微机控制电化学系统中的微电流测量设计

肖乐，刘觉民，向增，郭刚，秦攀

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙 410082)

微机控制电化学系统中的微电流测量设计

肖乐，刘觉民，向增，郭刚，秦攀

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙 410082)

为提高电化学分析仪系统的测量精度和数据分析速度，优化系统的结构，介绍了由单片机ADuC847控制的电化学分析仪系统中的微电流测量设计，分析了微电流测量的原理，通过I/V转换、T型电路和抗干扰等设计，并使用高精度运放OPA129对微电流进行放大，实现了宽量程和高灵敏度。该系统可以快速、准确测量pA～μA级微电流，并能直观地显示测量结果。

电化学分析仪；微电流测量；ADuC847

微弱信号一般都是通过相应的传感器转变为微电流或者是微电压信号，然后经过放大器的放大，达到一定的幅值便于后续电路的处理，从而反映出被测量的大小，由此微电流的测量技术水平在某种程度上决定了其他的微弱信号的测量能力[1]。微电流的测量在物理学、医学和电化学等诸多方面都有着很多的应用，是电化学分析仪系统中最重要的组成部分之一。随着电子技术的发展，对于电化学分析系统中的微电流测量精度和测量的准确度，要求也越来越高。

本文研制了一套便携式的电化学分析仪系统装置，该系统基于单片机ADuC847控制，可以在直流和低频的条件下，通过对系统微电流测量部分的电路分析与设计，用恒电位法完成生物化学实验，实现对量程pA～μA级微电流和高准确度测量。

1 电化学分析仪系统结构

微机控制电化学分析仪系统整体结构如图1所示。系统结构主要包括了微电流的检测处理、单片机、键盘、液晶显示以及计算机的通信等几个部分。微电流检测处理包括恒电位仪、I/V转换和放大及滤波环节。单片机采用的是ADI公司的ADuC847，它是有单指令周期8052闪存MCU、自带24位Δ-∑A/D、12位D/A，该芯片的数据处理速度达12MIPS，且软件设计简单，噪声低，非常适用于本系统装置。单片机A/D转换是将滤波后的电压转换成数字信号进行处理，D/A转换输出电压扫描信号控制恒电位仪的参比电极RE电势的大小。键盘实现了本地操作命令的输入，液晶屏则显示系统的各项参数和工作状态。系统还可以和计算机通讯，方便将采集的数据保存和对系统的软件进行在线的修改。

图1 电化学分析仪系统结构

2 微电流测量电路

2.1 恒电位仪

恒电位仪整体说是一个负反馈放大——输出系统，运算放大器经过运算，使参比电极RE与工作电极WE之间的电位差，严格等于输入的指令信号电压。用运算放大器构成的恒电位仪，在电解池、电流取样电阻以及指令信号的连接方式上有很大灵活性，可以根据电化学测试的要求选择或者设计各种类型的恒电位仪电路[2]。

本系统采用的恒电位仪电路结构如图2所示，它主要由三个电极体系、运算放大器样品溶液和反馈电阻四个部分构成。其中三电极体系由工作电极WE、参比电极RE和对电极CE组成。单片机D/A输出控制电压o至恒电位仪的参比电极RE，从对电极CE输出电流；电流测量电路将工作电极WE控制在地电位(虚地)，并检测流入WE的电流[3-4]。如图2所示，可以看到A1处于反向放大，工作电极WE的电位由A3保持在虚地的状态，因此工作电极WE和参比电极RE之间的电位差就保持在+o不变。放大器A2则作为一个电压跟随器存在，A3则测定流过工作电极WE的电流f进行I/V转换，并输出电压。

图2 恒电位仪结构图

2.2 微电流测量基本原理

图3 I/V转换原理图

但是，实际上应用中，并没有完全理想的运算放大器，放大器的开环增益不是无穷大，同时也存在着偏置电流b和输入失调电压os的影响。所以实际I/V转换的输出为：

因此为了得到更好的测量效果，运算放大器应该满足下面的要求：(1)偏置电流b≪被测电流i；(2)反馈电阻f≪输入阻抗i；(3)共模抑制比CMRR高；(4)输入失调电压os小；(5)噪声小。根据上述要求，本系统选择了OPA129作为I/V转换的运算放大器。该运算放大器的最大偏置电流为100 fA，最大的输入失调电压为2 mV，共模抑制比高达118 dB，非常适合微弱信号的放大，具体技术参数见表1。

表1 OPA129技术参数

测量电化学分析仪系统的微电流，一般采用电流负反馈的方法，它由一个运算放大器和一个反馈电阻组成I/V转换电路[5-7](电流-电压转换电路)。其结构图如图3所示：o为输出电压；i为输入电流；f为反馈电阻。当运算放大器处于理想的状态下，该转换电路的输出为：

图4 T型电路原理图

2.3 档位设计

图5 反馈电阻分档设计

表2 档位与反馈电阻取值情况

2.4 抗干扰处理

(1)电源去耦。采用直流供电电源，该电源为公用电源，同时提供放大器、单片机和液晶显示等器件的电源，因此要在放大电路的正负电源端串接RC退偶滤波电路[8]。同时为了减少电源对电路的干扰，还应将数字电源和模拟电源隔开。

(2)器件及PCB设计。电阻选用低噪声的金属膜电阻；电容选用低噪声的云母或瓷质电容；PCB板最好选用高绝缘的电路板，如环氧玻璃板；输入信号线尽量短，采用聚四氟乙烯架空处理，放大器和电源部分周围应敷铜接地，有效提高信噪比。

3 校准和实验结果

校准前的测量实验结果如图6(a)所示，其偏差较大，最大偏差约为5 mV，即0.05 nA。校准之后的测量实验结果如图6 (b)，其偏差很小，最大偏差为1 mV，即0.01 nA。

4 结束

电化学分析仪系统中，微电流测量部分是极为重要的环节，本文详细地对微电流的测量进行了设计、校准，实现了对pA～μA级的微电流快速、准确地测量，精度高，偏差小。同时也介绍了系统的其他部分结构，装置简单、直观，满足电化学分析实验技术要求，具有一定的推广价值。

图6 微电流测量校准前后实验结果

[1]姜智能.电化学工作站的研究与开发[D].南京：南京理工大学，2009.

[2]王俊.电化学分析系统中pA～μ A微电流测量[J].电子测量与仪器学报，2011,25(11):972-977.

[3]张欣，张玉林，刘国松.安培检测器微电流信号检测电路设计[J].山东大学学报：工学版，2005，35(6):198-201.

[4]姚毓升，谢永平，文涛.三电极电化学传感器的恒电位仪设计[J].仪器仪表技术与传感器，2009(9):23-25.

[5]王锴，薛莱.高精度电流测量的一种解决方法[J].电源技术，2009, 33(4):304-306.

[6]胡庚，靳洋，杨士元，等.微型电化学系统中的微电流测量[J].微电子学与计算机，2009,26(6):1-4.

[7]王立新，傅崇岗.pA级微电流测量技术研究[J].仪表技术，1999 (4):34-36.

[8]刘小明，彭静，刘涛.微弱电流测量中的I-F转换电路的设计[J].兰州交通大学学报，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

肖乐(1987—)，男，湖南省人，硕士生，主要研究方向为电力电子在电力系统的应用。