本发明专利技术涉及一种任意函数波形伏安伏安仪，由数字电路、数模转换器ＡＤＣ／ＤＡＣ、恒电位仪构成，恒电位仪采用ＵＳＢ２．０－ＦＰＧＡ－ＡＤ／ＤＡ的流水线结构；所述数字电路通过带有ＵＳＢ２．０接口的单片机ＭＣＵ配合ＦＰＧＡ构成；单片机ＭＣＵ一端通过ＵＳＢ与计算机相连接，另一端与ＦＰＧＡ相连接进行数据的实时传输；所述ＦＰＧＡ另一端与数模转换器ＡＤＣ／ＤＡＣ相连以实现对模拟信号的直接控制；所述的数模转换器ＡＤＣ／ＤＡＣ的另一端和恒电位仪相连接。实现电位／电流信号的发生与采集完全由上位机直接控制，下位机只负责建立起ＡＤＣ／ＤＡＣ与上位机间的数据通讯。解决传统伏安仪中下位机程序开发难度大，升级困难，硬件资源受限等问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种电化学分析仪器，具体是指一种可以极大地增强电化学仪器的配 置灵活性和功能的多样性的任意函数波形伏安仪。
技术介绍
电化学是一门覆盖面非常广的科学，包括电池，电解电镀，腐蚀防护，电分析等众 多分支。随着各个方向研究工作的深入，科研工作者们对电化学仪器的要求也越来越高。各 种新的测试方法不断被提出(如图1中的101，102，103，104)。为了尽可能地满足科研工作 者对仪器的功能多样化的需求，各个仪器厂商所采用的措施往往是在开发初期尽可能地让 仪器支持更多的方法。这在一定程度上可以满足部分科研工作者对仪器的需求，然而仍然 有相当多的电化学方法无法用商用电化学仪器来实现，这是由于仪器厂商不可能为每个科 研工作者定制方法。此外，某些实验方法需要仪器有高速采样，海量数据存储能力，这就需 要在仪器内部设计大容量的存储器，而这是很不经济的做法。对于这些方法，自己搭建仪器 是科研工作者唯一的选择，这对绝大多数人来说无疑是一个挑战。电化学仪器的核心包括两个部分，即电压/电流信号的发生和电压/电流信号的 采集，电化学仪器所提供的所有方法都可以归结为这两个方面。而传统仪器中无论是信号 的发生还是信号的采集基本上都是由下位机控制器来控制的。而相对于上位机软件开发而 言，下位机在开发难度，开发周期，开发成本，硬件资源等各个方面都处于劣势。
技术实现思路
本专利技术就是针对上述现有技术中存在的不足，提供一种结构简单、价格低廉、使用 灵活的任意函数波形伏安仪。本专利技术是借助于高传输速率的USB2. 0接口，以及现场可编程门整列FPGA，实现上 位机对前端函数发生和数据采集的直接控制。本专利技术的一种任意函数波形伏安仪，由数字电路、数模转换器ADC/DAC、恒电位仪 构成，恒电位仪采用USB2. 0-FPGA-AD/DA的流水线结构；所述数字电路通过带有USB2. 0接 口的单片机MCU配合FPGA构成；单片机MCU —端通过USB与计算机相连接，另一端与FPGA 相连接进行数据的实时传输；所述FPGA另一端与数模转换器ADC/DAC相连以实现对模拟信 号的直接控制；所述的数模转换器ADC/DAC的另一端和恒电位仪相连接。所述MCU及FPGA的固件程序存储于计算机软件中，在仪器与计算机建立连接后再 下载到硬件电路中。所采用的ADC/DAC具有24_b i t的高分辨率。单片机的固件程序在仪器与计算机建立起连接后，通过USB接口下载。FPGA的固件程序通过单片机进行动态配置。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点1.采用USB2. 0接口来传输数据，可以有效保证仪器与计算机之间的高速实时数据传输。由于实验中的激发波形，以及采集到的响应波形都存储于计算机上，而计算机一般 都具有海量存储器，如此以来实验数据将不受仪器上有限的存储空间的限制。2.仪器的前端ADC/DAC直接由FPGA控制，并且ADC/DAC，FPGA, USB之间有流畅的 数据通道，使得ADC/DAC相对于计算机是完全透明的，即相当于计算机可以直接控制ADC/ DAC0这样的一个明显优势是可以在计算机软件中合成任意函数波形的激发波形，在实验 过程中传到仪器前端ADC/DAC。因此，仪器使用更加灵活，可以非常方便地实现任意激发信 号的电化学测试。3. MCU和FPGA的固件程序都存储于计算机上，这使得仪器的升级与维护完全不用 打开仪器机箱，可以直接通过更新上位机软件来实现。4.由于采用了 USB2. 0-FPGA-AD/DA-恒电位这样一种结构，所有的数字电路都在 FPGA中配置，这样将传统数字电路部分硬件设计工作都转化为软件编写，降低了仪器开发 的难度，提升了其竞争力。附图说明图1是几种非常规激发波形举例； 图2是本专利技术任意波形伏安仪的硬件结构框图；图3是FPGA内部配置方式框图。图中101_傅里叶变换方波伏安中所采用的电位波形，102-傅里叶变换复频伏安 中所采用的电位波形，103-动态阻抗谱研究中所采用的扫频电位信号，104-动态阻抗谱研 究中所采用的多正弦叠加电位信号201-带USB2. 0接口的单片机，202-现场可编程门整列 FPGA，203-双通道24-bit数模转换器DAC，204-双通道24-bit模数转换器ADC，205-个人计 算机PC，206-上位机控制程序，207-恒电位仪，208-电化学检测池，209-辅助电机，210-参 比电极，211-工作电极301-DAC数据缓冲器，302-24位并行接口 /I2S串行接口转换器，303_I2S串行接口 /24位并行接口转换器，304-ADC数据缓冲器，305-8位并行数据/24位并行数据转换接口具体实施例方式如图2所示，本专利技术的任意波形伏安仪主要由USB控制芯片201，FPGA 202，DDA 203/ADC 204，恒电位仪207几部分构成。三电极模拟恒电位仪使用三个DiFET运算放大器 构建。相对于精密的FET运算放大器而言，这种运算放大器具有极低的噪音，极低输入偏置 电流和输入偏置电压，同时具有很高的速度，这保证了恒电位仪具有良好的精密度和速度 表现。选择低输入偏置电流运算放大器是测量低电流的一个重要考虑因素。此外，在电路 中增加运放的偏置调整电路可以去除直流偏置并保证放大器的性能。伏安仪的电流测量范 围可以通过改变其反馈电阻来进行调整，本仪器设计有8个档位，可以在10_2A/V与10_9A/V 这个范围内选择。本专利技术使用一个单片集成的Δ Σ结构立体声解码芯片来作为前端ADC/DAC (所采 用芯片为CS4221)，该芯片单片集成两通道24位差分输出DAC和两通道24位差分输入ADC。 使用高分辨率的DAC/ADC目的是为了提高发生/采集信号的动态范围。本仪器配置为两通 道DAC输出，以分别输出直流电位和交流扰动，而两通道ADC则分别用来检测实际的电势与电流响应。本芯片ADC与DAC均可在高达48kHz的采样频率下工作，根据Nyquist定理，可无混叠测定的上限频率为24kHz。如果有需要应用更高频率的话，可以通过直接更换更高速 率的ADC与DAC来实现，因为这类芯片的接口都是统一的I2S。目前，最高档的立体声解码 器可以在192kHz的采样速率下工作，分辨率仍为24位。本专利技术所使用芯片的标称最高分 辨率为24位，但由于印刷电路板的布线，电磁干扰，电源以及其它噪声，实际上只有18位左 右。为此，电路中还增加一个两级三阶巴特沃斯低通滤波器用来滤除由Δ Σ结构器件的内 在工作原理所产生的带外噪音。此外，由于ADC/DAC在相同的时钟下工作并且同时启动，因 此不会产生任何延迟，这样也就保证ADC与DAC之间不产生任何相移。本仪器的数字电路部分主要由两个器件组成，即单片机MCU和FPGA。本仪器使用 的单片机为CY68013，该芯片自带一个USB2. 0接口和一个通用可编程数据通讯接口 GPIF。 其GPIF接口可以完全不用程序的干预控制数据的传输，使得计算机与ADC/DAC之间进行高 速数据交换成为可能。MCU由于其价格低廉，使用灵活性在几乎所有工业领域都发挥着重 要的作用，然而用MCU直接控制高精度立体声解码器是十分困难的，因为几乎所有高精度 ADC/DAC的接口都是串行的。为了辅助MCU来本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种任意函数波形伏安仪，其特征在于由数字电路、数模转换器ＡＤＣ／ＤＡＣ、恒电位仪构成，恒电位仪采用ＵＳＢ２．０－ＦＰＧＡ－ＡＤ／ＤＡ的流水线结构；所述数字电路通过带有ＵＳＢ２．０接口的单片机ＭＣＵ配合ＦＰＧＡ构成；单片机ＭＣＵ一端通过ＵＳＢ与计算机相连接，另一端与ＦＰＧＡ相连接进行数据的实时传输；所述ＦＰＧＡ另一端与数模转换器ＡＤＣ／ＤＡＣ相连以实现对模拟信号的直接控制；所述的数模转换器ＡＤＣ／ＤＡＣ的另一端和恒电位仪相连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王立世，黄新建，邓海强，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]
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