專利名稱：多功能微機控制階躍伏安儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種分析化學儀器儀安法是分析化學中重要的儀器分析方法之一。自從海洛夫斯基首先建立極譜法并發明第一臺極譜儀以來，伏安法在不斷地發展，儀器也在不斷地更新和改進。
方波伏安法由于具有快速、靈敏等特點，已成為伏安法中占主導地位的分析方法。傳統的方波伏安法為差式方波伏安法，是在靜止電極或一汞滴生長后期完成整個電位掃描過程，所用的掃描方式是在階梯掃描的基礎上疊加一列方波，每個階梯對應一個方波周期，其電流為同一階段上正、逆方波脈沖末端的取樣電流之差，對于可逆電極的簡單體系，吸附和絡合吸附體系，由于方波正負脈沖取樣電流方向相反，相減時可使電流信號增加；加上采樣是在方波脈沖的末端，可使充電電流得到衰減，從而提高信噪比。然而我們發現，對于不可逆的簡單電極體系，平行催化和絡合吸附催化體系等，因正、負脈沖采樣電流同向，兩者相減只能使分析信號強度減少，而且因正負脈沖充電電流方向相反，相減則噪聲增大。
目前的方波伏安儀已經商品化，如美國的PAR 384D、國產的MEC-12A型伏安儀等，但這些伏安儀只用于差式方波伏安法。
為了克服上述缺點，本實用新型的發明人提出將兩取樣電流相減改為相加的疊式方波伏安法，或稱階躍伏安法。
本實用新型的目的是根據疊式方波伏安法的理論，設計出相應的階躍伏安儀，進一步提高分析的靈敏度。
疊式方波伏安法在階躍伏安儀中，向電極施加如下方波掃描電壓E(j)＝Ei-INT(j-1)/2]ΔE＋(-1)jEs(1)
式(1)中Ei為初始電壓，ΔE為階梯掃描電壓的電壓階躍，Es為方波的波幅，Ej第j個方波的電壓。式(1)中右邊前兩項代表階梯掃描電壓，第三項為方波電壓成份，方波掃描電壓如
圖1所示，該掃描電壓可視為一個階梯掃描電壓與一列方波電壓的疊加。
理論上，我們得到如下疊式方波電流方程(2)和差式方波電流方程(3)iA=nFAD1/2Co*(πτ)1/2(φJ/α1/2+φJ-l(l+α)-1/2]]>+Σj=1J-2φj[(J+α-j)-1/2-(J+α-j-2)-1/2])---(2)]]>iD=nFAD1/2Co*(πτ)1/2(φJ-1[2α-1/2-(l+α)-1/2]-φJα-1/2]]>+Σj=1J-2φj[2(J+α-j-1)-1/2-(J+α-j)-1/2]]>-(J+α-j-2)-1/2]) (3)式中τ為方波半周期時間，α為采樣時間τ′與半周期時間τ的比值，J為掃描開始到j個方波半周期數，n為電子轉移數，F為法拉第常數，A為電極面積，D為擴散系數，Co為0的濃度。
對于平行催化體系的疊式和差式方波伏安法的電流方程為iCA=nFAD1/2(KfCx*)1/2Co*(φj+φj+1)---(4)]]>iCD=nFAD1/2(KfCx*)1/2Co*(φj-φj+1)---(5)]]>
以下結合附圖和實施例對本實用新型的結構進行描述。
圖2為本實用新型的結構示意圖；圖3為本實用新型的計算機接口及數字電路圖；圖4為本實用新型的恒電位及電流檢測電路圖；圖5為本實用新型電源部分電路圖。
參照圖2～圖4，本實用新型包括微機部分(100)、儀器部分(200)和電解池(300)三部分，微機部分(100)包括主機(Computer)(101)、鍵盤(KB)(102)、顯示器(CRT)(103)、磁盤驅動器(DISK)(104)、繪圖儀(Ploter)(105)和接口(I/O)(106)，電解池(300)上設有工作電極(W)(301)、參比電極(R)(302)和輔助電極(A)(303)，所述的儀器部分(200)由數模轉換器(D/A)(201)、恒電位輸出(PO)(202)、流壓轉換器(I/V)(203)、靈敏度反饋網絡(S.N)(204)、濾波器(FILTER)(205)、采樣保持電路(S/H)(206)、模數轉換器(A/D)(209)、適配器(VIA)(208)、地址譯碼器(A.D)(209)、數據鎖存器(LATCH)(210)和電極控制器(ELE.CTRL)(211)組成，微機接口(I/0)(106)接往數模轉換器(D/A)(201)、地址譯碼器(A.D)(209)、數據鎖存器(210)和適配器(VIA)(208)，地址譯碼器(A.D)(209)的輸出接往數模轉換器(D/A)(201)、數據鎖存器(LATCH)(210)和模數轉換器(A/D)(207)，數模轉換器(D/A)(201)的輸出接往恒電位輸出(PO)(202)，恒電位輸出(PO)的輸出分別接往參比電極(R)(302)和輔助電極(A)(303)，數據鎖存器(LATCH)(210)的接口接往濾波器(FILTER)(205)和靈敏度反饋網絡(S.N)、輸出接往流壓轉換器(I/V)(203)和電極控制器(211)，流壓轉換器(I/V)(203)的輸出分別接工作電極(W)(301)和濾波器(FILTER)(205)，濾波器(FILTER)(205)的輸出接往采樣保持電路(S/H)(206)，采樣保持電路(S/H)(206)輸出接往模數轉換器(A/D)(207)，模數轉換器(A/D)(207)的接口接往適配器(VIA)(208)、一端輸出接往采樣保持電路(S/H)。
下面結合圖3和圖4說明本實用新型的工作原理。
微機的總線，通過其I/O槽口接到數字電路(圖3)，儀器的數字電路完成的功能有四，第一，接收計算機送出的掃描電壓數字信號，并轉換為電壓信號，第二，接收計算機送出的控制信號并完成相應控制，第三，完成模數轉換，并將數據送給計算機處理，第四，計時器計時中斷，完成準確計時。
掃描電壓的數字信號的傳送，掃描電壓由D/A產生在本儀器中用12位D/A，DAC1210，DAC1210內部有三個數據輸入鎖存器，分別為8位、4位和12位，8位和4位鎖存器的輸出作為12位鎖存器的輸入，DAC1210內部這樣的設計，為它與8位微機的接口提供了方便，因此，在我們的儀器中DAC1210的數據輸入線D0-D11直接與計算機的總線(DB)相聯，D/A的D11-D4線接DB的D7-D0，D/A的D3-D0接DB的D7-D4，D/A轉換數據由微機分兩次送給D/A轉換器，第一次送高八位，第二次送低四位，分別送給D/A轉換器內部的八位和四位鎖存器，掃描電壓的數字信號傳送完成，數字信號變為相應的電流信號由D/A輸出。
D/A產生的輸出電流經兩個運放轉換成雙極性輸出電壓，設計的電壓輸出范圍為-2.048～+2.047V，D/A轉換器所需的參考電壓由A/D轉換器內部參考電壓輸出端提供。
控制信號的傳送和控制的實現計算機對儀器的控制是通過兩個八位D型數據鎖存器74273完成的，當控制信號通過數據總線DB被鎖入鎖存器后，鎖存器的輸出信號保持為輸入信號不變，儀器的有關部分就由這些信號來控制，兩個鎖存器，一個鎖存器用來控制流壓轉換器的靈敏度轉換，以及濾波器常數的轉換，由于靈敏度和濾波常數轉換所用器件為CMOS模擬開關，因此要將鎖存器輸出的TTL信號電平轉變成CMOS信號電平，電平轉換由兩個四比較器LM339完成。第二個鎖存器用來控制可以和儀器配合使用的PAR303電極系統和一個電極開關，由PAR303電極的控制信號說明，而知控制信號為負電平有效。為此我們將第二鎖存器的部分信號反相，以滿足要求。對應的計算控制信號，為高電平有效，電極開關由一雙刀雙擲斷電器擔任，由一大功率晶體管驅動。
A/D轉換器與計算機的聯接和系統的定時在我們的儀器中采用高速(25μs/次)高精度模數轉換器ADC80。在我們的電路中將它接成雙極性±5V輸入方式。A/D轉換時鐘信號用其內部時鐘信號，A/D轉換啟動采用外部脈沖觸發方式，外部轉換啟動脈沖由地址譯碼輸出信號經反相器后送入，模擬信號經采樣保持電路后送入，采樣保持電路的邏輯控制信號由A/D轉換器的狀態標志信號(STATE)經反相后提供，這樣采樣保持電路在A/D轉換期間處于保持狀態，其它時刻電路處于采樣狀態，由于ADC80的數據輸出非三態信號，因此不能直接與數據總線相聯，為此我們采用6502 CPU專用接口芯片6522通用適配器來采集A/D轉換的數據，同時利用6522內的定時器T1產生連續中斷，為系統提供準確定時，因為6522用CPU的時鐘(1M)工作，所以它的定時精度很高(1μs)。
另外，儀器還設有開機復位電路，復位時間約20ms，主要用來對6522和數據鎖存器74273進行復位，防止儀器處于混亂狀態，而損壞儀器。
模擬部分是儀器的關鍵部分，它的性能好壞直接影響整個儀器的性能，該部分電原理總圖參見附圖4。模擬部分為恒電位輸出部分和I/V轉換，放大部分。
首先討論恒電位輸出部分，由D/A轉換器產生掃描電壓信號，由AN端進入恒電位電路，在這個電路中有一雙刀雙擲斷電器J，恒電位電路與電解池是否接通，由繼電器控制，在掃描期間，電路與電解池接通，其它時刻斷開，這樣，一方面保護了電路，另一方面也使溶液處于非電解狀態，保證溶液中各物質組分不變。
參比電極輸入端的輸入阻抗很大，很容易受外部干擾，因此對這段引線施以屏蔽，由于屏蔽線的芯線與屏蔽層間的電容很大，如果屏蔽層接地會引起輸入信號負相移，降低電路的穩定性，因此，參比電極輸入端采用等電位屏蔽，用IC21的輸出端來屏蔽輸入端。
電流檢測采用I/V轉換器，I/V轉換器的反饋電阻的大小，決定了它的靈敏度，在儀器中反饋電阻的大小，通過一個入路模擬開關CD4051來選擇，最高靈敏度設計為滿度±204.8nA，最低靈敏度為滿度±3.35mA，靈敏度共有八檔，每檔滿度電流值成等比數列，倍數為4，每一反饋電阻上都并聯一個小容量電容，以濾去高頻噪音，時間常數設計為0.1ms 。這一級還加入限幅電路防止輸出電壓過大，限幅電路由兩接成靠背式的穩壓二極管組成，I/V轉換后的電壓信號經第二級放大倍數約為3倍的倒相放大后，分為兩路，一路經一模擬開關后送入積分器，積分輸出信號經電阻饋入I/V轉換器的電流輸入端，這個電路在開關接通時起到使儀器輸出為0作用，穩0后開關斷開，電路輸出仍然為0，在分析中用這個電路補償前期還原物質的還原電流，提高儀器的抗前期還原能力，另一路信號經限幅，濾波后送給A/D轉換器，在后級放大中設限幅的作用，是為了防止信號電壓超過模擬開關的電源電壓，而導致的模擬開關失控，儀器中的濾波為低通濾波，其中射極跟隨器的前一階濾波網絡的濾波常數由模擬開關選擇。
本實用新型的控制通過微機(100)控制，控制程序可固化或存于盤中。
電解池(300)中的電極，一般情況下，工作電極(301)可用玻璃碳電極、汞膜電極、懸汞電極或碳糊電極等，參比電極(302)為甘汞電極或銀-氯化銀電極，輔助電極(303)用鉑電極。
本實用新型是針對本發明人提出的疊式方波伏安法而設計，同時還適用于本發明人提出的疊式循環方波伏安法、對位方波伏安法等。另外，尚有傳統的差式方波伏安法和階梯掃描伏安法的功能。實驗表明，本儀器性能良好，精密度高(0.80％)，線性關系好(＞0.99)，峰峰之間分辯力強，檢測下限低(1×10-7mol·L-1)，而且成本低，應用范圍廣。
權利要求1.一種多功能微機控制階躍伏安儀，包括微機部分(100)、儀器部分(200)和電解池(300)三部分，微機部分(100)包括主機(Computer)(101)、鍵盤(KB)(102)、顯示器(CRT)(103)、磁盤驅動器(DISK)(104)、繪圖儀(Ploter)(105)和接口(I/O)(106)，電解池(300)上設有工作電極(W)(301)、參比電極(R)(302)和輔助電極(A)(303)，其特征在于所述的儀器部分(200)由數模轉換器(D/A)(201)、恒電位輸出(PO)(202)、流壓轉換器(I/V)(203)、靈敏度反饋網絡(S.N)(204)、濾波器(FILTER)(205)、采樣保持電路(S/H)(206)、模數轉換器(A/D)(207)、適配器(VIA)(208)、地址譯碼器(A.D)(209)、數據鎖存器(LATCH)(210)和電極控制器(ELE.CTRL)(211)組成，微機接口(I/O)(106)接往數模轉換器(D/A)(201)、地址譯碼器(A.D)(209)、數據鎖存器(210)和適配器(VIA)(208)，地址譯碼器(A.D)(209)的輸出接往數模轉換器(D/A)(201)、數據鎖存器(LATCH)(210)和模數轉換器(A/D)(207)，數模轉換器(D/A)(201)的輸出接往恒電位輸出(PO)(202)，恒電位輸出(PO)的輸出分別接往參比電極(R)(302)和輔助電極(A)(303)，數據鎖存器(LATCH)(210)的接口接往濾波器(FILTER)(205)和靈敏度反饋網絡(S.N)、輸出接往流壓轉換器(I/V)(203)和電極控制器(211)，流壓轉換器(I/V)(203)的輸出分別接工作電極(W)(301)和濾波器(FILTER)(205)，濾波器(FILTER)(205)的輸出接往采樣保持電路(S/H)(206)，采樣保持電路(S/H)(206)輸出接往模數轉換器(A/D)(207)，模數轉換器(A/D)(207)的接口接往適配器(VIA)(208)、一端輸出接往采樣保持電路(S/H)。
專利摘要一種多功能微機控制階躍伏安儀，由微機、儀器部分和電解池三部分組成。微機接口接往數模轉換器、地址譯碼器、數據鎖存器和適配器，地址譯碼器的輸出接往數模轉換器、數據鎖存器和模數轉換器，數模轉換器的輸出接往恒電位輸出，恒電位輸出的輸出分別接往參比電極和輔助電極，數據鎖存器的接口接往濾波器和靈敏度反饋網絡、輸出接往流壓轉換器和電極控制器，流壓轉換器的輸出分別接工作電極和濾波器，濾波器的輸出接往采樣保持電路。本儀器是針對疊式方波伏安法而設計，還適用于傳統的方波伏安法。
文檔編號G01N27/26GK2260327SQ95224989
公開日1997年8月20日 申請日期1995年10月20日 優先權日1995年10月20日
發明者莫金垣, 閔利, 區兆文, 蔡佩祥, 張潤建, 黃昊 申請人:中山大學