微机电化学分析系统
至内部电路
XTAL1 80C196 XTAL2
16M
30cP 30cP
图2-4 振荡器电路
§2.3.1.3 复位电路
同所有微处理器一样，每次上电时，Mcs80c196必须复位。为了复位，在Vcc、振荡器等已达到稳定状态后，至少使RESET保持2个状态周期的低电平。当RESET再度高时，Mcs80c196开如执行为时10个状态周期的复位序列，这个复位序列使一些寄存器初始化，并把PC寄存器的值置为2080H，以准备从2080H单元开始执行指令。因此采用简单复位电路，保证在Vcc上升后能提供2个状态周期的低电平。见图2-5。图中的二极管为复位电容在掉电的情况下提供一条迅速放电通路，以保证Mcs80c196在反复上电的情况下，可靠地复位。
+5V
RESET
复位
图2-5 复位电路
§2.3.1.4 串行口
串行通讯，是指担任管理和数据处理的PC机和执行检测与控制任务的单片机之间的数据通信。本系统充分利用了Mcs80c196的串行口资源，通过电平转换和PC微机的COM口进行通讯。
Mcs80c196的串行口设有4种工作方式，方式1为标准的异步通讯方式，此方式使用的数据帧格式如图2-6所示，每帧包括10个数据单位，1位起始位（0），8位数据（最
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低有效位在前），1位停止位（1），TXD引脚用来发送数据，RXD用来接收数据。可完成全双工操作，即能同时收、发：由于串行口的接收器，和发送器都是双缓冲结构，因而在第一个接收到的字符字节从接收寄存器被读取之前，就可以开始接收第二字节。允许连续发送或接收，从而提高了线路的利用率。
停止 起始 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 停止
图2-6 方式1的数据桢格式
Mcs80c196串行口在具体使用时，要对内部有关特殊寄存器设置工作状态，最后对特殊寄存器进行读/写，就可以完成数据信息的收发，这些任务由软件完成。串行口硬件原理图见图2-7。
MAX232
TXD RXE
IBM-PC 80C196
RXD TXD
图2-7 串口双机通讯框图
§2.3.2 恒电位电路
恒电位电路是仪器系统稳定运行的关键部分。在LK98A的基础上，做了大量改进，经过精心设计，使LK98BⅡ系统的恒电位最小分辨力达到0.1mV（绝对分辨率），恒电位极化槽压达±60V，极化电流最大为±500mA，电位扫描速率从0.1mV/S-5000V/S。同时设置了iR补偿程控电路和恒电位功率扩展电路，见图2-8。
A3 扫描电位发生器 全功率 A1 A2 函数发生器 扩展器 I/V iR降补偿器 图2-8 恒电位系统框图 １２
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§2.3.2.1 起始电位发生器及函数发生器
LK98BⅡ的起始电位发生器及函数发生器均采用16位精密高速的AD公司芯片AD569，转换时间120nS，转换精度为1/2LSB。
起始电位发生器基准电压为±6.5535V或±3.27675V，双极性输出电压范围为
-6.5535V～ +6.5535V或-3.27675V～ +3.27675V，提供高精度的扫描电位。函数发生器基准电压为±6.5535V或±0.32767V，双极性输出电压范围为-6.5535V～ +6.5535V或
-0.32767V～ +0.32767V。电压转换范围为-10.0V～ +10.0V，最小分辨率为0.1mV。经过编程可产生阶梯波、脉冲波、三角波、方波、交流波等波形。
§2.3.2.2 iR降补偿电路
在三电极测量体系中，工作电极和参比电极之间的溶液由于极化电流的流过，产生欧姆压降，将引起参比电位测量误差。为减小欧姆压降的影响，除了在电极体系采取措施外，有效的方法是用电子电路补偿欧姆压降。
iR降补偿，是将I/V转换的电压，作为一个八位D/A转换器的基准电压，通过数控预置补偿的比例电压，正反馈叠加于反相加法器的输入端，表示为－KIRf，（K，表示I/V输出电压的比例部分，Rf为I/V转换器反馈电阻），令Rn为工作电极和参比电极之间的欧姆电阻，则当极极化电流产生时， 流过Rn和I/V转换器电流相同。 则，当KRf =Rn时，称为全补偿 当KRf ＜Rn时，为欠补偿 当KRf ＞Rn时，为过补偿
当正反馈电路过补偿时会引起过冲和振荡，因此，电路通过程控选择K时，一般限制在10-30%范围。仪器设置了iR降补偿程控开关，可自由通断iR补偿功能。
§2.3.2.3 恒电位电路
恒电位系统的核心部分，主要由加法器，跟随器功率扩展和参比电位阻抗变换器组成。精心设计恒电位电路，对提高整机性能有重要的影响。本系统在恒电位电路上有三个特点： ⑴ 恒电位控制精度达0.1mV，这主要由D/A电路和反相输入加法器来保证的。
⑵ 恒电位功率扩展，摒弃了国内常规电流扩展技术而采用电压和电流同时扩展的全功率扩展电路，从而使极化槽压最大达±60V，极化电流最小为±10nA，最大为±500mA。 ⑶ 恒电位/恒电流采用同一功率扩展电路，经过适当切换，可分别进行恒电位/恒电流测量，从而保证了恒电流的测量精度。
通过对运放放大过程中的误差分析，仪器根据不同的要求使用了不同的运放，如对恒电位系统中的参比测量，输入阻抗的大小决定了参比电极流过的电流。当输入阻抗低时，反馈给恒电位一个较大电流，必然引起参比电极极化造成电压控制与测量误差，解决的方法是在反馈回路中引入电压跟随器A2，选用输入阻抗大于1012Ω的高阻抗运放，大大提高了恒电位的精度。
所谓恒电位，就是使研究电极（工作电极）的电位恒定。欲达到恒定，电路必须满足二个条件，一是具有基准电位，使恒定的电位可调。再一是满足恒电位调节规律，也就是当电流参数变化，电化学反应的延续引起电位漂移等，恒电位具自动调节的能力。
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在电化学体系中，当溶液内阻较大时，欲达到恒定电压下的极化电流，其辅助电极的电位必然要升高，而溶液内阻较小时，如果没有足够的极化电流提供，都不能达到自动调节恒电位的目的。因此，本仪器恒电位系统中使用了电压扩展和电流扩展技术。
综观国内商品仪器，对恒电位功率扩展重视不够，有的仅仅设电流扩展电路，本系统设计的全功率扩展电路，使恒电位槽压达±60V以上，提供的极化电流，在10nA级～500mA级范围内，恒电位控制精度达到±0.1mV（±1/2LSB），交流电压程度±0.01mV，无论是微电流测试，还是电化学合成大电流技术的研究，都可使用本系统。
§2.3.3 恒电流电路
LK98BⅡ系统采用了最新设计的高精度恒电流电路系统，为了保证测试精度，消除零点偏移误差，在电路上增加了恒电流调零电路。恒电流调零电路采用高精度的12位DA芯片AD767，最大可调范围±300mV。见图2-9。
恒电流及功 I RC 率扩展电路 三 RE 恒电 电 流采极 POV 样电池 路 WE SEN 恒电流反馈
图2-9 恒电流及I/V转换框图
§2.3.3.1 恒电流工作原理
图2-10所示，运放处于反相放大状态，而电解池代替了反馈电阻Rf， Vs
故ICell ≈ Ii = —— R
也就是基准电压转换为恒定的极化电流，改变VS即可改变ICell，由于研究电极接虚地，电压跟随器F的输出电位VO为参比电极相对于研究电极的电位VRef，而放大器OP的输出 VC是电解池槽压。
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Icell
Ri - Vc Vi S - + F 相对 Ii CC - 参 + 比 Vc
图2-10 一般运放构成的恒电流电路
图2-10电路的缺点是极化电源由基准电压源提供。而基准电压源往往难以提供大电流，不适用于大电流的恒电流。
LK98BⅡ的恒电流电路如2-11所示，本电路工作原理是在恒电位原理的基础上，采用I/V（A3）变换电压反馈于跟随器的正相(＋)端，由于A3为反相输入电流放大器，产生1800相移，实际上A1由跟随器变为反相放大器，A1的“－”端极性变“＋”。
由于在恒电流槽压输出接有和I/V电流反馈电阻成比例的限流电阻，令Rf1 = Rf2，将F点看作虚地，则流过电化学池的电流正比于流过I/V转换器的电流，从而使VO = VI，当R1 = R2时达到电流恒定。
A1输出经过功率扩展，使槽压达到±60V以上，输出电流最大达200mA，恒定电流为±100mA，相应在mA级I/V变换器A3输出进行了电流扩展，保证恒电流的范围达到±2μA～±100mA，控制精度达1%±1LSB。
§2.3.4 μA、mA级I/V电压变换器
LK98BⅡ的μA、mA级I/V变换在电路原理上遵循VO = －RfI，然而在电路设计上具有以下特点：
① 一般测量微电流其量程选择通过改变配对的电阻来实现，阻值范围从1K～5MΩ，这样大的变换范围采用固定调零电路，由于阻抗不匹配，使I/V的零点误差大，其失调电压和失调电流必然影响测量精度。有的国产仪器采取电位器每档手动调零方法。LK98BⅡ系统设计了程控调零电路，保证零点变化≯2mV，确保了测量精度。
② 采用BI-FET工艺的运放，这种运放将匹配良好的高压JEFT与标准双极型晶体管
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组合在同一芯片上，具低失调电压，低失调电流，低失调电压漂移，输入阻抗达10Ω，同时具有双极型工艺的特点，即高的转换速率，极快的建立时间，低噪声等优点。
③ 输入漏电保护。对微弱电流进行放大时由于寄生漏电流通道会大大增加输入电流，降低输入阻抗，解决方法在引线上包一层导电环，使寄生漏电流被低阻抗保护环吸收，不侵入信号电路，另外采取特殊的方法，保证与输入端同电位。输入线的屏蔽层，抛弃了传统接地方式，而采用等电位抗差模干扰的屏蔽措施。
由于采取以上降低噪声提高测量精度的措施，有效提高了本系统的灵敏度，其最高灵敏度档达200nA/V。最小测量电流为50PA。
§2.3.5 高精度、高速度和低噪声数据采集电路
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