CN111693582A - 一种电化学检测高精度便携式前端装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电化学检测高精度便携式前端装置。其电路包括正向电压跟随电路、基于正向电压跟随电路的RE‑CE电极、电流电压转换电路、基于电流电压转换电路的WE电极、三环对顶交叉负反馈放大器。三环对顶交叉负反馈放大器是由A1形成负反馈电路的输出节点与A2形成负反馈电路的输出节点连接,二者组合形成对顶环;由A2形成负反馈电路的输出节点与A3形成负反馈电路的同相输入节点连接,由A3形成负反馈电路的反相输入节点与由A2形成负反馈电路的反相输入节点连接,二者组合形成交叉环。通过上述设置,相较于传统的放大电路具有更低的噪声电平和更大的信号带宽,并改善了传统的电化学检测器测试精度。
Description
技术领域
本发明属于电化学检测领域,具体地讲,是涉及一种电化学检测高精度便携式前端装置。
背景技术
电化学检测器是测量物质的电信号变化,对具有氧化还原性质的化合物,如含硝基、氨基等有机化合物及无机阴、阳离子等物质可采用电化学检测器,包括极谱、库仑、安培和电导检测器等。前三种统称为伏安检测器,用于具有氧化还原性质的化合物的检测。电导检测器主要用于离子检测,其工作原理是:在两电极之间施加--恒定电位,当电活性组分经过电极表面时发生氧化还原反应(电极反应),电量(Q)的大小符合法拉第定律,现有电化学检测器的抗干扰性弱、稳定性差,且检测精度低,检测噪声大增益低。在传统的检测中,往往使用具有较大的体积的电化学实验装置,其难以满足实验者在不同场合使用装置的需求(移动过程中消耗人力物力大不说,移动后装置的二次搭建、调试等过程也非常复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷,提供--种电路简单、抗干扰性和稳定性强且检测精度高的电化学检测高精度便携式前端装置。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
电化学检测高精度便携式前端装置,其电路包括正向电压跟随电路、基于正向电压跟随电路的RE电极和CE电极、电流电压转换电路、基于电流电压转换电路的WE电极、以及与电流电压转换电路输出端连接的三环对顶交叉负反馈放大器。
通过上述设置,整个电路中仅用了三个电阻,大大提高了电路的稳定性和抗干扰性.同时也降低了整个电路的功耗:同时,采用改进的三电极设计,并在阳端口引入了三环对顶交叉负反馈放大电路,其具有噪声小,信号带宽大,电路稳定性强等特点,从而大大提高了整个电路的电流检测精度。
所述正向电压跟随电路包括电压跟随器U1和放大器U2;电压跟随器U1的输出端与电压跟随器U1的反相输入端、放大器U2的反相输入端相连,电压跟随器U1的同相输入端连接参比电极RE,放大器U2的同相输入端接入参考电压VREF,放大器U2的输出端连接辅助电极CE。当电极CB和电极RE浸入溶液导通时,电压跟随器U1和放大器U2组合构成另一个电压跟随器。
通过上述设置,电压跟随器U1的输出直接与U2放大器的反向输入端相连,使U1和2形成另一个电压跟随器,保证了RE电极上的电压与输入参考电压VERF大小方向相同,使得本发明可适用于单极性供电的便携式设备。
进一步的,为了防止U1和U2形成的电压跟随电路出现自激振荡情况,在所述放大器U2的输出端与一个用于防止电压跟随电路自激振荡一阶RC电路的输入端连接,且该一阶RC电路形成低通滤波器,可滤去被测电流信号的高频分量。一阶RC电路的输入端接电极CE。
所述的一阶RC电路包括电阻R5、电容C1;电阻R5的一端接放大器U2的输出端、另一端接电容C1的一端后接电极CE;电容C1的另一端接地。
所述电流电压转换电路包括运算放大器U3、采样电阻R2;运算放大器U3的输出端与采样电阻R2的一端连接后作为电流电压转换电路的输出端,接三环对顶交叉负反馈放大器。运算放大器U3的反相输入端与采样电阻R2的另一端连接后接工作电极WE,运算放大器U3的同相输入端接地。
为了提高电流电压转换器的转换精度,所述运算放大器U3为JFET输入型运算放大器。
所述三环对顶交叉负反馈放大器包括分别形成负反馈电路的放大器A1、放大器A2和放大器A3;放大器A1的同相输入端接电流电压转换电路的输出端,反相输入端与放大器A1的输出端、放大器A3的同相输入端、放大器A2的输出端连接;放大器A2的同相输入端与电阻R4的一端连接后接地,反相输入端与电阻R4的另一端、电阻R3的一端、放大器A3的反相输入端连接,放大器A3的输出端与电阻R3的另一端连接后接模数转换器ADC。
由放大器A1形成的负反馈电路的输出节点与放大器A2形成的负反馈电路的输出节点连接,二者组合形成对顶环;由放大器A2形成的负反馈电路的输出节点与放大器A3形成的负反馈电路的同相输入节点连接,由放大器A3形成的负反馈电路的反相输入节点与由放大器A2形成的负反馈电路的反相输入节点连接,二者组合形成交叉环。通过上述设置,相较于传统的放大电路具有更低的噪声电平和更大的信号带宽,并改善了传统的电化学检测器测试精度。
优选的,放大器A1、放大器A2和放大器A3选用同型自调零运算放大器。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明电路简单,电路的稳定性和抗干扰性强,功耗低,且测试精度高。通过电路设计,集成芯片,电路结构模块化等一些列的方法,大大降低的装置的体积,简化装置的组成,最大程度上满足用户在不同场合使用装置的需求。
(2)本发明中电压跟随器U1的输出直接与放大器U2的反向输入端相连,当电极CE和RE浸入溶液导通时,U1和U2形成了另一个电压跟随器,从而保证了RE电极上的电压与输入参考电压VERF大小方向相同,使得本发明可适用于单极性供电的便携式设备,扩大了本发明的适用范围。
(3)本发明在U2输出接了一阶RC电路,有效地防止U1和U2形成的电压跟随电路出现自激振荡情况,同时,该一阶RC电路形成的低通滤波器可以滤出被测电流的高频分量。
(4)本发明中的U3选用具有JFET输出运算放大器,采样电阻R2选择小于104日,减小运了放放大器U3的输入电流,增加了从采样电阻R2流过的输入电流,从而提高了电流电压转换器的转换精度。
(5)本发明在WE端口引入了独创的三环对顶交叉负反馈放大电路,该放大电路具有噪声小,信号带宽大,电路稳定性强等特点,从而极大地提高了整个电路的电流检测精度。
附图说明
图1为本发明的电路原理图;
图2为传统反向运放电路的等效噪声模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进--步说明,本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图1所示,电化学检测高精度便携式前端装置,适用于单电源供电的便携式电化学测量设备,电流检查精度可达到10nA~10uA,可以与一般实验室用电化学工作站媲美,其电路包括正向电压跟随电路、基于正向电压跟随电路的RE电极和CE电极、电流电压转换电路、基于电流电压转换电路的WE电极、以及与电流电压转换电路输出端连接的三环对顶交叉负反馈放大器。极大地简化了电路,与此同时配合三电极WE电极,CE电极,RE电极的设计,提高了电路的稳定性和抗干扰性,同时也降低了整个电路的功耗。
在本发明设计中,我们采用了HA17741运放,AD694以及AD8137YRZ运放作为电路的主要放大器集成结构。
通过上述设置,整个电路中仅用了三个电阻,大大提高了电路的稳定性和抗干扰性.同时也降低了整个电路的功耗:同时,采用改进的三电极设计,并在阳端口引入了三环对顶交叉负反馈放大电路,其具有噪声小,信号带宽大,电路稳定性强等特点,从而大大提高了整个电路的电流检测精度。
所述正向电压跟随电路包括电压跟随器U1和放大器U2;电压跟随器U1的输出端与电压跟随器U1的反相输入端、放大器U2的反相输入端相连,电压跟随器U1的同相输入端连接参比电极RE,放大器U2的同相输入端接入参考电压VREF,放大器U2的输出端连接辅助电极CE。当电极CB和电极RE浸入溶液导通时,电压跟随器U1和放大器U2组合构成另一个电压跟随器。
通过上述设置,电压跟随器U1的输出直接与U2放大器的反向输入端相连,使U1和2形成另一个电压跟随器,保证了RE电极上的电压与输入参考电压VERF大小方向相同,使得本发明可适用于单极性供电的便携式设备。
进一步的,为了防止U1和U2形成的电压跟随电路出现自激振荡情况,在所述放大器U2的输出端与一个用于防止电压跟随电路自激振荡一阶RC电路的输入端连接,且该一阶RC电路形成低通滤波器,可滤去被测电流信号的高频分量。一阶RC电路的输入端接电极CE。
所述的一阶RC电路包括电阻R5、电容C1;电阻R5的一端接放大器U2的输出端、另一端接电容C1的一端后接电极CE;电容C1的另一端接地。
所述电流电压转换电路包括运算放大器U3、采样电阻R2;运算放大器U3的输出端与采样电阻R2的一端连接后作为电流电压转换电路的输出端,接三环对顶交叉负反馈放大器。运算放大器U3的反相输入端与采样电阻R2的另一端连接后接工作电极WE,运算放大器U3的同相输入端接地。
所述三环对顶交叉负反馈放大器包括分别形成负反馈电路的放大器A1、放大器A2和放大器A3;放大器A1的同相输入端接电流电压转换电路的输出端,反相输入端与放大器A1的输出端、放大器A3的同相输入端、放大器A2的输出端连接;放大器A2的同相输入端与电阻R4的一端连接后接地,反相输入端与电阻R4的另一端、电阻R3的一端、放大器A3的反相输入端连接,放大器A3的输出端与电阻R3的另一端连接后接模数转换器ADC。
由放大器A1形成的负反馈电路的输出节点与放大器A2形成的负反馈电路的输出节点连接,二者组合形成对顶环;由放大器A2形成的负反馈电路的输出节点与放大器A3形成的负反馈电路的同相输入节点连接,由放大器A3形成的负反馈电路的反相输入节点与由放大器A2形成的负反馈电路的反相输入节点连接,二者组合形成交叉环。通过上述设置,相较于传统的放大电路具有更低的噪声电平和更大的信号带宽,并改善了传统的电化学检测器测试精度。
为了使得本领域技术人员对本发明的有更清晰的了解和认识,下面结合附图对其进行详细说明:正向电压跟随电路,包括电压跟随器U1和放大器U2,电压跟随器U1的输出端直接与放大器U2的反相输入端相连,电压跟随器U1的同相输入端连接电极RE,放大器U2的同相输入端接入参考电压VREF,其输出端连接电极CE。本实施例中电压跟随器U1的输出直接与U2放大器的反向输入端相连,这样设计的好处在于,当电极CE和RE浸入溶液导通时,01和U2形成了另一个电压跟随器,从而保证了RE电极上的电压与输入参考电压VERF大小方向相同:其中,参考电压VERF可以用电压分压式或者VERF输出芯片获得。进一步的,为了防止U1和U2形成的电压跟随电路出现自激振荡情况.本实施例还在放大器U2的输出端连接有一个用于防止电压跟随电路自激振荡--阶RC电路,该RC电路可以对输出信号的相位进行arctan(6RC)相位补偿(6为输出信号的频率,R为R1的电阻值,C为C1的电容值),与此同时,且该一阶RC电路形成的低通滤波器可以滤出被测电流的高频分量,其截止频率为1/2RCП.
电流电压转换电路包括反相输入端连接电极WE.同相输入端接地的运算放大器U3,以及采样电阻R2:运算放大器U3的输出端与三环对顶交叉负反馈放大器连接。为了提高电流电压转换器的转换精度,应该尽量减小运放放大器U3的输入电流,让尽量多的输入电流从采样电阻R2流过,以保证所转换电压的精确度,基于上述设计原理,本实施例中,运算放大器U3采用JFET输入型运算放大器,其输出偏执电流小于10pA,输入电阻-般为102Q:采样电阻R2的阻值小于104Ω,根据输入并联之类电路电流大小与该之类电阻大小成反比的原理,可知输入WE电极的电流几本上由R2分走,而流入运放的电流基本上接近其偏执电流。下面将上述传统转换电路与本实施例中的转换电路进行对比:
在传统恒电位仪中为了对nA电流进行检测,其采样电阻值一般为10~1000MQ。而本发明电路的采样电路值R2为1k.根据奈奎斯特关系式可以计算出电阻的热燥声电平。其中K为玻尔兹曼常理(1.38×10-23),T为绝对温度(以开尔文为单位);R为电阻,以欧姆为单位。在298K和20Hz~20KHz的音频范围内,1M电阻的热噪声为1K电阻热噪声为0.573uV.所以小电阻的使用在很大程度上改善了统恒电位仪的精度。
由于R2米用较小的米样电阻值其上产生的电压范围一般为0~10mV,因此,要用AD采样这样的小电压必须对其进行放大。传统的反相运放电路的等效噪声模型,如图2所示,其噪声电平差、信号带宽、增益低。因此,本实施例提高了--种独创的三环对顶交叉负反馈放大器,其结构如下:包括分别形成负反馈电路的放大器A1、放大器A2和放大器A3,由放大器A1形成的负反馈电路的输出节点与放大器A2形成的负反馈电路的输出节点连接,二者组合形成对顶环:由放大器A2形成的负反馈电路的输出节点与放大器A3形成的负反馈电路的同相输入节点连接,由放大器A3形成的负反馈电路的反相输入节点与由放大器A2形成的负反馈电路的反相输入节点连接,二者组合形成交叉环。优选的,放大器A1、放大器A2和放大器A3选用同型自调零运算放大器。三环对顶交叉负反馈放大器的环路增益为G=1+(R3/R4),其远高于传统放大器。
图2为传统反向运放电路的等效噪声模型,其由放大器,交流电压源,保护电阻R1,反馈元件R2组成,但由于仅仅使用单一放大器使电路抗干扰性弱、稳定性差,检测精度低,检测噪声大增益低。本发明通过将负反馈放大器采用三环对顶交叉的方式有机的结合在一起,三个放大器互相制约,互相修正大大提高了电路的抗干扰性能、稳定性强、检测精度高。
上述实施例并非是对于本发明的限制,本发明并非仅限于上述实施例,只要符合本发明要求,均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种电化学检测高精度便携式前端装置,其特征在于电路结构包括正向电压跟随电路、基于正向电压跟随电路的RE电极和CE电极、电流电压转换电路、基于电流电压转换电路的WE电极、以及与电流电压转换电路输出端连接的三环对顶交叉负反馈放大器;
所述正向电压跟随电路包括电压跟随器U1和放大器U2;电压跟随器U1的输出端与电压跟随器U1的反相输入端、放大器U2的反相输入端相连,电压跟随器U1的同相输入端连接参比电极RE,放大器U2的同相输入端接入参考电压VREF,放大器U2的输出端连接辅助电极CE;
所述电流电压转换电路包括运算放大器U3、采样电阻R2;运算放大器U3的输出端与采样电阻R2的一端连接后作为电流电压转换电路的输出端,接三环对顶交叉负反馈放大器;运算放大器U3的反相输入端与采样电阻R2的另一端连接后接工作电极WE,运算放大器U3的同相输入端接地;
所述三环对顶交叉负反馈放大器包括分别形成负反馈电路的放大器A1、放大器A2和放大器A3;放大器A1的同相输入端接电流电压转换电路的输出端,反相输入端与放大器A1的输出端、放大器A3的同相输入端、放大器A2的输出端连接;放大器A2的同相输入端与电阻R4的一端连接后接地,反相输入端与电阻R4的另一端、电阻R3的一端、放大器A3的反相输入端连接,放大器A3的输出端与电阻R3的另一端连接后接模数转换器ADC。
2.根据权利要求1所述的一种电化学检测高精度便携式前端装置,其特征在于当电极CB和电极RE浸入溶液导通时,电压跟随器U1和放大器U2组合构成另一个电压跟随器,保证了RE电极上的电压与输入参考电压VERF大小方向相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种电化学检测高精度便携式前端装置,其特征在于所述放大器U2的输出端与一个用于防止电压跟随电路自激振荡一阶RC电路的输入端连接,且该一阶RC电路形成低通滤波器,可滤去被测电流信号的高频分量;一阶RC电路的输入端接电极CE;
所述的一阶RC电路包括电阻R5、电容C1;电阻R5的一端接放大器U2的输出端、另一端接电容C1的一端后接电极CE;电容C1的另一端接地。
4.根据权利要求1或2所述的一种电化学检测高精度便携式前端装置,其特征在于所述运算放大器U3为JFET输入型运算放大器。
5.根据权利要求1或2所述的一种电化学检测高精度便携式前端装置,其特征在于由放大器A1形成的负反馈电路的输出节点与放大器A2形成的负反馈电路的输出节点连接,二者组合形成对顶环;由放大器A2形成的负反馈电路的输出节点与放大器A3形成的负反馈电路的同相输入节点连接,由放大器A3形成的负反馈电路的反相输入节点与由放大器A2形成的负反馈电路的反相输入节点连接,二者组合形成交叉环。
6.根据权利要求1或2所述的一种电化学检测高精度便携式前端装置,其特征在于放大器A1、放大器A2和放大器A3选用同型自调零运算放大器。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200922 |