(精品論文)微安培檢測(cè)器(畢業(yè)論文)

長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 引言 1.1 課題背景 分析化學(xué)是化學(xué)家最基礎(chǔ)的訓(xùn)練課題之一，化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)技術(shù)和基礎(chǔ)知識(shí)上的訓(xùn)練，皆 得力于分析化學(xué)。分析化學(xué)所用的方法可分為化學(xué)分析法和儀器分析法，而當(dāng)代分析化學(xué)則 著重于儀器分析。微型化和智能化是分析儀器發(fā)展的主要方向，這不僅因?yàn)樗梢蕴岣咝剩?節(jié)省開(kāi)支，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且排污少，是一種“綠色“技術(shù)。自從 1990 年由 Manz 提出“微 型全分析系統(tǒng)”(Micro Total Analysis System ,2TAS) 概念后,微型化、集成化與便攜 化成為分析儀器設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。 1.1.1 微流控芯片概述 微流控芯片（microfluidic chip）是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)（Miniaturized Total Analysis Systems）發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域，是微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要平臺(tái)。其裝置特征主要是其 容納流體的有效結(jié)構(gòu)（通道、反應(yīng)室和其它某些功能部件）至少在一個(gè)緯度上為微米級(jí)尺度。 由于微米級(jí)的結(jié)構(gòu)，流體在其中顯示和產(chǎn)生了與宏觀尺度不同的特殊性能，因此發(fā)展出獨(dú)特 的分析產(chǎn)生的性能。其產(chǎn)生的應(yīng)用目的是實(shí)現(xiàn)微全分析系統(tǒng)的終極目標(biāo)芯片實(shí)驗(yàn)室，目前 工作發(fā)展的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域是生命科學(xué)領(lǐng)域。 1 在眾多微型全分析系統(tǒng)器件中,毛細(xì)管電泳芯片具有分析速度快、樣品消耗量少、便于集 成化、自動(dòng)化和微型化等優(yōu)點(diǎn),有極高的學(xué)術(shù)和商業(yè)價(jià)值。上個(gè)世紀(jì) 90 年代, Manz、Harrison 、Ramsey、Mat hies 等人為毛細(xì)管電泳芯片領(lǐng)域的飛速發(fā)展打下了良好的 基礎(chǔ)。 2 隨著微電子微機(jī)械技術(shù)(micro electro-mechanical systems,MEMS)的發(fā)展,毛細(xì)管電泳 芯片取得了進(jìn)一步長(zhǎng)足的發(fā)展,對(duì)檢測(cè)技術(shù)靈敏度的要求就被提到了一個(gè)更為重要的位置,人 們期望改進(jìn)檢測(cè)技術(shù)以促使毛細(xì)管電泳芯片檢測(cè)系統(tǒng)向著微型化、集成化、自動(dòng)化及智能化 的方向發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)建立微全分析系統(tǒng)（micro total analysis system, -TAS）或縮 微芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab On a Chip,loc）的目標(biāo)。 1.1.2 毛細(xì)管電泳(CE)原理應(yīng)用與發(fā)展 毛細(xì)管電泳(capillary electrophoresis, CE)又叫高效毛細(xì)管電泳(HPCE), 是近年來(lái)發(fā) 展最快的分析方法之一。1981 年 Jorgenson 和 Lukacs 首先提出在 75m 內(nèi)徑毛細(xì)管柱內(nèi)用 高電壓進(jìn)行分離, 創(chuàng)立了現(xiàn)代毛細(xì)管電泳。1984 年 Terabe 等建立了膠束毛細(xì)管電動(dòng)力學(xué)色 譜。1987 年 Hjerten 建立了毛細(xì)管等電聚焦, Cohen 和 Karger 提出了毛細(xì)管凝膠電泳。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 19881989 年出現(xiàn)了第一批毛細(xì)管電泳商品儀器。短短幾年內(nèi), 由于 CE 符合了以生物工程 為代表的生命科學(xué)各領(lǐng)域中對(duì)多肽、蛋白質(zhì)(包括酶，抗體)、核苷酸乃至脫氧核糖核酸(DNA)的 分離分析要求, 得到了迅速的發(fā)展。 3 毛細(xì)管電泳( CE)是指以高壓電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力, 以毛細(xì)管為分離通道, 依據(jù)樣品中各組分 之間淌度和分配行為上的差異而實(shí)現(xiàn)分離的一類(lèi)液相分離技術(shù)。CE 最常見(jiàn)的儀器基本結(jié)構(gòu)如 圖 1-1 所示。 圖 1-1 毛細(xì)管電泳芯片設(shè)計(jì)示意圖 毛細(xì)管電泳 (CE) 除了比其它色譜分離分析方法具有效率更高、速度更快、樣品和試劑 耗量更少、應(yīng)用面同樣廣泛等優(yōu)點(diǎn)外, 其儀器結(jié)構(gòu)也比高效液相色譜 (HPLC) 簡(jiǎn)單。CE 只需 高壓直流電源、進(jìn)樣裝置、毛細(xì)管和檢測(cè)器。前三個(gè)部件均易實(shí)現(xiàn), 困難之處在于檢測(cè)器。 特別是光學(xué)類(lèi)檢測(cè)器, 由于毛細(xì)管電泳溶質(zhì)區(qū)帶的超小體積的特性導(dǎo)致光程太短, 而且圓柱 形毛細(xì)管作為光學(xué)表面也不夠理想, 因此對(duì)檢測(cè)器靈敏度要求相當(dāng)高。 1.2 毛細(xì)管電泳芯片（CE）檢測(cè)器分類(lèi) 檢測(cè)是毛細(xì)管電泳發(fā)展的核心問(wèn)題之一。如何體現(xiàn)毛細(xì)管電泳的優(yōu)良性能與高靈敏檢測(cè) 密切相關(guān)。毛細(xì)管電泳自身特點(diǎn)要求與其聯(lián)用的檢測(cè)器必須有較小的體積和較高的靈敏度。 1.2.1 檢測(cè)器分類(lèi) 目前，商品化儀器通用的檢測(cè)方法仍是紫外可見(jiàn)檢測(cè)器，但由于毛細(xì)管孔徑小，進(jìn)樣量 極低(nL)，導(dǎo)致光度檢測(cè)的靈敏度較低。熒光檢測(cè)器雖然靈敏度高，選擇性好，但僅適合于 具有熒光或易于進(jìn)行熒光衍生的物質(zhì)，使其通用性受限。毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用靈敏度高， 專屬性強(qiáng)，能提供分子結(jié)構(gòu)信息，是 CE 較為理想的一種監(jiān)測(cè)器，但是價(jià)格昂貴。其它的檢 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 測(cè)方法還有激光光熱法、放射分析法、示差折光法等。與上述檢測(cè)方法相比，電化學(xué)檢測(cè)有 其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，其質(zhì)量檢測(cè)限低，線性范圍寬，選擇性好，與 CE 聯(lián)用不僅可滿足分析微量 樣品時(shí)靈敏度的要求，而且設(shè)備簡(jiǎn)單、儀器造價(jià)低廉，便于推廣使用。電化學(xué)檢測(cè)對(duì)于大多 數(shù)易于氧化還原物質(zhì)的濃度檢測(cè)限可達(dá)mol/L(質(zhì)量檢測(cè)限可達(dá) f/mol-a/mol )。 9 10 4 根據(jù)電化學(xué)檢測(cè)原理的不同，目前在毛細(xì)管電泳芯片分析系統(tǒng)中所采用的電化學(xué)檢測(cè)器 主要有安培檢測(cè)器、電導(dǎo)檢測(cè)器和電位檢測(cè)器。其中安培檢測(cè)具有靈敏度高、選擇性好、線 性范圍寬、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是它僅能檢測(cè)電活性物質(zhì)。本論文就是采用該檢測(cè) 方法。 1.2.2 安培檢測(cè) 本文設(shè)計(jì)的微型檢測(cè)器采用的是安培檢測(cè)方法所謂安培檢測(cè)法就是指對(duì)流出毛細(xì)管的電 活性組分，根據(jù)其在微電極上的氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的電流來(lái)進(jìn)行測(cè)定的方法。安培檢測(cè)法 是微系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)，它檢出限低、選擇性高，適用于電活性物質(zhì) 的痕量測(cè)定。安培檢測(cè)作為毛細(xì)管電泳芯片檢測(cè)的主要手段，因靈敏度高而得到了快速的發(fā) 展。 3 安培檢測(cè)器具有很多優(yōu)點(diǎn): 它的檢出限一般低于 10mol /L，且對(duì)各類(lèi)電活性物質(zhì)靈敏 7 度差別很小。但一般只對(duì)電活性物質(zhì)有響應(yīng)，適用于電活性物質(zhì)的痕量測(cè)定，而不受非電活 性物質(zhì)的干擾。由于每種物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)電位不同，對(duì)于具有不同電極電位的物質(zhì)，只 要在電解池的兩極間施加不同的電壓，就可控制電極反應(yīng)，有較高的選擇性。 安培檢測(cè)器的測(cè)量原理本身也決定了它固有的局限性與不足:首先它不是通用的檢測(cè)方 法，它要求測(cè)定對(duì)象在所選用的電極上具有電化學(xué)活性，其次它采用的流動(dòng)相必須有常用濃 度范圍內(nèi) 0.01mol/L-0.1 mol/L 的電解質(zhì)存在，且安培檢測(cè)器對(duì)流動(dòng)相的流速、溫度、PH 值 等因素的變化比較敏感。 1. 3 論文的研究目的及主要研究?jī)?nèi)容 本論文的主要任務(wù)是為毛細(xì)管電泳芯片設(shè)計(jì)基于微處理器的安培檢測(cè)器。檢測(cè)器采用電 化學(xué)分析儀器中典型的基于恒電位儀的三電極傳感器；由于安培檢測(cè)的檢測(cè)電流一般在 nA 級(jí)甚至更小，所以在采集微弱電流設(shè)計(jì)，需設(shè)計(jì)精確放大電路，并經(jīng)濾波和 A/D 轉(zhuǎn)換后送入 MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 論文的第二章主要介紹微安培檢測(cè)器的基本工作原理，提出微安培檢測(cè)器設(shè)計(jì)的整體構(gòu) 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 想，給出系統(tǒng)原理框圖，并對(duì)其設(shè)計(jì)性能實(shí)現(xiàn)做簡(jiǎn)要的闡述。 論文的第三章則就微毛細(xì)管電泳芯片安培檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題-恒電位儀的設(shè)計(jì)做 了進(jìn)一步詳細(xì)研究，明確的提出了這些核心問(wèn)題的解決方案。 論文第四章詳細(xì)的介紹微控制器系統(tǒng)及其外圍硬件的設(shè)計(jì)。依照總體方案，設(shè)計(jì)出以 ARM 微控制器為核心的系統(tǒng)主控制器，具體包括硬件平臺(tái)的搭建、通用接口和人機(jī)交互接口 等模塊的硬件設(shè)計(jì)-程控電壓源、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、LCD 實(shí)時(shí)顯示電路、串口電路、自動(dòng)增益 控制電路、按鍵及報(bào)警電路等。 論文第五章為微安培檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。分析微毛細(xì)管電泳芯片安培檢測(cè)器測(cè)控軟件的 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)實(shí)現(xiàn) ARM 控制器的主要軟件功能設(shè)計(jì)。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2 微安培檢測(cè)器總體設(shè)計(jì)方案的確定 2.1 安培檢測(cè)器的基本工作原理 安培檢測(cè)法是在外加電壓的作用下，根據(jù)待測(cè)物在工作電極表層上發(fā)生氧化反應(yīng)或還原 反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的氧化電流或還原電流對(duì)待測(cè)物進(jìn)行定量的一種檢測(cè)方法。它是微系統(tǒng)中應(yīng)用 最廣泛的一種電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)，它采用電極作為傳感器，直接將溶液中待測(cè)組分的化學(xué)信號(hào) 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。 假設(shè)由工作電極和參比電極組成的電解池中有被測(cè)組分 A，在工作電極和參比電極間逐 漸改變外加電壓。組分 A 在陽(yáng)極表面上可能發(fā)生下列反應(yīng): AB+ne （式 2.1） 電解反應(yīng)可用 Nernst 方程表示: E=E +lg （式 2.2） app0 2 059 . 0 A B 式中，Eapp 為外加電壓，A、B分別為反應(yīng)物和生成物在電極表面上的濃度。對(duì)這個(gè) 電解反應(yīng)有三種可能的情況: I)外加電壓 Eapp E 時(shí)，電解反應(yīng)還在進(jìn)行，電極表面BA, A0。 0 在電化學(xué)檢測(cè)池中所產(chǎn)生的電流是溶液中的分子在工作電極表面發(fā)生氧化或還原的電解 反應(yīng)得到的。式 2.2 是一個(gè)氧化反應(yīng)的模型，電子從待測(cè)活性物質(zhì)分子轉(zhuǎn)移到工作電極上， 產(chǎn)生正的陽(yáng)極電流；同樣，發(fā)生還原反應(yīng)，電子從工作電極表面轉(zhuǎn)移到電活性分子上，產(chǎn)生 負(fù)的陰極電流。在電極表面上電子轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的電流符合法拉第定律: Q=nFN (式 2.3) 式中，n 為每摩爾電活性物質(zhì)在電極反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，F(xiàn) 為法拉第常數(shù)，N 為發(fā)生電 極反應(yīng)時(shí)的電活性物質(zhì)的量(mol )為電荷量。電極反應(yīng)的電流為: i= (式 2.4) dt dN nF dt dQ 此式將一個(gè)可測(cè)量的電流 i 與電極表面產(chǎn)生的基本氧化一還原過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，可見(jiàn)測(cè)得 的 i 與每種電活性物質(zhì)在電極上轉(zhuǎn)移的電子數(shù) n 成正比，也與通過(guò)電極表面與其反應(yīng)的活性 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 物質(zhì)濃度 dN/dt 成正比，這就是安培檢測(cè)法的原理。 2.2 三電極傳感器的設(shè)計(jì) 研究電極上電子的運(yùn)動(dòng)是電化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)，為了分別對(duì)電池或電解池的陰極、陽(yáng)極發(fā) 生的反應(yīng)進(jìn)行觀察需用到三電極體系，通常三電極體系包括：確定研究工作界面的工作電極， 保持恒定參考電位的參考電極以及提供電流的對(duì)電極。 2.2.1 檢測(cè)方式的選擇 安培檢測(cè)器的微電極所能測(cè)到的法拉第電流一般在納安級(jí)甚至更小。因此消除或減小分 離電壓對(duì)安培檢測(cè)的干擾是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。根據(jù)隔離分離電壓的方式，安培檢測(cè)器分 為離柱式和柱端式兩種，離柱安培檢測(cè)器雖然一定程度地降低了檢測(cè)噪音，但是接口制 65 ， 作繁瑣、存在區(qū)帶變寬現(xiàn)象、分離電壓和電流難以達(dá)到完全接地的狀態(tài)，因此多采用柱端型 安培檢測(cè)器。 然而采用這種方式時(shí)，對(duì)終端安培檢測(cè)器的工作電極與毛細(xì)管通道的對(duì)準(zhǔn)的液流方向提 出了很高的要求。按流出通道后的液流方向與工作電極的相對(duì)位置，將芯片毛細(xì)管電泳-柱 端安培檢測(cè)池分為流經(jīng)式、流向式和流通式。如圖 2-1 所示： 5 圖 2-1 檢測(cè)池結(jié)構(gòu)示意圖 2.2.2 電極材料的選擇 安培檢測(cè)器的性能很大程度上取決于所選擇的工作電極的材料。目前在芯片毛細(xì)管電泳 安培檢測(cè)器中使用較多的工作電極為碳電極、金屬電極及化學(xué)修飾電極。 在金屬電極上具有電活性的物質(zhì)相對(duì)較少,大量的由 CE 分離出的組分,尤其是一些生物 分子在此類(lèi)電極上或因超電勢(shì)太高或缺乏電活性而無(wú)法檢測(cè)。化學(xué)修飾電極和微電極的安置 技術(shù)在很大程度上可解決此類(lèi)問(wèn)題,進(jìn)一步擴(kuò)大了安培檢測(cè)的范圍和適用性。化學(xué)修飾電極 有:Hg 修飾微電極 ,化學(xué)修飾碳糊微電極,金屬顆粒修飾微電極,表面分子膜修飾微電極。 2.2.3 電極安置的具體設(shè)計(jì) 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 大部分安培檢測(cè)器的工作電極均直接制作在芯片上，形成集成化的分離檢測(cè)系統(tǒng)，體積 小、集成度高、適合于批量生產(chǎn)。但這樣的集成化電極一旦鈍化后不易清洗或更換，僅適合 于一次性使用。 W ang 等研制了可更換的流向式工作電極。條狀碳膜工作電極篩印在統(tǒng)一尺寸的氧化鋁 陶瓷片上，將帶有工作電極的陶瓷片在分離通道的垂直方向插入芯片尾端特制的有機(jī)玻璃電 極定位槽中，碳膜工作電極即可對(duì)準(zhǔn)通道的出口。電極鈍化后，更換一片新的帶有篩印碳膜 電極的陶瓷片即可，這里采用方形和圓形兩種工作電極，其特征尺寸為 100900 m、工 6 作電極與對(duì)電極間距為 50200m。如圖 2-2 所示 圖 2-2 垂直可更換式篩印厚膜碳電極和芯片毛細(xì)管電安培檢測(cè)裝置示意圖 2.3 微安培檢測(cè)器的總體設(shè)計(jì)方案 2.3.1 系統(tǒng)工作過(guò)程及系統(tǒng)原理框圖 本系統(tǒng)主要工作過(guò)程是：待測(cè)物質(zhì)經(jīng)過(guò)樣品制備和生化反應(yīng)后注入毛細(xì)管電泳芯片，并 在芯片上進(jìn)行組分分離與結(jié)果檢測(cè)。 首先在緩沖液池內(nèi)加入適當(dāng)?shù)木彌_液，并施加一定的壓力，使其充滿整個(gè)通道；在樣品 池內(nèi)加入適量的樣品，并在余下的貯槽中加入緩沖液。然后將施加分離電壓的電極放入四個(gè) 池里，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品的引入和分離。分離后的溶液進(jìn)入毛細(xì)管電泳分離通 道的末端檢測(cè)池，置入檢測(cè)池中的三電極傳感器可直接將溶液中待測(cè)組分的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?電信號(hào)。傳感器電極所需的檢測(cè)電位一般在5V 內(nèi)，可以使用基于 D/A 轉(zhuǎn)換器的程控電壓源 來(lái)提供，并通過(guò)恒電位儀電路使這個(gè)電位保持恒定后施加在參比電極與工作電極之間。工作 電極上會(huì)產(chǎn)生氧化電流或還原電流，通常檢測(cè)電流一般在 nA 級(jí)甚至更小(通常在幾百 pA 到 幾十 nA 之間)。將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓放大、濾波后獲得 A/D 轉(zhuǎn)換輸入范圍 內(nèi)的電壓） 。最后通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換采樣檢測(cè)數(shù)據(jù)，送入微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行 LCD 實(shí)時(shí) 顯示并通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信與數(shù)據(jù)處理。當(dāng)檢測(cè)結(jié)束或超出檢測(cè)范圍時(shí)，可以進(jìn)行聲 光報(bào)警。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 根據(jù)以上工作過(guò)程確定了系統(tǒng)的總體構(gòu)架，其系統(tǒng)的原理框圖如圖 2-3 所示 ARM7 微控制器 A/D轉(zhuǎn)換濾波電路 三電極傳感器 恒電位儀 鍵盤(pán) LCD顯示電 路 聲光報(bào)警 串口電路 送至上位機(jī) 程控電源 自動(dòng)增益 電路 圖 2-3 檢測(cè)裝置的整體設(shè)計(jì)原理框圖 2.3.2 系統(tǒng)微控制器的選擇 系統(tǒng)的微控制器采用 ARM 微控制器 LPC2131， ARM 是 32 位處理器,與普通的 8 位 51 單 片機(jī)相比,其處理效率要高很多。硬件方面，LPC2131 的資源比 51 系列單片機(jī)豐富得多。在 8 位 51 單片機(jī)中，大多要進(jìn)行外擴(kuò)。LPC2131 帶有豐富的外設(shè)接口,比如串口、USB、網(wǎng)口等， 可以方便的與上位機(jī)進(jìn)行通信并實(shí)現(xiàn)嵌入式操作。在軟件方面，引入了操作系統(tǒng)。在后期的 開(kāi)發(fā)中，可以在操作系統(tǒng)上直接開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，并引入進(jìn)程的管理調(diào)度系統(tǒng)，使系統(tǒng)運(yùn)行更 加高效。 2.4 微安培檢測(cè)器的主要性能指標(biāo) 1）檢測(cè)電位控制范圍：5V； 2）檢測(cè)電位控制精度：2.44mV； 3）電流測(cè)量范圍：nA 級(jí)甚至更?。ㄍǔＴ趲装?pA幾十 nA 之間）； 4）輸出電流：最大1A； 5）參比電極輸入阻抗：1012； 6）信號(hào)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集：12 位串行 D/A、A/D 轉(zhuǎn)換器。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 3 安培檢測(cè)系統(tǒng)核心問(wèn)題恒電位儀的設(shè)計(jì) 在所有研究電極反應(yīng)的試驗(yàn)中，精確控制或測(cè)量電位、電量或電流是實(shí)驗(yàn)的基本要求， 恒電位儀是電化學(xué)測(cè)試中最重要的儀器。恒電位儀不但可用于各種電化學(xué)測(cè)試中，而且它也 是一種重要的金屬制品(主要是鐵)陰極防腐保護(hù)裝置，通過(guò)控制使被保護(hù)的金屬制品始終處 于某一電位，從而防止金屬制品離子腐蝕。它還可用來(lái)控制恒電流或進(jìn)行各種電流波形的極 化測(cè)量。電流-電位曲線，即極化曲線的測(cè)定，一般也是用恒電位儀法。 3.1 恒電位儀的工作原理 恒電位儀是指由它控制電極電位為指定值，以達(dá)到恒電位極化的目的。若給以指令信號(hào)， 則可使電極電位自動(dòng)跟蹤指令信號(hào)而變化。譬如，將恒電位儀配以方波、三角波或正弦波發(fā) 生器，就可使電極電位按照給定的波形發(fā)生變化，從而研究電化學(xué)體系的各種暫態(tài)行為。 恒電位儀電路必須滿足兩個(gè)條件:一是具有基準(zhǔn)電位(也稱給定電位)，使恒電位值可調(diào)。 二是滿足恒電位儀的調(diào)節(jié)規(guī)律，也就是當(dāng)電路的參數(shù)變化時(shí)，如電源電壓變化或由于電化學(xué) 變化的延續(xù)引起的電極電位漂移，恒電位應(yīng)具有自動(dòng)調(diào)節(jié)能力。自動(dòng)調(diào)節(jié)電位必須向電位偏 移的反方向進(jìn)行，才能使電極電位保持恒定。 由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很高(104)，故用它組成的恒電位儀可達(dá)到很高的精度。 另一方面運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間很短，因而恒電位儀的調(diào)節(jié)過(guò)程很快。恒電位儀的調(diào)節(jié)靠深 度電壓負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn),也就是將部分輸出電壓饋入放大器倒相輸入端，放大器用來(lái)將輸入端 之間的電位差保持在零。在這些輸入端之間出現(xiàn)的任何誤差（+）被放大而給出輸出-AV ,它可使誤差+減小而回到零。在實(shí)際裝置靈敏度極限內(nèi)，輸出電壓準(zhǔn)確的跟蹤著輸入VV 電壓。從而使參比電極與工作電極之間的電位差(R-w)嚴(yán)格等于輸入的指令信號(hào)電壓Ui . 用運(yùn)算放大器構(gòu)成的恒電位儀，在電解池電流取樣電阻以及指令信號(hào)的連接方式上有較強(qiáng)的 靈活性?？梢愿鶕?jù)電化學(xué)測(cè)試的具體要求，選擇設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的恒電位電路。 7 3.2 恒電位儀的基本結(jié)構(gòu) 3.2.1 簡(jiǎn)單恒電位儀 圖3-1給出了最簡(jiǎn)單的一種，雖然它很少有實(shí)用價(jià)值，確概述了有關(guān)原理。圖中電化學(xué) 池被近似化為一種溶液電阻與雙層電容串聯(lián)的極為簡(jiǎn)單的等效電路?？梢钥吹竭@一裝置只是 一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓跟隨器，它將RE和WE間的輸出電壓保持在程序設(shè)定的電位E。處于接地電位 的工作電極相對(duì)于參比電極有一個(gè)-E的電位。因此輸入電壓在電池中被倒了相。在這一回路 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 中也沒(méi)有測(cè)量通過(guò)電池的電流的裝置，且恒電位儀在任何時(shí)候都不能加上多于一個(gè)單位的信 息。 7 圖3-1 簡(jiǎn)單恒電位儀 圖3-2給出了一種更好的設(shè)計(jì)，暫時(shí)忽略放大器2和3，可以看到放大器1在倒相加法器結(jié) 構(gòu)中是控制放大器。此電路用來(lái)保持累加點(diǎn)S處于虛地，這樣可設(shè)定電位E 和E 在參比電極 12 和接地之間進(jìn)行倒相、累加和控制 。工作電極的電位由放大器3保持虛地狀態(tài)，這樣工作電 極相對(duì)于參比電極的電位為+（E +E ），在這種恒電位儀中沒(méi)有符號(hào)轉(zhuǎn)化。在電化學(xué)系統(tǒng)中 12 反饋回路含有參比電路，和恒電位儀的輸入電流不能大到足以極化這一電極。通過(guò)在反饋回 路中包括一個(gè)電壓跟隨器作為阻抗匹配單元就做到了這一點(diǎn)。這樣參比電極上的電流可只歸 之于運(yùn)算放大器的輸入阻抗和輸入偏流。放大器3形成了電流跟隨器電路的基礎(chǔ)，用來(lái)測(cè)定 流過(guò)電池的電流 ，并使之以電壓的形式顯示出來(lái)，簡(jiǎn)單的表示為iR。 f 7 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖3-2 加和結(jié)構(gòu)工作的恒電位儀 3.2.2 本文采用的恒電位儀結(jié)構(gòu) 圖3-3為本文采用的恒電位儀結(jié)構(gòu)，圖中在控制放大器的反饋回路中放置一電阻器，并 用差分放大器測(cè)量它兩端的電壓，電壓跟隨器用作阻抗變換器，同時(shí)可防止電化學(xué)池電流對(duì) 地的分流。如果這些是FET運(yùn)算放大器，R就可能大到1M，R兩端產(chǎn)生的電位由差分放大 f f 器進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)R = R =R =R 時(shí)，電流由Eout/R給出。但應(yīng)注意選擇的R不能超過(guò)恒電 1234ff 位儀的輸出電壓限。對(duì)理想的差分放大器，E只與（E -E ）有關(guān)，而與相對(duì)于地的輸入電位 12 絕對(duì)值無(wú)關(guān)。相關(guān)計(jì)算公式如下： 7 Eout= (式3.1) 1 1 2 2 43 4 1 2 )1 (E R R E RR R R R 當(dāng)R = R =R =R 時(shí) 1234 Eout=E - E I= (式3.2) 21 f R Eout 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖3-3 利用差分放大器結(jié)構(gòu)測(cè)量電流 3.3 恒電位儀的性能要求 3.3.1 負(fù)載特性： 即控制精確度或恒電位儀的跟隨能力。電化學(xué)研究用的恒電位儀要求控制電位的精確度 一般為毫伏級(jí)(通常1 mV)，輸出電壓一般超過(guò)l0V，電流的變化為安培級(jí)，控制電位的 可調(diào)范圍約4V。因此，要求組成恒電位儀的運(yùn)算放大器漂移小、噪聲低、增益高、共模抑 制比大。 7 3.3.2 輸入阻抗： 恒電位儀的輸入阻抗問(wèn)題，實(shí)際上是參比電極可以允許流過(guò)多少電流的問(wèn)題。流過(guò)參比 電極的電流是研究電極與輔助電極之差，它可能引起參比電極極化甚至鈍化，并在參比電極 Luggin毛細(xì)管產(chǎn)生歐姆電位降，影響恒電位儀的精確度。因此，一般恒電位儀的輸入電流上 限為0.1uA，即流經(jīng)參比電極的電流要小于10A，或者說(shuō)恒電位儀的輸入電阻要大于 7 10，這樣才能保證恒電位儀的控制精度在毫伏級(jí)。為了提高輸入阻抗，常采用場(chǎng)效應(yīng)管 7 作輸入級(jí)的運(yùn)算放大器，采用電壓跟隨器和偏置電流補(bǔ)償電路也可提高放大器的輸入阻抗。 7 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 3.4 恒電位儀的器件選擇與參數(shù)計(jì)算 3.4.1 控制放大器的電路的選擇 恒電位儀中的主控制放大器實(shí)質(zhì)是一種工作在深度負(fù)反饋下的直流放大器，根據(jù)性能要 求，需選用一種高精度、輸入失調(diào)電壓漂移小、噪聲低、共模抑制比大的運(yùn)算放大器。 經(jīng)比較選用運(yùn)放 OP07 符合上述主控制放大器的性能要求:輸入失調(diào)電壓溫漂 0.7mV/0C、輸入失調(diào)電流溫漂 12pA/0C、共模抑制比 110 dB 等。OP07 是雙電源供電，使用 溫度范圍為 0-70 C，可采用 200k 可調(diào)電位器對(duì) OP07 調(diào)零。其應(yīng)用電路如圖 3.4 所示。 8 圖 3-4 OP07 應(yīng)用電路 3.4.2 電壓跟隨器的設(shè)計(jì) 安培檢測(cè)的檢測(cè)電流通常在 pA-nA 級(jí)，因此運(yùn)算放大器應(yīng)選擇具有極為低的輸入偏流， 因?yàn)檫@是測(cè)量中誤差的主要來(lái)源。若放大器的輸入偏置電流與信號(hào)電流量級(jí)相同，則信號(hào)將 被偏流所淹沒(méi)。因此，參比電極電路應(yīng)具有高的輸入阻抗、極小的輸入電流。 這里采用同相電壓跟隨器作為阻抗變換單元，利用 FET 輸入阻抗高的特點(diǎn)可使輸入電阻 達(dá)到（10 -10），本設(shè)計(jì)選用 LF357，集成運(yùn)放 LF357 的輸入級(jí)是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，其 912 輸入阻抗為 10，具有比較高的轉(zhuǎn)換速率-SR= 5V/us。該運(yùn)放要求雙電源供電，供電電壓的 12 極限值為18V，使用溫度范圍為 0-70C，其典型應(yīng)用電路如圖 3-5 所示： 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖3-5 LF357 同相高阻抗電壓跟隨器 3.4.3 信號(hào)前置放大器的設(shè)計(jì) 電化學(xué)池輸出的直流電信號(hào)極為微弱，量程范圍在 nA 級(jí)甚至更小。放大器的漂移以及 電路中的噪聲將是影響測(cè)量精度、靈敏度的重要因素，降低噪聲的方法主要還是從電路方面 考慮。根據(jù)傳感器的噪聲和阻抗特性設(shè)計(jì)好前置放大器是信號(hào)通道中低噪聲放大的關(guān)鍵。 數(shù)據(jù)放大器是一種閉環(huán)的差分電壓增益器件。它與集成運(yùn)算放大器的主要區(qū)別就在于數(shù) 據(jù)放大器是一種閉環(huán)的電壓放大器件，它的性能都是在閉環(huán)情況下表現(xiàn)出來(lái)的。數(shù)據(jù)放大器 具有相當(dāng)高的差模輸入阻抗和共模輸入阻抗，這就允許了傳感器的輸出阻抗可以不為零，信 號(hào)源阻抗可以不平衡。同時(shí)它有相當(dāng)?shù)偷钠秒娏骱褪д{(diào)電流，而這兩者電流又是相當(dāng)穩(wěn)定 的，因此數(shù)據(jù)放大器并不要求有恒定的信號(hào)源阻抗，這就使得其可以與各種傳感器相連接。 數(shù)據(jù)放大器的共模抑制比是相當(dāng)高的，因此噪聲的拾取、地回路的壓降、使用遠(yuǎn)端傳感器時(shí) 引線電阻產(chǎn)生的電壓降等效應(yīng)都能得到減小。 10 通過(guò)性能比較，本設(shè)計(jì)選用美國(guó) AD 公司的數(shù)據(jù)放大器 AD524 。AD524 是一種精密數(shù)據(jù) 放大器，用于惡劣工作條件下要求高精度數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場(chǎng)合。由于高線性度、高共模抑制比、 低失調(diào)電壓漂移和低噪聲特性完美結(jié)合，使 AD524 適用于許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)放大器 AD524 可不需要任何外接元件，只通過(guò) RG:與 G10, G100, G1000 引腳的不同組合連接而獲得 1, 10, 100, 1000 的固定增益。使用數(shù)據(jù)放大器 AD524 作為前置放大器，簡(jiǎn)化了安培檢測(cè) 器的電路設(shè)計(jì)，其優(yōu)良的性能保證了電路的精度與穩(wěn)定性。 11 1)AD524 的主要性能： -雙電源供電:最高可達(dá)18V； 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 -輸入失調(diào)電壓:50 u V(最大)； -輸入失調(diào)電壓漂移:0.5uV/ C； -增益誤差:最大:0.05% (G=1)，最大:2% (G=1000)； -共模抑制比：大于 90dB(G=1),120dB(G=1000)； -增益帶寬乘積:25MHz； -建立時(shí)間:15 us； -低噪聲:0.3 uVp-p, 0.1-10Hz； 2)極限參數(shù) -電源電壓：18V； -內(nèi)部功耗：450mW； -輸入電壓：(任一端同時(shí)輸入) |V|+|V |36V； ins -貯存溫度范圍：(R)65+ 125 C (D, E)65+150 C 3）其典型應(yīng)用電路如圖 3-6 所示： 圖 3-6 AD524 典型應(yīng)用電路 3.4.4 濾波電路的設(shè)計(jì) 對(duì)信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，信號(hào)的最高頻率應(yīng)為采樣頻率 f 的 1/2 以下。若輸入其上的頻 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 率信號(hào)，則 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生誤差。采樣頻率很高時(shí)，可以使用高速，高精度 A/D 轉(zhuǎn)換 器，但這樣的 IC 價(jià)格高。截止頻率通常接近采樣頻率的 1/2，可以在 A/D 轉(zhuǎn)換器的前面接入 衰減特性陡峭的濾波器，這種濾波器稱為防混淆濾波器。 這里要求使用高次濾波器，但對(duì)于普通的 LPF，由于 RC 元件誤差引起的增益-頻率特性 變化較大，因此，LPF 不適用于這種用途。這時(shí)方便使用的是 LC 模擬濾波器，它是用有源元 件實(shí)現(xiàn) LC 元件功能的 GIC 電路結(jié)構(gòu)的濾波器。其特征是 RC 元件誤差對(duì)增益-頻率的影響不 大。 圖 3-7 給出 GIC（Generalizied Impedance Connverter）電路。GIC 一般也稱為阻抗變 換電路。使用關(guān)系式 Z=可得到任意的阻抗。內(nèi)部阻抗 Z -Z 使用電阻與電容，但 in5 42 31 Z ZZ ZZ 15 Z 與 Z 或 Z 與 Z 雙方不能使用電容，其原因是為了使運(yùn)算放大器正常的工作，運(yùn)算放大 1234 器輸入所需要流經(jīng)直流偏置電流，而且要加直流負(fù)反饋。 12 圖 3-7 可實(shí)現(xiàn)任意阻抗的 GIC 電路 LC 濾波器的設(shè)計(jì)理論已經(jīng)確立了，因此根據(jù)書(shū)末文獻(xiàn)中記載的正規(guī)化表，選擇如圖 3-8 所示的 LC 濾波器。其次如圖所示，進(jìn)行各元件乘以 1/S 的變換操作，這種操作稱作布魯頓 變換操作。最后，用圖 3-9 所示 GIC 電路實(shí)現(xiàn) FDNR 元件功能。 12 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 3-8 5 次巴特沃茨 LPF 3-9 進(jìn)行布魯諾變換的巴特沃茨 LPF 給定截止頻率 f 與基準(zhǔn)電容 C，求出基準(zhǔn)電阻 R，乘以變換的 NLPF 常數(shù)，用 GIC 電路設(shè) 0 定負(fù)電阻 D。如圖 3-10 所示為完成設(shè)計(jì)的電路，圖中 R 和 R是為運(yùn)算放大器輸入提供的直 411 流偏置電流的電阻。 濾波電路的傳遞函數(shù)經(jīng)歸一化處理后如下式： G= (式 3.3) 1854 . 4 55 . 5 927 . 2 81 . 1 1 2345 SSSSS 圖 3-10 FDNR5 次巴特沃茨 LPF 3.5 微安培檢測(cè)器模擬電路設(shè)計(jì) 電路中除采用上述元器件外，所用電阻應(yīng)選擇溫度特性與頻率特性均較好的低噪聲、高 精度金屬膜電阻。由于濾波和相位校正引入的電容也會(huì)不可避免的帶來(lái)噪聲，因此應(yīng)盡量選 擇低噪聲電容，如云母或瓷介電容及漏電小的擔(dān)電容。各元件之間的參數(shù)需注意匹配問(wèn)題。 微安培檢測(cè)器模擬電路圖如圖 3-11 所示。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 3-11 微安培檢測(cè)器的模擬電路 4 基于 ARM7-LPC2131 微控制器的安培檢測(cè)器的硬件平臺(tái) 4.1 微控制器 LPC2131 的選用與其主要性能特點(diǎn) 在本次設(shè)計(jì)中選用 LPC2131 作為系統(tǒng)的微控制器，它是 32 位微控制器，并以很高的性 價(jià)比贏得了越來(lái)越多的用戶的青睞。隨著科技和工藝的進(jìn)步，32 位微控制器的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加凸 現(xiàn)出來(lái)，將會(huì)成為嵌入式系統(tǒng)的主流。 4.1.1 LPC2131 微控制器概述 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 LPC2131FBD64 微控制器是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的 16/32 位 ARM7TDMI-S CPU,并帶有 32kB 嵌入的高速 Flash 存儲(chǔ)器。128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用 16 位 Thumb 模 式將代碼規(guī)模降低超過(guò) 30%,而性能的損失卻很小。 較小的封裝和很低的功耗使 LPC2131FBD64 特別適用于訪問(wèn)控制和 POS 機(jī)等小型應(yīng)用中； 由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口和 8kB 的片內(nèi) SRAM,它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn) 換器、軟件 modem、語(yǔ)音識(shí)別、低端成像,為這些應(yīng)用提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強(qiáng)大的處理功能。 多個(gè) 32 位定時(shí)器、1 個(gè) 10 位 8 路的 ADC、10 位 DAC、PWM 通道、47 個(gè) GPIO 以及多達(dá) 9 個(gè)邊 沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)。 13 4.1.2 LPC2131 微控制器主要性能特點(diǎn)： - 16/32 位 ARM7TDMI-S 核,超小 LQFP64 封裝。 - 8kB 的片內(nèi)靜態(tài) RAM 和 32kB 的片內(nèi) Flash 程序存儲(chǔ)器。 - 128 位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 60MHz 工作頻率。 - 通過(guò)片內(nèi) boot 裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程/在應(yīng)用編程(ISP/IAP)。 - 單個(gè) Flash 扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為 400ms。 -256 字節(jié)行編程時(shí)間為 1ms。 - EmbeddedICE RT 和嵌入式跟蹤接口通過(guò)片內(nèi) RealMonitor 軟件對(duì)代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試和 高速跟蹤。 - 1 個(gè) 8 路 10 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器,共提供 16 路模擬輸入, 每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間低至 2.44us。 - 2 個(gè) 32 位定時(shí)器/外部事件計(jì)數(shù)器(帶 4 路捕獲和 4 路比較通道)、PWM 單元(6 路輸出) 和看門(mén)狗。 - 低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有獨(dú)立的電源和特定的 32kHz 時(shí)鐘輸入。 - 多個(gè)串行接口,包括 2 個(gè) 16C550 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) UART、2 個(gè)高速 I2C 總線(400 kbit/s)、 SPI 和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的 SSP。 - 向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級(jí)和向量地址。 - 小型的 LQFP64 封裝上包含多達(dá) 47 個(gè)通用 I/O 口(可承受 5V 電壓)。 - 多達(dá) 9 個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 - 通過(guò)片內(nèi) PLL(100us 的設(shè)置時(shí)間)可實(shí)現(xiàn)最大為 60MHz 的 CPU 操作頻率。 - 片內(nèi)集成振蕩器與外部晶體的操作頻率范圍為 130 MHz, 與外部振蕩器的操作頻率 范圍高達(dá) 50MHz。 - 低功耗模式：空閑和掉電。 - 可通過(guò)個(gè)別使能/禁止外部功能和外圍時(shí)鐘分頻來(lái)優(yōu)化功耗。 - 通過(guò)外部中斷或 BOD 將處理器從掉電模式中喚醒。 - 單電源,具有上電復(fù)位(POR)和掉電檢測(cè)(BOD)電路：CPU 操作電壓范圍：3.03.6 V (3.3 V10%),I/O 口可承受 5V 的電壓。 14 圖 4-1 LPC2131 管腳圖 4.2 LPC2131 微控制器電源電路 LPC2131 微控制器的內(nèi)核和 I/O 使用同一電源電壓，只需單電源 3.3V 供電。LPC2131 的 電源電路如圖 4-2 所示，由 USB 接口 U7 輸入 5V 直流電源，電感 L1 用于限制瞬態(tài)電流，經(jīng) C8、C9 濾波，然后通過(guò) SPX1117M-3.3 將電源穩(wěn)壓至 3.3V，即圖中所標(biāo) VDD3.3 處。當(dāng)正確 連接電源后，POWER 燈點(diǎn)亮。LPC2131 具有獨(dú)立的模擬電源引腳 VDDA、VSSA，即圖中所標(biāo) V3.3A 處。為了降低噪聲和出錯(cuò)率，模擬電源與數(shù)字電源應(yīng)該隔離。圖中的 L2、L3 就是用于 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 電源隔離的元件（將數(shù)字電源的高頻噪聲隔離） 。 15 圖 4-2 系統(tǒng)電源電路 SPX1117M3-3.3 是 Sipex 公司生產(chǎn)的 LDO 芯片，其特點(diǎn)為輸出電流大，輸出電壓精度高， 穩(wěn)定性高。SPX1117 系列 LDO 芯片輸出電流可達(dá) 800mA，輸出電壓的精度在以內(nèi)，還具%1 有電流限制和過(guò)熱保護(hù)功能，可廣泛應(yīng)用在手持式儀表，數(shù)字家電和工業(yè)控制等領(lǐng)域。使用 時(shí)，其輸出端通常需要一個(gè)至少 10uF 的鉭電容來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。實(shí)際上，用一個(gè) 更小的電容即可，實(shí)際電路用了一個(gè) 4.7uF 的鉭電容。 15 4.3 復(fù)位電路 由于 ARM 芯片的高速，低功耗和低電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對(duì)電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性 能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性和電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。本系統(tǒng)的復(fù)位電路 使用帶有 I C 存儲(chǔ)器的電源監(jiān)控芯片 CAT1025J1J-30，提高了系統(tǒng)的可靠性。其電路原理如 2 圖 4-3 所示： 圖 4-3 系統(tǒng)復(fù)位電路 在圖中，信號(hào) RESET 連接到 LPC2131 芯片的復(fù)位腳 RESET，當(dāng)復(fù)位鍵 RST 按下時(shí)， 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 CAT1025J1J-30 的 RESET 引腳立即輸出復(fù)位信號(hào)，使 LPC2131 芯片復(fù)位。 15 4.4 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 LPC2100 系列 ARM7 微控制器可使用外部晶振或外部時(shí)鐘源，內(nèi)部 PLL 電路可調(diào)整系統(tǒng)時(shí) 鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快（CPU 最大操作時(shí)鐘為 60MHZ） 。若不使用片內(nèi) PLL 功能及 ISP 下載 功能，則外部晶振頻率為 130MHZ,外部時(shí)鐘頻率為 150MHZ；若使用片內(nèi) PLL 功能或 ISP 下 載功能，則外部晶振頻率為 1025MHZ，外部時(shí)鐘頻率為 1025MHZ。 LPC2131 使用外部 11.0592MHZ 晶振，電路如圖 4-4 所示，用 11.0592MHZ 晶振的原因是 使串口波特率更精確，同時(shí)能支持 LPC2131 微控制器芯片內(nèi)部的 PLL 及 ISP 功能。 15 圖 4-4 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 4.5 JTAG 接口電路 本電路采用 ARM 公司提出的標(biāo)準(zhǔn) 20 腳 JTAG 仿真調(diào)試接口，JTAG 信號(hào)的定義與 LPC2131 的連接如圖 4-5 所示。 根據(jù) LPC2131 的應(yīng)用手冊(cè)說(shuō)明，RTCK 引腳接一個(gè) 4.7K的下拉電阻，使系統(tǒng)復(fù)位后 LPC2131 內(nèi)部的 JTAG 接口使能，這樣就可以直接進(jìn)行 JTAG 仿真調(diào)試。 15 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 4-5 JTAG 接口電路 4.6 程控電壓源的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用 D/A 轉(zhuǎn)換器技術(shù)為安培檢測(cè)器模擬電路中恒電位儀提供可控的給定電壓，由 LPC2131 微控制器控制 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出連續(xù)可調(diào)的電壓，實(shí)現(xiàn)恒電位儀的電源要求。V5 根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，需選擇 12 位高精度 D/A 轉(zhuǎn)換器，輸出電壓應(yīng)在范圍內(nèi)，同V5 時(shí)為節(jié)省口線，這里選擇串行輸入輸出模式，綜上經(jīng)比較后選擇 MAX532D/A 轉(zhuǎn)換器。 MAX532 是美國(guó) MAXIM Integrated Products 公司生產(chǎn)的一種雙路、串行輸入的 12 位 D/A 轉(zhuǎn) 換器，它是低功耗、電壓輸出雙電源12V15V 供電、16 引腳 DIP 封裝的 D/A 轉(zhuǎn)換芯片。 16 4.6.1 MAX532D/A 轉(zhuǎn)換器的主要性能特點(diǎn)及使用要點(diǎn)： 1)主要性能： -與 SPI, QSPI 和 Microwire 標(biāo)準(zhǔn)兼容 -緩沖電壓輸出 -INL=1/2LSB(最大) -溫度范圍內(nèi)保證單調(diào)的特性 -雙電源供電：12V15V -電壓輸出范圍： 12V(最大) -輸出驅(qū)動(dòng)能力：10mA 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 -建立時(shí)間：2.5us -上電復(fù)位 2)三線串行接口 MAX532 與 SFI 總線兼容，其內(nèi)部有一個(gè) 24 位串行至并行移位寄存器。雙路 12 位 DAC 通過(guò)寫(xiě)入 3 個(gè) 8 位字節(jié)給出模擬電壓輸出，這 24 位串行數(shù)據(jù)按從高位到低位順序被鎖存在 數(shù)據(jù)寄存器中，高 12 位給出 B 通道輸出電壓值，低 12 位給出 A 通道的輸出電壓值。 MAX532 可工作在 3線接口模式：是片選端，SCLK 信號(hào)是該移位寄存器的時(shí)鐘信號(hào)，CS DIN 則是它的數(shù)據(jù)移位輸入信號(hào)。SCLK 信號(hào)頻率最高可達(dá) 6.25MHZ。 當(dāng)高時(shí)，芯片未被選中，數(shù)據(jù)沒(méi)有更新；CS 圖 4-6 3線接口時(shí)序圖(= DGND )LDAC 當(dāng)為低時(shí)，每個(gè) SCLK 上升沿時(shí)，移位寄存器內(nèi)部數(shù)據(jù)向右移一位，DIN 上的數(shù)據(jù)移CS 入寄存器。 當(dāng)從低到高跳變時(shí)，將移位寄存器的高 12 位數(shù)據(jù)打入通道 B 的數(shù)據(jù)鎖存器，低 12CS 位數(shù)據(jù)打入通道 A 的數(shù)據(jù)鎖存器。 兩個(gè)通道數(shù)據(jù)鎖存器中的數(shù)據(jù)只是在移位完成后才被更新，在移位過(guò)程中，數(shù)據(jù)鎖存器 的數(shù)據(jù)將保持穩(wěn)定，從而保證了 D/A 輸出不受移位過(guò)程的干擾。在初上電源時(shí)，電路保證數(shù) 據(jù)鎖存器清零，因此開(kāi)機(jī)時(shí) D/A 輸出為零。 3)雙極性輸出接法 D/A 轉(zhuǎn)換器 MAX532 可實(shí)現(xiàn)單極性輸出，也可通過(guò)外接電路實(shí)現(xiàn)雙極性輸出。MAX532 實(shí) 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 現(xiàn)單極性輸出時(shí)，輸出電壓與輸入電壓有如下關(guān)系: （式 4.1) 4096 out REFA A VD V 其中：D 為 12 位數(shù)據(jù)，在 04095 之間變化； 在 D/A 轉(zhuǎn)換中，常用的二進(jìn)制雙極性信號(hào)表示法是偏移二進(jìn)制碼和補(bǔ)碼，在這里，我們 采用補(bǔ)碼 D/A 轉(zhuǎn)換。用補(bǔ)碼表示雙極性信號(hào)是把二進(jìn)制碼最高位作為符號(hào)位，并將符號(hào)位取 反，其余位作為數(shù)值位，這就相當(dāng)于把坐標(biāo)軸平移了半個(gè)滿量程值。因此，在 V輸出點(diǎn)后 outA 加上一個(gè)反相放大器用來(lái)抵消半個(gè)滿量程電壓，以實(shí)現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換芯片的雙極性輸出。雙極性 輸出電壓與輸入電壓有如下關(guān)系： =-() (式 4.2) 0 U REFAoutA V R R V R R 5 6 7 6 其中：R =20k, R =20k，R =10k，接入電路的位置如圖 4.2 所示。將 R 、 R 、R 的 567567 值代入式 4.2 中，得到式 4.3： (式 4.3) REFAREFAoutA V D VVU 2048 2048 )2( 0 由式 4.1 和式 4.3，我們推導(dǎo)出 D/A 轉(zhuǎn)換芯片單、雙極性輸出二進(jìn)制編碼表，如表 4.1 所示。 17 表 4-1 單、雙極性輸出編碼表 Bipolar Code Table Unipolar Code Table DAC Latch ContentsDAC Latch Contents MSB LSB Analog Output ,Vout MSB LSB Analog Output ,Vout 1111 1111 1111-Vin*(4095/4096)1111 1111 1111-Vin*(4095/4096) 1000 0000 0001-Vin*(1/2048)1000 0000 0000-Vin*(2048/4096) 1000 0000 00000V0000 0000 0001-Vin*(1/4096) 0111 1111 1111-Vin*(1/2018)0000 0000 00000V 0000 0000 0000-Vin*(2048/2048) 4.6.2 程控電源的電路設(shè)計(jì)圖 根據(jù) MAX532 的使用注意要點(diǎn)，設(shè)計(jì)5V 可調(diào)的程控電壓源電路如圖 4-7 所示。選用+5V 參考電壓，通過(guò)外接電路實(shí)現(xiàn)5V 雙極性輸出；采用 3線接口方式，將 MAX532 的 /CS、DIN、SCLK 分別與微控制器 LPC2131 的 P0.14、MOSI0 ( P0.6)和 SCK0 ( P0.4)連接； 同時(shí)， 15V 電源分別用兩個(gè)陶瓷電容 0.1uF, 10uF 旁路到地。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 4.7 程控電源接口電路 4.7 A/D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量范圍、精度、穩(wěn)定性和采樣速率的要求，要求輸入電壓范圍為 5V、位數(shù)為 12 位的串行 A/D 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)比較后采用美國(guó) MAX 公司制造的 MAX 176 模數(shù)轉(zhuǎn) 換芯片，它是一種功能齊全的單通道 12 位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它將快速的跟蹤/保持電路(最 大采樣時(shí)間為 0.4us) , 3.5us 的 ADC 以及掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)源組合在一起，能將-5V+5V 之間的模擬信號(hào)快速捕獲并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，采樣速率達(dá)到每秒 250k 次。該器件帶有串行 接口，封裝形式為 8 引腳的雙列直插封裝(DIP)或 16 引腳表面安裝的小型封裝，電源為+5V 和-12V-15V 的不對(duì)稱電源，典型功耗為 148mW。 16 4.7.1 MAX176 主要性能 1)主要性能： -12 位分辨率和線性度 -0. 4us 跟蹤/保持采樣時(shí)間. -3. 5us 最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 -250ksps 采樣速率 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 -與 SPI, QSPI 和 Microwire 兼容的串行輸出 -15V 的輸入電壓范圍 -片內(nèi)電壓基準(zhǔn)源 -低功耗(148mW) 2) MAX 176 的工作時(shí)序： MAX 176 用逐次逼近技術(shù)把未知的模擬輸入轉(zhuǎn)換為 12 位數(shù)字輸出代碼。數(shù)字接口只要有 三條數(shù)字線:時(shí)鐘輸入端 CLOCK、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入端 CONVST 和串行數(shù)據(jù)輸出端 DATA，以串行格 式提供轉(zhuǎn)換結(jié)果。.當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入端 CONVST 到來(lái)一個(gè)脈沖上升沿時(shí)，片內(nèi)的采樣保持器由 采樣模式轉(zhuǎn)變?yōu)楸３帜Ｊ?，保持住模擬輸入信號(hào)并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程，在 MAX 176 內(nèi)部時(shí)鐘電路 的控制下進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。CONVST 端要保持 4us 以上的高電平時(shí)間，以確保轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束后再 變?yōu)榈碗娖?。其工作時(shí)序圖如圖 4-8 所示： 18 圖 4-8 MAX176 工作時(shí)序圖 -當(dāng) CONVST 由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，MAX 176 進(jìn)入數(shù)據(jù)輸出過(guò)程，CLOCK 端每來(lái)一個(gè)脈 沖下降沿，DATA 端就輸出 1 位數(shù)據(jù)。首先輸出的為前導(dǎo)位 1，接下來(lái)輸出的是轉(zhuǎn)換結(jié)果的符 號(hào)位(1 表示負(fù)值，0 表示正值)，再接下來(lái)的 11 位為轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)值位。 -當(dāng) CLOCK 端的第 13 個(gè)脈沖的下降沿到來(lái)之后，一次完整的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)輸出過(guò)程結(jié) 束，采樣保持器又回到采樣模式。 -轉(zhuǎn)換結(jié)果用補(bǔ)碼表示并以串行格式出現(xiàn)在 DATA 輸出端，可以進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換(單次方式) 或進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)換(連續(xù)轉(zhuǎn)換方式)。 4.7.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)圖 A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖 4-9 所示:將 MAX 176 的 CONVST、CLOCK、 DATA 分別與微控制器 LPC2131 的 P0.15 、SCK1( P0.17)和 MISO1( P0.18) 連接；MAX176 具有一片內(nèi)電壓基準(zhǔn)， 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28