CN207114471U - 一种数字输出恒电位仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种数字输出恒电位仪，包括依次级联的电化学传感器模块、电流采样电路、电流积分模块、电压积分模块、比较触发模块以及计数器模块；电流采样电路包括第一电流镜、第二电流镜以及第三电流镜，第一电流镜连接在电化学传感器模块以及电流积分模块之间；第二电流镜用于将参考电流与采样电流正向叠加；第三电流镜用于将参考电流与采样电流反向叠加。本实用新型通过对参考电流在输入电流上面的双向叠加获得不同数值，并且将该输出进行换算从而直接量化为数字量，测量数据更加准确。2、并通过电流镜的方式进一步避免了现有技术中采用ADC转成数字量，随着信号频率的增加，运算放大器增益下降，使得被测电流准确度下降的问题。

Description

一种数字输出恒电位仪

技术领域

本实用新型涉及电路参数测量设备，特别涉及一种数字输出恒电位仪。

背景技术

目前电化学传感器的恒电位仪大多采用运算放大器、电阻、电容等分立元件组成，采用这种方法搭建的恒电位仪抗干扰性能差，容易受到外界环境噪声影响，而且体积大，限制了检测系统的精度和集成度。

随着微械系统（MEMS）和微电子技术的发展，越来越多的微型电化学传感器应用于生物信号检测、水质监测等领域，相应的单片集成的恒电位仪也受到研究者的青睐。目前的单片集成恒电位仪可以分为模拟输出和数字输出两种类型。由于传感器的应用通常要用到计算机、微处理器和其他的一些数字器件，因此有必要实现传感器的数字化输出，这样集成的数字传感器不仅提供了更多的功能，而且降低了整个系统的成本。目前的数字输出恒电位仪几乎都是采用跨阻放大器将传感器电流转化为电压，然后通过后续的逐次逼近型 ADC（SAR ADC）或Sigma-dleta ADC将模拟电压转化为数字量。但跨阻放大器存在的问题是当信号频率高时，运算放大器增益下降而导致输入电阻升高，这对于输出阻抗较高的电化学传感器是无法接受的。另外，由于MEMS电化学传感器产生的电流通常为nA，甚至pA量级，在跨阻放大器中需要几兆或几十兆的电阻，这么大的电阻在IC工艺中需要很大的芯片面积，因此并不适合于单芯片集成。另外，将电流转化为电压，然后再通过ADC进行模数转换的方式电路结构经过了两步转换，电路复杂度高，SAR ADC或Sigma-Delta ADC都会占用很大的芯片面积。

发明内容

本实用新型为了解决上述技术问题，提供了具有一种数字输出恒电位仪。

一种数字输出恒电位仪，包括依次级联的电化学传感器模块、电流采样电路、电流积分模块、电压积分模块、比较触发模块以及计数器模块；所述电流采样电路包括第一电流镜、第二电流镜以及第三电流镜，所述第一电流镜连接在所述电化学传感器模块以及所述电流积分模块之间；所述第二电流镜用于将参考电流与采样电流正向叠加；所述第三电流镜用于将所述参考电流与所述采样电流反向叠加；所述第二电流镜与所述第三电流镜受所述比较触发模块控制。

进一步的，所述第一电流镜包括第一MOS管以及第二MOS管；所述第一MOS管以及第二MOS管的栅极连接所述电化学传感器的输出端；所述第一MOS管以及第二MOS管的源极连接电源；所述第一 MOS管的漏极连接所述电化学传感器的输出端；所述第二MOS管的漏极连接所述电流积分电路。

针对上述恒电位仪的进一步具体化，所述第二电流镜包括第三MOS管、第四MOS管以及第五MOS管；所述第三MOS管以及第四MOS管的源极连接电源、所述第三MOS管以及第四MOS管的栅极接入参考电流；所述第三MOS管的漏极接其栅极，所述第五MOS管的源极连接所述第四MOS管的漏极、栅极连接所述比较触发模块的输出端、漏极连接所述电流积分模块。

针对上述恒电位仪的进一步具体化，所述第三电流镜包括第六MOS管、第七MOS管以及第八MOS管；所述第六MOS管的栅极、漏极以及第七MOS管的漏极接入参考电流；所述第六MOS管以及第七MOS管的源极接地；所述第八MOS管的源极连接所述第七MOS管的漏极、栅极连接所述比较触发模块的输出端、漏极连接所述电流积分模块。

优选的，所述第三电流镜还包括与所述第六MOS管构成电流镜的第九MOS管；所述第九MOS管为所述第二电流镜提供电流源。

另外，所述电流积分模块和所述电压积分模块之间设有电荷缓存电路；所述电荷缓存电路用于缓存在第一时间段内所述电流积分模块输出的电荷，并将该部分电荷在第二时间段内输入到所述电压积分模块中。所述电荷缓存电路包括第一电容、在第一时序信号控制下的第一开关、第二开关以及在第二时序控制下的第三开关第四开关；所述第一开关一端连接所述电流积分模块的输出端，另一端依次连接所述第一电容以及第二开关后接地；所述第三开关一端接地，另一端连接所述第一电容与所述第一开关之间的节点；所述第四开关一端连接所述电压积分模块，另一端连接所述第一电容与所述第二开关之间的节点。

进一步的，所述电流积分模块包括在第一时序信号控制下的第五开关、在第二时序信号控制下的第六开关和第七开关、第一运放以及积分电容；所第五开关连接在所述第一运放的反相输入端以及电流采样电路之间；所述第六开关连接在所述第一运放的正相输入端以及电流采样电路之间；所述积分电容与所述第七开关并联，且两端分别连接在所述第一运放的反相输入端以及输出端之间；所述第一运放的正相输入端接地。

进一步的，所述电压积分模块包括第二运放以及第二电容；所述第二运放的副输入端连接所述电荷缓存电路；正相输入端接地，输出端连接所述比较触发模块；所述第二电容连接在所述第二运放的输出端以及反相输入端之间。

进一步的，所述比较触发模块包括第一比较器、第二比较器以及触发器；所述第一比较器的正相输入端和第二比较器的反相输入端连接所述电压积分模块的输出端；第一比较器的反相输入端接入第一比较电压VC1、输出端连接所述触发器的置位引脚；第二比较器的正相输入端连接第二比较电压VC2、输出端连接所述触发器的复位引脚。

进一步的，所述第一时序信号与所述第二时序信号互为双相不交叠时序。

本实用新型的所起到的有益效果包括：

1、通过对参考电流在输入电流上面的双向叠加获得不同数值，并且将该输出进行换算从而直接量化为数字量，测量数据更加准确。

2、通过电流镜的方式进一步避免了现有技术中采用ADC转成数字量，随着信号频率的增加，运算放大器增益下降，使得被测电流准确度下降的问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例一中的电路架构原理图。

图2为本实用新型实施例二中的第一电流镜的电路原理图。

图3为本实用新型实施例二中的第二电流镜的电路原理图

图4为本实用新型实施例二中的第三电流镜的电路原理图。

图5为本实用新型实施例二中的电路采样电路的电路原理图。

图6为本实用新型实施例三中的电荷缓存电路的电路原理图。

图7为本实用新型实施例三中的电流积分模块与电压积分模块的电路原理图。

图8为本实用新型实施例三中的比较触发器与计数器模块的电路原理图。

图9为本实用新型中电化学传感器模块的电路原理图。

其中，电化学传感器模块为10；电流采样电路为20；第一电流镜为21；第二电流镜为22；第三电流镜为23；电流积分模块为30；电压积分模块为40；比较触发模块为50；触发器为51计数器模块为60；电荷缓存电路为70；输入电流为Iin；参考电流为Iref；固定电压为Vcell；高阻节点为X；触发器输出端为Q；第一时序信号CLK1；第二时序信号CLK2；第一比较电压VC1；第二比较电压VC2。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围作出更为清楚的界定。

实施例1：

一种数字输出恒电位仪，如图1所示，包括依次级联的电化学传感器模块10、电流采样电路20、电流积分模块30、电压积分模块40、比较触发模块50以及计数器模块60。

其中，电化学传感器模块10根据其检测环境产生一个输入电流Iin，被电流采样电路20进行采集，结合参考电流Iref后通过电流积分模块30和电压积分模块40进行积分运算，比较触发模块50根据运算后的输出结果实现触发以及复位，经过计数器模块60对触发的次数以及时间进行计数，从而得到输入电流Iin以及参考电流Iref之间的关系，最终检测出电电化学传感器模块10产生的电流值。

具体的，电流采样电路20包括第一电流镜21、第二电流镜22以及第三电流镜23。该三个电流镜中，第一电流镜21连接在电化学传感器模块10以及电流积分模块30之间，用于将输入电流Iin镜像复制，将电化学传感器模块10的电流按照1:1的比例镜像复制。

第二电流镜22用于将参考电流Iref与采样电流正向叠加，当第二电流镜22介入时，向电流积分模块30输出的电流为输入电流Iin与参考电流Iref的和。第三电流镜23用于将参考电流Iref与采样电流反向叠加，当第三电流镜23介入时，向电流积分模块30输出的电流为输入电流Iin与参考电流Iref的差。需要说明的是，第二电流镜22与第三电流镜23是交替介入，该两个电流镜均受比较触发模块50控制，其根据触发器51输出的电平高低来决定所介入的电流镜。

在电流积分和电压积分方面，在电流积分模块30和电压积分模块40之间设有电荷缓存电路70，用于缓存在第一时间段内电流积分模块30输出的电荷，并将该部分电荷在第二时间段内输入到电压积分模块40中，从而累积电流积分模块30所输出的电流，将电流参量转化为电压参量，供电压积分模块40进行积分。在初始过程中，电压积分模随着电荷缓存电路70的输入，使其输出电压不断升高，最终电压积分模块40所输出的电压超过了第一比较电压VC1时，使比较触发模块50置位，从而翻转参考电流Iref与输入电流Iin的叠加方式，参考电流Iref由正向叠加变成反向叠加。由于参考电流Iref的值要大于输入电流Iin的值，因此电压积分模块40输出的电压将不断减小，当电压积分模块40输出的电压小于第二比较电压VC2时，比较出发模块复位，再次翻转参考电流Iref与输入电流Iin之间的叠加方式。

由于参考电流Iref是不变的，而输入电流Iin的大小将决定电压积分模块40输出电压的变化速度，从而影响比较触发模块50的状态变化速度。计数器模块60在此过程中，根据一定时间内的比较触发模块50的置位和复位次数即可以计算出电化学传感器的电流值。

实施例2：

作为实施例1的进一步优化，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例具体描述三个电流镜的具电路结构，其中如图2所示，第一电流镜21包括第一MOS管M1以及第二MOS管M2；第一MOS管M1以及第二MOS管M2的栅极连接电化学传感器的输出端；第一MOS管M1以及第二MOS管M2的源极连接电源；第一 MOS管的漏极连接电化学传感器的输出端；第二MOS管M2的漏极连接电流积分电路。第一电流镜21中，第一MOS管M1所在的电流支路用于采集电化学传感器的电流，第二MOS管M2所在的支路镜像第一MOS管M1的支路电流后作为输入电流Iin想电流积分模块30进行输入。

请参见图3，第二电流镜22方面，其包括第三MOS管M3、第四MOS管M4以及第五MOS管M5。第三MOS管M3和第四MOS管M4互为镜像MOS管，第五MOS管M5为用于作为开关功能的MOS管。第三MOS管M3以及第四MOS管M4的源极连接电源、第三MOS管M3以及第四MOS管M4的栅极接入参考电流Iref，第三MOS管M3的漏极接其栅极，完成对参考电流Iref的采集。第五MOS管M5的源极和漏极分别连接第四MOS管M4的漏极和电流积分模块30的输入端，形成一个参考电流Iref正向叠加通路。而第五MOS管M5的栅极连接比较触发模块50的输出端，使第五MOS管M5构成一个通路开关，当第五MOS管M5导通时，参考电流Iref将被正向叠加到输入电流Iin里面。

请参见图4，第三电流镜23方面，第三电流镜23包括第六MOS管M6、第七MOS管M7以及第八MOS管M8。与第二电流镜22原理相似，第六MOS管M6和第七MOS管M7互为镜像MOS管，第八MOS管M8则作为开关功能的MOS管。第六MOS管M6的栅极、漏极以及第七MOS管M7的漏极接入参考电流Iref，第六MOS管M6以及第七MOS管M7的源极接地，完成对参考电流Iref的采集。第八MOS管M8的源极和漏极分别连接第七MOS管M7的漏极以及电流积分模块30，形成一个参考电流Iref反向叠加通路。栅极连接比较触发模块50的输出端，使第八MOS管M8构成一个通路开关，当第八MOS管M8导通时，参考电流Iref将被反向叠加到输入电流Iin里面。

为了保证所引入的参考电流Iref能够一致，如图5所示，可以将第二电流镜22的参考电流Iref源以及第三电流镜23的参考电流Iref源合并为一，具体是在第三电流镜23再设置一个与第六MOS管M6构成电流镜的第九MOS管M9；第九MOS管M9的接入方式与第六MOS管M6相同，同样是栅极接入参考电流Iref，源极接地，而漏极则接第三MOS管M3的漏极。为第三MOS管M3提供参考电流Iref。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中将会提到7个开关，7个开关将受到两种时序信号控制，时序信号为高电平时，收时序信号控制的开关将被导通，反之的断开。而本实施例中，第一时序信号CLK1与第一时序信号CLK2互为双相不交叠时序。而实施例1中的第一时间段与第二时间段分别对应的是第一时序信号处于高电平的时间段和第二时序信号处于高电平的时间段。

如图6所示，电荷缓存电路70包括第一电容C1、在第一时序信号CLK1控制下的第一开关S1、第二开关S2以及在第二时序控制下的第三开关S3、第四开关S4；第一开关S1一端连接电流积分模块30的输出端，另一端依次连接第一电容C1以及第二开关S2后接地；第三开关S3一端接地，另一端连接第一电容C1与第一开关S1之间的节点；第四开关S4一端连接电压积分模块40，另一端连接第一电容C1与第二开关S2之间的节点。

请参见图7，在电流积分模块30方面，其具体包括在第一时序信号CLK1控制下的第五开关S5、在第一时序信号CLK2控制下的第六开关S6和第七开关S7、第一运放A1以及积分电容；所第五开关S5连接在第一运放A1的反相输入端以及电流采样电路20之间；第六开关S6连接在第一运放A1的正相输入端以及电流采样电路20之间；积分电容与第七开关S7并联，且两端分别连接在第一运放A1的反相输入端以及输出端之间；第一运放A1的正相输入端接地。

在电流积分模块30开始工作时，电压积分模块40初始电压为0，触发器51的输出状态Q为低电平。当第一时序信号CLK1为高电平，第一时序信号CLK2为低电平，电流积分模块30处于电流积分状态，对输入电流Iin与参考电流Iref的和进行积分，电流积分模块30的输出电压呈斜坡上升。当第一时序信号CLK2为高电平时，第六开关S6和第七开关S7闭合，第五开关S5断开，电流积分模块30处于复位状态，运放的输出端与反相输入端相连，反相输入端电压和输出端电压跟随正相输入端电压，由于正相输入端接地，因此第一运放A1完成复位；当第一时序信号CLK1为高电平时，第五开关S5闭合，第六开关S6和第七开关S7断开，电流积分模块30处于积分状态，输入电流Iin对积分电容CI进行充电。在第一时序信号CLK1由高向低跳变的时刻，电流积分模块30的输出电压为：

其中为第一时序信号CLK1的频率。从上式可以看出，输出电压与输入电流Iin和参考电流Iref的和成正比，与积分电容CI和第一时序信号CLK1的时钟频率成反比。当检测小电流时，可以用较小的积分电容和较慢的时钟频率，从而节省了硅片面积。

请参见图7，在电压积分模块40方面，包括电压积分模块40包括第二运放A2以及第二电容C2；第二运放A2的副输入端连接电荷缓存电路70；正相输入端接地，输出端连接比较触发模块50；第二电容C2连接在第二运放A2的输出端以及反相输入端之间。

如图8所示，比较触发模块50包括第一比较器COMP1、第二比较器COMP2以及触发器51；第一比较器COMP1的正相输入端和第二比较器COMP2的反相输入端连接电压积分模块40的输出端；第一比较器COMP1的反相输入端接入第一比较电压VC1、输出端连接触发器51的置位引脚；第二比较器COMP2的正相输入端连接第二比较电压VC2、输出端连接触发器51的复位引脚。

在电流积分模块30在对输入电流Iin和参考电流Iref的和进行积分期间，第一开关S1和第二开关S2导通，该电流积分模块30的电压值也被第一电容C1采样。当第一时序信号CLK1变为低电平，第一时序信号CLK2变为高电平时，电流积分模块30的输出变为共模电压。此时，开关第一开关S1和第二开关S2断开，第三开关S3和第四开关S4导通，采样断开时刻，积累在第一电容C1上的电荷转移到第二电容C2上，电压积分模块40输出积分电压，经过N1个周期后，电压积分模块40的输出可以表示为：

其中t表示半个时钟周期，经过N1个周期后，当电压积分模块40电压大于第一比较电压VC1时，第一比较器COMP1输出高电平，使触发器51置位，触发器51的输出端Q由低电平变为高电平。进而第五MOS管M5断开，第八MOS管M8导通，电流积分模块30输入的电流由输入电流Iin反向叠加参考电流Iref后所得的电流构成，因此经过N2个周期后，电压积分模块40的输出变为

因为输入电流Iin小于参考电流Iref，所以在此过程中电压积分模块40的输出电压不断减小，当电压积分模块40输出电压小于第二比较器COMP2的第二比较电压VC2时，触发器51的复位信号输入端RESET变为高电平，触发器51输出端Q变为低电平，重复以上过程，触发器51输出端Q的高电平通过后续的计数器模块60进行计算，该值反应的就是输入电流Iin与参考电流Iref的关系。

实施例4：

本实施例中的电化学传感器模块10如图9所示，本实施例中的电化学传感器11采用的是三电极电化学传感器，其中WE极为工作电极、RE极为参比电极、CE极为辅助电极。另外还包括第三运放A3和第十MOS管M10，该两个部件组成恒电位仪的控制单元。其中电化学传感器11的WE极接地，RE极与第三运放A3的反相输入端相连，正相输入端连接固定电压Vcell，输出接在N沟的第十MOS管M10的栅极。第十MOS管M10的源极与CE极相连。由于第三运放A3处于深度负反馈状态，RE极电位等于Vcell，因此RE极和WE极之间的电势保持恒定，恒定值为Vcell。当测量溶液浓度时，在WE极表面发生化学反应，产生与浓度呈一定关系的电流，而RE极连接的为CMOS运算放大器的反相输入端，该端点阻抗极高，因此WE极产生的电流不会流经RE极，迫使产生的电流全部流经CE极。并且WE极接真实地，使得产生的电流对噪声和干扰不敏感。另外，在本实施例中的第三运放A3的输出端并没有直接接在CE极，而是通过第十MOS管M10再连接CE极，因此电流输出端由低阻节点CE极变为了高阻节点X。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (11)

1.一种数字输出恒电位仪，其特征在于，包括依次级联的电化学传感器模块、电流采样电路、电流积分模块、电压积分模块、比较触发模块以及计数器模块；所述电流采样电路包括第一电流镜、第二电流镜以及第三电流镜，所述第一电流镜连接在所述电化学传感器模块以及所述电流积分模块之间；所述第二电流镜用于将参考电流与采样电流正向叠加；所述第三电流镜用于将所述参考电流与所述采样电流反向叠加；所述第二电流镜与所述第三电流镜受所述比较触发模块控制。

2.根据权利要求1所述的数字输出恒电位仪，其特征在于，所述第一电流镜包括第一MOS管以及第二MOS管；所述第一MOS管以及第二MOS管的栅极连接所述电化学传感器的输出端；所述第一MOS管以及第二MOS管的源极连接电源；所述第一 MOS管的漏极连接所述电化学传感器的输出端；所述第二MOS管的漏极连接所述电流积分模块。

3.根据权利要求1所述的数字输出恒电位仪，其特征在于，所述第二电流镜包括第三MOS管、第四MOS管以及第五MOS管；所述第三MOS管以及第四MOS管的源极连接电源、所述第三MOS管以及第四MOS管的栅极接入参考电流；所述第三MOS管的漏极接其栅极，所述第五MOS管的源极连接所述第四MOS管的漏极、栅极连接所述比较触发模块的输出端、漏极连接所述电流积分模块。

4.根据权利要求1所述的数字输出恒电位仪，其特征在于，所述第三电流镜包括第六MOS管、第七MOS管以及第八MOS管；所述第六MOS管的栅极、漏极以及第七MOS管的漏极接入参考电流；所述第六MOS管以及第七MOS管的源极接地；所述第八MOS管的源极连接所述第七MOS管的漏极、栅极连接所述比较触发模块的输出端、漏极连接所述电流积分模块。

5.根据权利要求4所述的数字输出恒电位仪，其特征在于，所述第三电流镜还包括与所述第六MOS管构成电流镜的第九MOS管；所述第九MOS管为所述第二电流镜提供电流源。

6.根据权利要求1所述的数字输出恒电位仪，其特征在于，所述电流积分模块和所述电压积分模块之间设有电荷缓存电路；所述电荷缓存电路用于缓存在第一时间段内所述电流积分模块输出的电荷，并将该部分电荷在第二时间段内输入到所述电压积分模块中。

7.根据权利要求6所述的数字输出恒电位仪，其特征在于，所述电荷缓存电路包括第一电容、在第一时序信号控制下的第一开关、第二开关以及在第二时序控制下的第三开关第四开关；所述第一开关一端连接所述电流积分模块的输出端，另一端依次连接所述第一电容以及第二开关后接地；所述第三开关一端接地，另一端连接所述第一电容与所述第一开关之间的节点；所述第四开关一端连接所述电压积分模块，另一端连接所述第一电容与所述第二开关之间的节点。

8.根据权利要求6或7所述的数字输出恒电位仪，其特征在于，所述电流积分模块包括在第一时序信号控制下的第五开关、在第二时序信号控制下的第六开关和第七开关、第一运放以及积分电容；所第五开关连接在所述第一运放的反相输入端以及电流采样电路之间；所述第六开关连接在所述第一运放的正相输入端以及电流采样电路之间；所述积分电容与所述第七开关并联，且两端分别连接在所述第一运放的反相输入端以及输出端之间；所述第一运放的正相输入端接地。

9.根据权利要求6或7所述的数字输出恒电位仪，其特征在于，所述电压积分模块包括第二运放以及第二电容；所述第二运放的副输入端连接所述电荷缓存电路；正相输入端接地，输出端连接所述比较触发模块；所述第二电容连接在所述第二运放的输出端以及反相输入端之间。

10.根据权利要求1所述的数字输出恒电位仪，其特征在于，所述比较触发模块包括第一比较器、第二比较器以及触发器；所述第一比较器的正相输入端和第二比较器的反相输入端连接所述电压积分模块的输出端；第一比较器的反相输入端接入第一比较电压VC1、输出端连接所述触发器的置位引脚；第二比较器的正相输入端连接第二比较电压VC2、输出端连接所述触发器的复位引脚。

11.根据权利要求8所述的数字输出恒电位仪，其特征在于，所述第一时序信号与所述第二时序信号互为双相不交叠时序。