微機控制電化學系統中的微電流測量設計

肖樂，劉覺民，向增，郭剛，秦攀

(湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙 410082)

微機控制電化學系統中的微電流測量設計

肖樂，劉覺民，向增，郭剛，秦攀

(湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙 410082)

為提高電化學分析儀系統的測量精度和數據分析速度，優化系統的結構，介紹了由單片機ADuC847控制的電化學分析儀系統中的微電流測量設計，分析了微電流測量的原理，通過I/V轉換、T型電路和抗干擾等設計，并使用高精度運放OPA129對微電流進行放大，實現了寬量程和高靈敏度。該系統可以快速、準確測量pA～μA級微電流，并能直觀地顯示測量結果。

電化學分析儀；微電流測量；ADuC847

微弱信號一般都是通過相應的傳感器轉變為微電流或者是微電壓信號，然后經過放大器的放大，達到一定的幅值便于后續電路的處理，從而反映出被測量的大小，由此微電流的測量技術水平在某種程度上決定了其他的微弱信號的測量能力[1]。微電流的測量在物理學、醫學和電化學等諸多方面都有著很多的應用，是電化學分析儀系統中最重要的組成部分之一。隨著電子技術的發展，對于電化學分析系統中的微電流測量精度和測量的準確度，要求也越來越高。

本文研制了一套便攜式的電化學分析儀系統裝置，該系統基于單片機ADuC847控制，可以在直流和低頻的條件下，通過對系統微電流測量部分的電路分析與設計，用恒電位法完成生物化學實驗，實現對量程pA～μA級微電流和高準確度測量。

1 電化學分析儀系統結構

微機控制電化學分析儀系統整體結構如圖1所示。系統結構主要包括了微電流的檢測處理、單片機、鍵盤、液晶顯示以及計算機的通信等幾個部分。微電流檢測處理包括恒電位儀、I/V轉換和放大及濾波環節。單片機采用的是ADI公司的ADuC847，它是有單指令周期8052閃存MCU、自帶24位Δ-∑A/D、12位D/A，該芯片的數據處理速度達12MIPS，且軟件設計簡單，噪聲低，非常適用于本系統裝置。單片機A/D轉換是將濾波后的電壓轉換成數字信號進行處理，D/A轉換輸出電壓掃描信號控制恒電位儀的參比電極RE電勢的大小。鍵盤實現了本地操作命令的輸入，液晶屏則顯示系統的各項參數和工作狀態。系統還可以和計算機通訊，方便將采集的數據保存和對系統的軟件進行在線的修改。

圖1 電化學分析儀系統結構

2 微電流測量電路

2.1 恒電位儀

恒電位儀整體說是一個負反饋放大——輸出系統，運算放大器經過運算，使參比電極RE與工作電極WE之間的電位差，嚴格等于輸入的指令信號電壓。用運算放大器構成的恒電位儀，在電解池、電流取樣電阻以及指令信號的連接方式上有很大靈活性，可以根據電化學測試的要求選擇或者設計各種類型的恒電位儀電路[2]。

本系統采用的恒電位儀電路結構如圖2所示，它主要由三個電極體系、運算放大器樣品溶液和反饋電阻四個部分構成。其中三電極體系由工作電極WE、參比電極RE和對電極CE組成。單片機D/A輸出控制電壓o至恒電位儀的參比電極RE，從對電極CE輸出電流；電流測量電路將工作電極WE控制在地電位(虛地)，并檢測流入WE的電流[3-4]。如圖2所示，可以看到A1處于反向放大，工作電極WE的電位由A3保持在虛地的狀態，因此工作電極WE和參比電極RE之間的電位差就保持在+o不變。放大器A2則作為一個電壓跟隨器存在，A3則測定流過工作電極WE的電流f進行I/V轉換，并輸出電壓。

圖2 恒電位儀結構圖

2.2 微電流測量基本原理

圖3 I/V轉換原理圖

但是，實際上應用中，并沒有完全理想的運算放大器，放大器的開環增益不是無窮大，同時也存在著偏置電流b和輸入失調電壓os的影響。所以實際I/V轉換的輸出為：

因此為了得到更好的測量效果，運算放大器應該滿足下面的要求：(1)偏置電流b?被測電流i；(2)反饋電阻f?輸入阻抗i；(3)共模抑制比CMRR高；(4)輸入失調電壓os小；(5)噪聲小。根據上述要求，本系統選擇了OPA129作為I/V轉換的運算放大器。該運算放大器的最大偏置電流為100 fA，最大的輸入失調電壓為2 mV，共模抑制比高達118 dB，非常適合微弱信號的放大，具體技術參數見表1。

表1 OPA129技術參數

測量電化學分析儀系統的微電流，一般采用電流負反饋的方法，它由一個運算放大器和一個反饋電阻組成I/V轉換電路[5-7](電流-電壓轉換電路)。其結構圖如圖3所示：o為輸出電壓；i為輸入電流；f為反饋電阻。當運算放大器處于理想的狀態下，該轉換電路的輸出為：

圖4 T型電路原理圖

2.3 檔位設計

圖5 反饋電阻分檔設計

表2 檔位與反饋電阻取值情況

2.4 抗干擾處理

(1)電源去耦。采用直流供電電源，該電源為公用電源，同時提供放大器、單片機和液晶顯示等器件的電源，因此要在放大電路的正負電源端串接RC退偶濾波電路[8]。同時為了減少電源對電路的干擾，還應將數字電源和模擬電源隔開。

(2)器件及PCB設計。電阻選用低噪聲的金屬膜電阻；電容選用低噪聲的云母或瓷質電容；PCB板最好選用高絕緣的電路板，如環氧玻璃板；輸入信號線盡量短，采用聚四氟乙烯架空處理，放大器和電源部分周圍應敷銅接地，有效提高信噪比。

3 校準和實驗結果

校準前的測量實驗結果如圖6(a)所示，其偏差較大，最大偏差約為5 mV，即0.05 nA。校準之后的測量實驗結果如圖6 (b)，其偏差很小，最大偏差為1 mV，即0.01 nA。

4 結束

電化學分析儀系統中，微電流測量部分是極為重要的環節，本文詳細地對微電流的測量進行了設計、校準，實現了對pA～μA級的微電流快速、準確地測量，精度高，偏差小。同時也介紹了系統的其他部分結構，裝置簡單、直觀，滿足電化學分析實驗技術要求，具有一定的推廣價值。

圖6 微電流測量校準前后實驗結果

[1]姜智能.電化學工作站的研究與開發[D].南京：南京理工大學，2009.

[2]王俊.電化學分析系統中pA～μ A微電流測量[J].電子測量與儀器學報，2011,25(11):972-977.

[3]張欣，張玉林，劉國松.安培檢測器微電流信號檢測電路設計[J].山東大學學報：工學版，2005，35(6):198-201.

[4]姚毓升，謝永平，文濤.三電極電化學傳感器的恒電位儀設計[J].儀器儀表技術與傳感器，2009(9):23-25.

[5]王鍇，薛萊.高精度電流測量的一種解決方法[J].電源技術，2009, 33(4):304-306.

[6]胡庚，靳洋，楊士元，等.微型電化學系統中的微電流測量[J].微電子學與計算機，2009,26(6):1-4.

[7]王立新，傅崇崗.pA級微電流測量技術研究[J].儀表技術，1999 (4):34-36.

[8]劉小明，彭靜，劉濤.微弱電流測量中的I-F轉換電路的設計[J].蘭州交通大學學報，2011,30(3):99-102.

Micro-current measurements design in microcomputer control electrochemical system

XIAO Le,LIU Jue-min,XIANG Zeng,GUO Gang,QIN Pan

In order to improve the measuring accuracy and the data analysis speed of the electrochemical analyzer system,to optimize the structure of the system,the ADuC847 by single-chip microcomputer control of the electrochemical analyzer system of micro-current measurement design was introduced.The micro-current measurement principles,through the I/V switching,T circuit and the anti-interference,such as design,and using the high accuracy OPA129 op-amp to micro-current amplification were analyzed.The wide measuring range and high sensitivity were realized.pA～μA level micro-current could be quickly,accurately measured by the system.Then the measured results could be intuitive displayed.

electrochemical analyzer;micro-current measurement;ADuC847

TM 933

A

1002-087 X(2014)02-0327-02

2013-06-20

肖樂(1987—)，男，湖南省人，碩士生，主要研究方向為電力電子在電力系統的應用。