BDD電極痕量重金屬檢測微弱電流采集電路的設計與實現(xiàn)
隨著我國水質(zhì)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的推進和發(fā)展,有毒有害的水質(zhì)重金屬向著微量、痕量檢測方向發(fā)展,更低的檢出下限、更靈敏的分析能力成為當前儀器分析重要的需求。特別是在常見的重金屬檢測方法中,傳統(tǒng)的比色法在線監(jiān)測設備檢出能力不足,且易受測量干擾。因此基于BDD 電極的電化學陽極溶出伏安法在痕量重金屬檢測中有獨特的優(yōu)勢,其中BDD 電極是一種新型固態(tài)電極,具有無毒環(huán)保、電化學勢窗寬、背景電流低、表面不易吸附、可重復使用以及物理化學性質(zhì)穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點。但是,在電化學痕量重金屬檢測中,溶出過程中BDD 電極上產(chǎn)生的電流極小且跨度極大,最小達到nA 級(10-9 A)甚至是pA 級(10-12 A),而在待測物濃度大的時候最大能達到mA 級(10-3 A)。所以對微弱電流采集電路的測量精度、穩(wěn)定性和抗噪能力都提出了更高的要求,針對這個問題,本文對前置I-V 轉(zhuǎn)換電路和后級信號調(diào)理電路進行了分析,設計了一種低噪聲、高精度、增益可編程的微弱電流采集電路,并將其應用于BDD 電極痕量水環(huán)境重金屬檢測鎳離子的實驗測試中。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202305/446250.htm1 總體框圖
微弱電流采集電路的系統(tǒng)結(jié)構如圖1 所示,由跨阻I/V 轉(zhuǎn)換電路、低通濾波器、可變增益放大器、A/D 轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字隔離器、微處理器以及1 個獨立的低噪聲電源電路組成。在三電極體系里進行氧化還原反應時產(chǎn)生的微弱電流經(jīng)過跨阻I/V 轉(zhuǎn)換電路得到被轉(zhuǎn)換并放大了的電壓信號,然后通過后級信號調(diào)理電路進行濾波和次級電壓放大,得到更容易被微處理器或示波器采集的電壓信號。
2 電路設計
2.1 I-V轉(zhuǎn)換電路設計
由弗里斯公式可知,級聯(lián)放大器中各級的噪聲系數(shù)對總噪聲系數(shù)的影響是不同的,越是前級影響越大,第一級的影響最大。所以在設計用于微弱信號檢測的低噪聲系統(tǒng)時,前置放大器的器件選擇和電路設計是至關重要的[3]。
2.1.1 電路結(jié)構的選擇
I/V 轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn)方式有圖2 所示的兩種方法。一種是由運算放大器和反饋電阻組成的基于負反饋的I/V轉(zhuǎn)換電路[5],如圖3 中的(a)所示。另一種是先使用電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓再進行放大[5],如圖3 中的(b)所示。
用于負反饋電流輸入放大器的OP 放大器的條件是輸入偏置電流和輸入換算噪聲電流要小于檢出電流。所以,一般來說使用FET 輸入OP 放大器是有利的[5]。本文選取了4 GHz 的超低偏置電流FET 輸入運算放大器LTC6269-10,其輸入偏置電流在室溫下低至±3 fA(典型值),輸入換算噪聲電流為7 fA/ √ Hz (100 kHz), 而且它內(nèi)部集成了兩個相同的運算放大器,為電路的設計提供了方便。
將選擇好的運算放大器LTC6269-10 運用到圖2 所示的兩個電路,然后在LTSpice 上分析它們的輸出噪聲,分析結(jié)果如圖3 所示。
從圖3 中可以看出,使用第一種方法能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲、高靈敏度的電流輸入前置放大器,所以,本文選擇第一種電路結(jié)構進行電路設計。
2.1.2 反饋電阻的選擇
電阻兩端呈現(xiàn)的開路熱噪聲電壓有效值(即均方根值)Et[3]:
式中,k 為玻耳茲曼(Boltzmann)常數(shù),k = 1.38*10-23 J/K;T 為電阻的絕對溫度,K;R 為電阻的阻值;B為系統(tǒng)的等效噪聲帶寬,Hz。
式(1)說明,熱噪聲電壓正比于電阻值R 和帶寬B 的平方根,所以在微弱信號檢測系統(tǒng)中,應使反饋電阻R 的值盡量小[3]。在電化學痕量重金屬檢測中,BDD傳感器流出的電流十分微弱,所以需要盡可能的提高增益,使輸出的電壓信號達到測量值。電流- 電壓變換增益與反饋電阻值成比例[5],即反饋電阻值越大,電流-電壓變換增益越大。同時負反饋電流輸入前置放大器的S/N 受反饋電阻的影響很大[5]。因此,為了利于放大器的S/N(信噪比),應盡可能地使用大阻值、高精度、低溫漂的反饋電阻。
2.1.3 電路設計
運用超低偏置電流FET 輸入運算放大器LTC6269-10 和低失真的精密差分放大器AD8274 設計了如圖4 所示的差分式I/V 轉(zhuǎn)換電路。該電路能有效抑制電路噪聲,從而實現(xiàn)低噪聲電路的設計。AD8274 具有優(yōu)良的增益漂移、增益精度、CMRR 以及低的噪聲電壓,而且無需在外部添加電阻元件即可配置增益。
2.2 可變增益放大電路設計
在檢測低濃度重金屬離子時,三電極體系中對電極和工作電極形成的回路中會產(chǎn)生μA級或者nA 級的微弱電流,在檢測更低濃度的重金屬離子時,微弱電流可能會達到pA 級甚至更小[1]。所以跨阻I-V 轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓范圍非常寬。小電壓信號需要高增益,但對于大輸出,高增益會導致放大器或ADC 飽和。因此,需要設計一種增益可控制的電路。
針對極大動態(tài)范圍的輸入電壓信號,集成式可變增益放大器的增益范圍可能不夠用,而運算放大器和可變的電阻網(wǎng)絡組成的可變增益放大電路就靈活很多,所以本文選用低噪聲、零漂移、軌到軌輸出的精密運算放大器、模擬多路復用器ADG1408 和一些精密電阻設計了一種低噪聲可變增益放大電路,如圖5 所示。
可變增益放大器的精度對于決定系統(tǒng)整體的精度非常重要,選擇ADG1408 的原因是其RON 為4 Ω,可以在很大程度上減小測量誤差,提高測量精度。而選擇這些阻值的精密電阻是為了產(chǎn)生1、2、4、8、10、100、1 000 和10 000 的可變增益,如果需要其他的增益,只需改變電阻即可。20 pF 的反饋電容確保了穩(wěn)定性,并在切換增益時保持輸出電壓不變。電壓跟隨器能夠隔離前后級之間的影響,對信號進行緩沖,保持電路的穩(wěn)定性。
2.3 ADC轉(zhuǎn)換電路設計
AD7175-2 是ADI 公司的一款低噪聲、高分辨力的24 位Σ-Δ 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。相比較于在環(huán)境監(jiān)測領域里被廣泛應用的AD7176,AD7175-2 內(nèi)部集成了真正的軌到軌模擬和基準輸入緩沖器,提高了ADC 的靈活性。優(yōu)良的性能使其成為能夠應用于化學分析及環(huán)境監(jiān)測領域的又一款利器[4]。運用AD7175-2 設計了如圖6 所示的ADC 轉(zhuǎn)換電路,其中ADR445 是一款極低噪聲、低溫漂的LDO 基準電壓源。
3 實驗測試
將設計好的微弱電流測量單應用于BDD 電極對環(huán)境地表水痕量水質(zhì)重金屬檢測中,運用差分脈沖陽極溶出伏安法先對實驗室配制的含有(5、10、15、20、25、30、35、40)×10-9 鎳的標準溶液進行連續(xù)測定,然后對含5 ppb 鎳的標準溶液進行8 次重復測量,記錄其溶出曲線,并進行分析。其中三電極體系的工作電極為BDD 電極,玻璃電極為參比電極,鉑電極為對電極。
實驗中軟件內(nèi)置經(jīng)優(yōu)化的差分脈沖陽極溶出伏安法檢測鎳離子的參數(shù)設置如表1 所示。
不同鎳離子濃度的標準溶液的測量結(jié)果如圖7 所示,從圖可以看出,溶出峰明顯,溶出曲線基本平滑,噪聲干擾較小,而且BDD 電極上的電流最小達到了nA級,這能夠滿足痕量重金屬檢測的要求。然后根據(jù)鎳離子的濃度和溶出峰電流的關系進行線性擬合,擬合結(jié)果如圖8 所示。擬合結(jié)果表明,鎳離子濃度(5~40)×10-9 線性關系良好,皮爾遜相關系數(shù)能達到0.996。
在同一測量環(huán)境下,對5 ppb 鎳離子濃度標準溶液進行多次重復測量,測量結(jié)果如圖9 和圖10 所示。從圖9 中可以看出,數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性較好。經(jīng)過計算,這8組數(shù)據(jù)的的標準差約為0.205,相對標準偏差RSD 約為1.714%??梢姂帽疚脑O計的微弱電流采集單元后,監(jiān)測儀的精度、穩(wěn)定性和抗噪能力都得到了很好的表征。
4 結(jié)束語
針對大動態(tài)范圍的微弱輸入信號,設計了一種高精度、低噪聲、增益可編程的微弱電流采集電路。將其應用于環(huán)境地表水在線監(jiān)測儀中,對實驗室配置含鎳離子的標準溶液進行檢測,檢測結(jié)果為:鎳離子濃度在(5~40)×10-9 范圍內(nèi)線性關系良好,相關系數(shù)約為0.996;對含5×10-9 鎳離子濃度的標準溶液進行8 次重復測試,相對標準偏差(RSD,n = 8)約為1.714%。實驗結(jié)果表明,該電路可滿足BDD 電極痕量環(huán)境地表水水質(zhì)重金屬檢測時微弱電流的檢測需求。
參考文獻:
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(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期)
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