线MUX2En与微控制器41连通,所以微控制器41可启用和停用监测器复用器MUX2,且通过MUX2选择线(Mux2Sel0,Mux2Sell,Mux2Sel2线)与微控制器41连通,以便微控制器可切换地选择阵列136中的适合的电阻器来连接在反馈环中,同时可切换地断开其它电阻器。Mux2En线从监测器复用器Mux2的插脚2连接到如图4中所示的微控制器41的插脚43。同样,图10中所示的Mux2Sel0,Mux2Sell,Mux2Sel2线继而又分别在插脚46,47和48处与微控制器41连接。微控制器41作用为通过Mux2En线发送控制信号来启用监测器MUX2134的操作。针对反馈环中的连接选择的特定电阻器由通过Mux2Sel0-2线由微处理器发送的MUX选择信号来选择。选择的阵列136中的特定电阻器取决于通过如图3中所示的调节器电路116和ADC电路ADC-LC 119由微控制器41在TIAout线上监测的电流。来自运算放大器OPA2133的TIAout线还将反馈信号从低电流监测电路提供至如图3中所示且如图6中更具体所示的反馈复用器电路MUX 100。再次回头参看图10,来自放大器OPA2133的TIAout线供应至大体上如图1中所示的ADC电路100,其包括如图3中所示的调节器电路116和ADC电路ADC-LC 119。
图3中绘出的调节器电路116和ADC电路ADC-LC 119在图13中更具体示出。现在参看图13,调节器电路116包括如由芯片AD822和相关联的电路提供的缓冲器电路SFT-BUF-3,其作用为将TIAout线上的模拟信号输入调节和调制成适合水平来供应至模数转换器电路ADC-LC 119,模数转换器电路由芯片LTC1864A_SOIC的形式的ADC电路ADC3提供。来自缓冲器SFT-BUF-3的输出插脚7处的调节器电路116的输出作为输入供应至如图13中所示的ADCADC3电路119的插脚2。因此,ADC电路ADC3作用为将在SFT-BUF-2的插脚3处的TIAout线上供应至调节器电路116的模拟信号转换成适合的数字信号来由微控制器41监测。如图13中所示的ADC电路ADC3119通过如图3中所示的接口总线115与微控制器41连通,其经由提供来自微控制器的时钟信号的线SCLK、将来自ADC3处的ADC电路的信号提供至微控制器41的主输入/从输出线MISO,以及提供来自如图4和13中所示的微控制器41的控制信号的控制线ADC3_CNV。更具体而言,如图4和13中所示,时钟线SCLK将如图13中所示的ADC电路ADC3的插脚7与如图4中所示的微控制器41的插脚58连接。MISO线将如图13中所示的ADC电路ADC3的插脚6与如图4中所示的微控制器41的MISO插脚57连接。最终,控制线ADC3_CNV使如图13中所示的ADC电路ADC3的插脚5与如图3中所示的微控制器41的插脚50连接。因此,如图1中大体上所示,来自低电流监测电路130的TIA OUT线可通过ADC电路110供应,以便来自低电流监测器的模拟输出转换至适合的数字输入信号,以用于通过接口总线115供应至MCU 40来启用微控制器监测来自低电流监测器的信号。
如图1中所示,MCU 40还通过如图6中更详细示出的接口总线MUX与反馈复用器MUX100连接。反馈复用器100可包括如图6中所示的芯片AD1408和相关联的电路的形式的复用器芯片MUX1。反馈复用器MUX1和相关联的电路作用为提供数字控制的模拟复用器电路,其通过如图1中所示的接口总线MUX与如图4中所示的微控制器41连接。接口总线MUX包括复用器启用线MUX1En,其与图4中所示的微控制器41的插脚63和与如图6中所示的MUX1电路的插脚2连接以提供启用线,以便MUX1电路的操作可由来自微控制器41的启用信号启用。如图1中所示的接口总线MUX还包括输出选择线MUXISoI0、MUXISell、MUXSel2,其分别将如图4中所示的微控制器41的插脚64,65和66分别与如图6中所示的MUX1电路的插脚1,16和15连接。使用选择线使得,微控制器41可选择连接到MUX1的插脚4上的TIAout线、连接到MUX1的插脚5上的REFout线、连接到MUX1电路的插脚6上的INA2out线和连接到MUX1的插脚7上的INA1out线上的反馈信号提供的哪个输入可在微控制器41的控制下可切换地连接,以在如图6中所示的MUX1芯片的插脚8处连接的MUXout线上提供来自MUX1电路的输出。因此,参看图1,反馈复用器100的MUX1芯片(图6中所示)接收从低电流监测电路130在TIAout线上提供的反馈信号、从与基准电极触头REF连接的缓冲器120在REFout线上提供的电压反馈信号、包括INA1out线(如图2中所示)上的反馈信号的INA OUT线上供应的反馈信号以及针对来自高电流监测电路90的不同电流范围在INA2out线(如图2中所示)上供应的反馈信号作为输入。因此,再一次回头参看图6,微控制器41控制反馈复用器MUX 100的操作,以便TIAout线上的输入在低电流模式中操作时在MUXout线上供应,且INA1out线上的输入在第一选择的电流范围下的高电流模式中操作时在MUXout线上供应,INA2out线上的输入在第二选择的电流范围中的高电流模式中操作时在MUXout线上供应,且REFout线上的输入在以电压模式操作时在MUXout线上供应。如图1中所示,来自反馈复用器100的MUXout线作为输入供应至低电流驱动器80,且作为输入供应至高电流驱动器70,以便反馈信号可取决于操作模式供应至适合的驱动器。更具体而言,如图6中所示,来自反馈复用器MUX 100的插脚8的MUXout线作为输出供应至如图7中所示的功率放大器OPA PA 72的插脚2处的反相输入,以便在高电流模式中操作时,供应至图7中所示的功率放大器72的MUXout信号可选择性地为在第一选择的电流范围下的高电流模式中操作时来自线INA-1OUT(如图2中所示)的反馈信号或在第二选择的电流范围下的高电流模式中操作时为用于线INA-2OUT(如图2中所示)的反馈信号,或备选地在高功率或高电流操作中的电压模式中操作时为REFOUT线上的反馈信号。如图6中所示,MUXout线还从MUX1的插脚8作为如图9中所示的输入供应至低电流放大器OPA382的插脚6。在低电流或低功率操作模式中的操作期间,来自低电流监测器130的TIAOUT线(如图3中所示)上的反馈信号可在低电流模式中作为MUXout线上的反馈信号供应至低功率放大器82,或备选地,反馈信号或REFout线可在低功率或低电流水平下的电压模式中操作时在MUXout线上供应至低功率放大器82。
电化学仪器30可在计算机运行的程序的控制下操作。选择的程序操作的实例在图24中以流程图形式绘出。参看图24,在开始步骤200处,电化学仪器30首先提高功率,或在提高功率之后重置来开始操作。在步骤205处,仪器30的硬件和软件初始化,且来自仪器的输出暂时停用。在决定步骤210处,确定是否接收到任何新参数或设置,诸如电流、定时、顺序或其它选择的操作模式。如果接收到新设置或参数,则在步骤215处更新所需的设置。如果在步骤210处未接收到新参数或设置,或一旦任何此类参数或设置在步骤215处已更新,则在步骤220处,作出了确定是否接收到针对启动操作的START命令的决定。如果不是,则程序移回到步骤210,以再次确定是否接收到任何新参数或设置。然而,如果在决定步骤220处,确定接收到了START命令,则程序进行至步骤225来设置仪器30的操作模式,诸如电压模式、高电流模式或低电流模式。在步骤230处,仪器然后将针对选择的操作模式设置所需的电压或电流,且然后在步骤235处将设置、计算和控制操作的定时,诸如各个数据点的时间、测量的总时间,或其它选择的定时参数。接下来,仪器将在步骤240处执行自动范围功能,以通过设置电路来检测且自动地选择适合的电流范围,以实现最佳的结果,例如,诸如高分辨率、低噪音和高动态范围。在步骤245处,仪器将读取基准电压和输出电流,且然后进行至步骤250来检查测量期间是否存在任何警告或警报。在步骤255处,测量结果(诸如电压和/或电流)可经由通信端口传输至另一个装置,诸如主机或数据收集器。接下来,在步骤260处,仪器将确定测量期间是否存在检测到的任何硬件或软件错误。如果是这样,则程序将进行至步骤270来停用输出。如果在步骤260中没有检测到错误,则程序将进行至决定步骤265,以确定是否接收到STOP命令。如果接收到STOP命令,则程序将再进行至步骤270来停用输出。如果在265处未接收到STOP命令,则程序将往回进行到230,以再确定电压和电流控制的设置来再次循环通过从步骤230到步骤265的步骤。最终,在步骤270处,在输出停用之后,程序将然后往回进行到步骤210以确定是否接收到任何新参数或设置,且然后再次进行操作步骤。
尽管上文描述和/或列举了本发明的某些实施例,但本领域的技术人员将从以上公开内容清楚各种其它实施例。因此,本发明不限于描述和/或列举的特定实施例,而是能够相当大地改变和变化,而不脱离所附权利要求的精神和范围。
此外,如本文所述,用语"大约"意思是大小、尺寸、配方、参数、形状以及其它量和特征不一定且不必准确,而是可为大致的且/或如期望那样更大或更小,反映公差、转换系数、四舍五入、测量误差等,以及本领域的技术人员已知的其它因素。大体上,大小、尺寸、配方、参数、形状或其它量或特征是"大约的"或"大致的",而不论是否这样明确表达。注意,具有非常不同的尺寸、形状和大小的实施例可使用所述的布置。
Claims (10)
1.一种电化学仪器,包括:
a.用于提供数字控制信号的控制器;
b.与所述控制器电连通以用于响应于来自所述控制器的数字控制信号生成模拟输出信号的数模转换器;
c.与所述数模转换器电连通来响应于来自所述数模转换器的模拟输出信号产生高电流范围输出的高电流驱动器;
d.与所述高电流驱动器电连通的高电流监测器,所述高电流监测器响应于由所述高电流监测器监测的电流对于所述高电流驱动器产生电流反馈信号以控制由所述高电流驱动器产生的电流,且用于取决于从所述高电流驱动器产生的电流供应输出以用于由所述控制器监测;
e.与对电极电连通且可与所述高电流监测器的输出电连通地连接的对电极触头;以及
f.用于与工作电极电连通的工作电极触头,其可与固定稳定电压电位电连通地连接以用于启用所述对电极与所述工作电极之间的材料的电化学分析;
g.与所述数模转换器电连通来响应于来自所述数模转换器的模拟输出信号产生低电流范围输出的低电流驱动器;
h.低电流监测器,其可与所述工作电极触头电连通地连接,以用于检测所述工作电极触头处的电流,以及用于提供取决于所述工作电极触头处检测到的电流的输出来由所述控制器监测,以及用于对于所述低电流驱动器提供反馈信号以便控制所述低电流驱动器的输出来控制所述对电极触头与所述工作电极触头之间的电流,所述低电流监测器包括
i.监测器放大器,其具有可与所述工作电极触头电连通地连接的输入且具有输出,
ii.连接在所述监测器放大器的输出与所述监测器放大器上的输入之间的反馈电阻器的阵列,以及
iii.监测器模拟复用器,其与所述控制器电连通以用于对于所述监测器放大器的输出与输入之间的电连接选择所述阵列中的反馈电阻器中的至少一个以控制所述监测器放大器的输出;
其中,所述高电流监测器包括用于监测第一电流范围中的电流的第一高电流范围监测电路,以及用于监测第二电流范围中的电流的第二高电流监测电路。
2.根据权利要求1所述的仪器,其特征在于,所述高电流监测器包括用于使所述第一高电流范围监测电路与所述对电极触头的电连通电连接和断开的第一高电流监测器开关,以及用于使所述第二高电流监测电流与所述对电极触头的电连通电连接和断开的第二高电流监测开关。
3.根据权利要求1所述的仪器,其特征在于,所述仪器包括:用于与基准电极电连通的基准电极触头以用于相对于与所述材料连通的工作电极和对电极定位,以及缓冲器,其用于与所述基准电极触头电连通以用于检测所述基准电极触头处的电压且用于取决于所述基准电极触头处的电压供应输出,所述输出从所述基准电极触头缓冲以用于由所述控制器监测,且用于对于所述高电流驱动器提供反馈信号以控制由所述高电流驱动器产生的输出来控制所述基准电极触头处的电压。
4.根据权利要求3所述的仪器,其特征在于,所述仪器包括反馈模拟复用器,其与所述控制器电连通且与所述高电流监测器电连通以用于接收来自所述高电流监测器的反馈信号,且与所述缓冲器电连通以用于接收来自所述缓冲器的反馈信号以用于在所述控制器的控制下可切换地选择反馈信号中的哪个由所述反馈模拟复用器对于所述高电流驱动器输出。
5.根据权利要求4所述的仪器,其特征在于,所述控制器控制所述反馈模拟复用器,以在高电流模式中操作时对于所述高电流驱动器供应来自所述高电流监测器的反馈信号,且在电压模式中操作时将来自所述缓冲器的反馈信号供应至所述高电流驱动器。
6.根据权利要求4所述的仪器,其特征在于,所述第一高电流范围监测电路对于所述反馈模拟复用器提供第一高电流反馈信号,且所述第二高电流范围监测电路对于所述反馈模拟复用器提供第二高电流反馈信号,且其中在所述控制器的控制下的所述反馈模拟复用器在所述第一高电流范围中操作时对于所述高电流驱动器选择性地供应来自所述第一高电流范围监测电路的所述第一高电流反馈信号,且在第二高电流范围中操作时对于所述高电流驱动器选择性地供应来自所述第二高电流范围监测电路的所述第二高电流反馈信号。
7.根据权利要求6所述的仪器,其特征在于,所述第一高电流范围监测电路包括串联连接在所述高电流驱动器与所述对电极触头之间的第一感测电阻器,以及第一差分放大器,其跨过所述第一感测电阻器连接以检测由流过所述第一感测电阻器的电流生成的电压来产生所述第一高电流反馈信号,且其中所述第二高电流范围监测电路包括串联连接在所述高电流驱动器与所述对电极触头之间的第二感测电阻器,以及第二差分放大器,其跨过所述第二感测电阻器连接以检测由流过所述第二感测电阻器的电流生成的电压来产生所述第二高电流反馈信号。
8.根据权利要求7所述的仪器,其特征在于,所述第一差分放大器和所述第二差分放大器包括仪器放大器。
9.根据权利要求3所述的仪器,其特征在于,所述仪器包括与所述控制器电连通且与所述缓冲器和所述高电流监测器电连通的模数转换器,以将所述缓冲器和所述高电流监测器的输出信号转换成数字信号以用于供应至所述控制器。
10.根据权利要求1所述的仪器,其特征在于,所述仪器包括用于使所述高电流驱动器与所述对电极触头的电连通可切换地连接和断开的高电流开关,使得所述控制器控制所述高电流开关来可切换地连接和断开所述高电流驱动器与所述对电极触头的电连通。
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