一種數字輸出恆電位儀的製作方法

2023-04-25 19:02:56 3

本發明涉及電路參數測量設備，特別涉及一種數字輸出恆電位儀。

背景技術：

目前電化學傳感器的恆電位儀大多採用運算放大器、電阻、電容等分立元件組成，採用這種方法搭建的恆電位儀抗幹擾性能差，容易受到外界環境噪聲影響，而且體積大，限制了檢測系統的精度和集成度。

隨著微械繫統（mems）和微電子技術的發展，越來越多的微型電化學傳感器應用於生物信號檢測、水質監測等領域，相應的單片集成的恆電位儀也受到研究者的青睞。目前的單片集成恆電位儀可以分為模擬輸出和數字輸出兩種類型。由於傳感器的應用通常要用到計算機、微處理器和其他的一些數字器件，因此有必要實現傳感器的數位化輸出，這樣集成的數字傳感器不僅提供了更多的功能，而且降低了整個系統的成本。目前的數字輸出恆電位儀幾乎都是採用跨阻放大器將傳感器電流轉化為電壓，然後通過後續的逐次逼近型adc（saradc）或sigma-dletaadc將模擬電壓轉化為數字量。但跨阻放大器存在的問題是當信號頻率高時，運算放大器增益下降而導致輸入電阻升高，這對於輸出阻抗較高的電化學傳感器是無法接受的。另外，由於mems電化學傳感器產生的電流通常為na，甚至pa量級，在跨阻放大器中需要幾兆或幾十兆的電阻，這麼大的電阻在ic工藝中需要很大的晶片面積，因此並不適合於單晶片集成。另外，將電流轉化為電壓，然後再通過adc進行模數轉換的方式電路結構經過了兩步轉換，電路複雜度高，saradc或sigma-deltaadc都會佔用很大的晶片面積。

技術實現要素：

本發明為了解決上述技術問題，提供了具有一種數字輸出恆電位儀。

一種數字輸出恆電位儀，包括依次級聯的電化學傳感器模塊、電流採樣電路、電流積分模塊、電壓積分模塊、比較觸發模塊以及計數器模塊；所述電流採樣電路包括第一電流鏡、第二電流鏡以及第三電流鏡，所述第一電流鏡連接在所述電化學傳感器模塊以及所述電流積分模塊之間；所述第二電流鏡用於將參考電流與採樣電流正向疊加；所述第三電流鏡用於將所述參考電流與所述採樣電流反向疊加；所述第二電流鏡與所述第三電流鏡受所述比較觸發模塊控制。

進一步的，所述第一電流鏡包括第一mos管以及第二mos管；所述第一mos管以及第二mos管的柵極連接所述電化學傳感器的輸出端；所述第一mos管以及第二mos管的源極連接電源；所述第一mos管的漏極連接所述電化學傳感器的輸出端；所述第二mos管的漏極連接所述電流積分電路。

針對上述恆電位儀的進一步具體化，所述第二電流鏡包括第三mos管、第四mos管以及第五mos管；所述第三mos管以及第四mos管的源極連接電源、所述第三mos管以及第四mos管的柵極接入參考電流；所述第三mos管的漏極接其柵極，所述第五mos管的源極連接所述第四mos管的漏極、柵極連接所述比較觸發模塊的輸出端、漏極連接所述電流積分模塊。

針對上述恆電位儀的進一步具體化，所述第三電流鏡包括第六mos管、第七mos管以及第八mos管；所述第六mos管的柵極、漏極以及第七mos管的漏極接入參考電流；所述第六mos管以及第七mos管的源極接地；所述第八mos管的源極連接所述第七mos管的漏極、柵極連接所述比較觸發模塊的輸出端、漏極連接所述電流積分模塊。

優選的，所述第三電流鏡還包括與所述第六mos管構成電流鏡的第九mos管；所述第九mos管為所述第二電流鏡提供電流源。

另外，所述電流積分模塊和所述電壓積分模塊之間設有電荷緩存電路；所述電荷緩存電路用於緩存在第一時間段內所述電流積分模塊輸出的電荷，並將該部分電荷在第二時間段內輸入到所述電壓積分模塊中。所述電荷緩存電路包括第一電容、在第一時序信號控制下的第一開關、第二開關以及在第二時序控制下的第三開關第四開關；所述第一開關一端連接所述電流積分模塊的輸出端，另一端依次連接所述第一電容以及第二開關後接地；所述第三開關一端接地，另一端連接所述第一電容與所述第一開關之間的節點；所述第四開關一端連接所述電壓積分模塊，另一端連接所述第一電容與所述第二開關之間的節點。

進一步的，所述電流積分模塊包括在第一時序信號控制下的第五開關、在第二時序信號控制下的第六開關和第七開關、第一運放以及積分電容；所第五開關連接在所述第一運放的反相輸入端以及電流採樣電路之間；所述第六開關連接在所述第一運放的正相輸入端以及電流採樣電路之間；所述積分電容與所述第七開關並聯，且兩端分別連接在所述第一運放的反相輸入端以及輸出端之間；所述第一運放的正相輸入端接地。

進一步的，所述電壓積分模塊包括第二運放以及第二電容；所述第二運放的副輸入端連接所述電荷緩存電路；正相輸入端接地，輸出端連接所述比較觸發模塊；所述第二電容連接在所述第二運放的輸出端以及反相輸入端之間。

進一步的，所述比較觸發模塊包括第一比較器、第二比較器以及觸發器；所述第一比較器的正相輸入端和第二比較器的反相輸入端連接所述電壓積分模塊的輸出端；第一比較器的反相輸入端接入第一比較電壓vc1、輸出端連接所述觸發器的置位引腳；第二比較器的正相輸入端連接第二比較電壓vc2、輸出端連接所述觸發器的復位引腳。

進一步的，所述第一時序信號與所述第二時序信號互為雙相不交疊時序。

本發明的所起到的有益效果包括：

1、通過對參考電流在輸入電流上面的雙向疊加獲得不同數值，並且將該輸出進行換算從而直接量化為數字量，測量數據更加準確。

2、通過電流鏡的方式進一步避免了現有技術中採用adc轉成數字量，隨著信號頻率的增加，運算放大器增益下降，使得被測電流準確度下降的問題。

附圖說明

圖1為本發明實施例一中的電路架構原理圖。

圖2為本發明實施例二中的第一電流鏡的電路原理圖。

圖3為本發明實施例二中的第二電流鏡的電路原理圖

圖4為本發明實施例二中的第三電流鏡的電路原理圖。

圖5為本發明實施例二中的電路採樣電路的電路原理圖。

圖6為本發明實施例三中的電荷緩存電路的電路原理圖。

圖7為本發明實施例三中的電流積分模塊與電壓積分模塊的電路原理圖。

圖8為本發明實施例三中的比較觸發器與計數器模塊的電路原理圖。

圖9為本發明中電化學傳感器模塊的電路原理圖。

其中，電化學傳感器模塊為10；電流採樣電路為20；第一電流鏡為21；第二電流鏡為22；第三電流鏡為23；電流積分模塊為30；電壓積分模塊為40；比較觸發模塊為50；觸發器為51計數器模塊為60；電荷緩存電路為70；輸入電流為iin；參考電流為iref；固定電壓為vcell；高阻節點為x；觸發器輸出端為q；第一時序信號clk1；第二時序信號clk2；第一比較電壓vc1；第二比較電壓vc2。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特徵更易被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範圍作出更為清楚的界定。

實施例1：

一種數字輸出恆電位儀，如圖1所示，包括依次級聯的電化學傳感器模塊10、電流採樣電路20、電流積分模塊30、電壓積分模塊40、比較觸發模塊50以及計數器模塊60。

其中，電化學傳感器模塊10根據其檢測環境產生一個輸入電流iin，被電流採樣電路20進行採集，結合參考電流iref後通過電流積分模塊30和電壓積分模塊40進行積分運算，比較觸發模塊50根據運算後的輸出結果實現觸發以及復位，經過計數器模塊60對觸發的次數以及時間進行計數，從而得到輸入電流iin以及參考電流iref之間的關係，最終檢測出電電化學傳感器模塊10產生的電流值。

具體的，電流採樣電路20包括第一電流鏡21、第二電流鏡22以及第三電流鏡23。該三個電流鏡中，第一電流鏡21連接在電化學傳感器模塊10以及電流積分模塊30之間，用於將輸入電流iin鏡像複製，將電化學傳感器模塊10的電流按照1:1的比例鏡像複製。

第二電流鏡22用於將參考電流iref與採樣電流正向疊加，當第二電流鏡22介入時，向電流積分模塊30輸出的電流為輸入電流iin與參考電流iref的和。第三電流鏡23用於將參考電流iref與採樣電流反向疊加，當第三電流鏡23介入時，向電流積分模塊30輸出的電流為輸入電流iin與參考電流iref的差。需要說明的是，第二電流鏡22與第三電流鏡23是交替介入，該兩個電流鏡均受比較觸發模塊50控制，其根據觸發器51輸出的電平高低來決定所介入的電流鏡。

在電流積分和電壓積分方面，在電流積分模塊30和電壓積分模塊40之間設有電荷緩存電路70，用於緩存在第一時間段內電流積分模塊30輸出的電荷，並將該部分電荷在第二時間段內輸入到電壓積分模塊40中，從而累積電流積分模塊30所輸出的電流，將電流參量轉化為電壓參量，供電壓積分模塊40進行積分。在初始過程中，電壓積分模隨著電荷緩存電路70的輸入，使其輸出電壓不斷升高，最終電壓積分模塊40所輸出的電壓超過了第一比較電壓vc1時，使比較觸發模塊50置位，從而翻轉參考電流iref與輸入電流iin的疊加方式，參考電流iref由正向疊加變成反向疊加。由於參考電流iref的值要大於輸入電流iin的值，因此電壓積分模塊40輸出的電壓將不斷減小，當電壓積分模塊40輸出的電壓小於第二比較電壓vc2時，比較出發模塊復位，再次翻轉參考電流iref與輸入電流iin之間的疊加方式。

由於參考電流iref是不變的，而輸入電流iin的大小將決定電壓積分模塊40輸出電壓的變化速度，從而影響比較觸發模塊50的狀態變化速度。計數器模塊60在此過程中，根據一定時間內的比較觸發模塊50的置位和復位次數即可以計算出電化學傳感器的電流值。

實施例2：

作為實施例1的進一步優化，本實施例與實施例1的區別在於，本實施例具體描述三個電流鏡的具電路結構，其中如圖2所示，第一電流鏡21包括第一mos管m1以及第二mos管m2；第一mos管m1以及第二mos管m2的柵極連接電化學傳感器的輸出端；第一mos管m1以及第二mos管m2的源極連接電源；第一mos管的漏極連接電化學傳感器的輸出端；第二mos管m2的漏極連接電流積分電路。第一電流鏡21中，第一mos管m1所在的電流支路用於採集電化學傳感器的電流，第二mos管m2所在的支路鏡像第一mos管m1的支路電流後作為輸入電流iin想電流積分模塊30進行輸入。

請參見圖3，第二電流鏡22方面，其包括第三mos管m3、第四mos管m4以及第五mos管m5。第三mos管m3和第四mos管m4互為鏡像mos管，第五mos管m5為用於作為開關功能的mos管。第三mos管m3以及第四mos管m4的源極連接電源、第三mos管m3以及第四mos管m4的柵極接入參考電流iref，第三mos管m3的漏極接其柵極，完成對參考電流iref的採集。第五mos管m5的源極和漏極分別連接第四mos管m4的漏極和電流積分模塊30的輸入端，形成一個參考電流iref正向疊加通路。而第五mos管m5的柵極連接比較觸發模塊50的輸出端，使第五mos管m5構成一個通路開關，當第五mos管m5導通時，參考電流iref將被正向疊加到輸入電流iin裡面。

請參見圖4，第三電流鏡23方面，第三電流鏡23包括第六mos管m6、第七mos管m7以及第八mos管m8。與第二電流鏡22原理相似，第六mos管m6和第七mos管m7互為鏡像mos管，第八mos管m8則作為開關功能的mos管。第六mos管m6的柵極、漏極以及第七mos管m7的漏極接入參考電流iref，第六mos管m6以及第七mos管m7的源極接地，完成對參考電流iref的採集。第八mos管m8的源極和漏極分別連接第七mos管m7的漏極以及電流積分模塊30，形成一個參考電流iref反向疊加通路。柵極連接比較觸發模塊50的輸出端，使第八mos管m8構成一個通路開關，當第八mos管m8導通時，參考電流iref將被反向疊加到輸入電流iin裡面。

為了保證所引入的參考電流iref能夠一致，如圖5所示，可以將第二電流鏡22的參考電流iref源以及第三電流鏡23的參考電流iref源合併為一，具體是在第三電流鏡23再設置一個與第六mos管m6構成電流鏡的第九mos管m9；第九mos管m9的接入方式與第六mos管m6相同，同樣是柵極接入參考電流iref，源極接地，而漏極則接第三mos管m3的漏極。為第三mos管m3提供參考電流iref。

實施例3：

本實施例與實施例1的區別在於，本實施例中將會提到7個開關，7個開關將受到兩種時序信號控制，時序信號為高電平時，收時序信號控制的開關將被導通，反之的斷開。而本實施例中，第一時序信號clk1與第一時序信號clk2互為雙相不交疊時序。而實施例1中的第一時間段與第二時間段分別對應的是第一時序信號處於高電平的時間段和第二時序信號處於高電平的時間段。

如圖6所示，電荷緩存電路70包括第一電容c1、在第一時序信號clk1控制下的第一開關s1、第二開關s2以及在第二時序控制下的第三開關s3、第四開關s4；第一開關s1一端連接電流積分模塊30的輸出端，另一端依次連接第一電容c1以及第二開關s2後接地；第三開關s3一端接地，另一端連接第一電容c1與第一開關s1之間的節點；第四開關s4一端連接電壓積分模塊40，另一端連接第一電容c1與第二開關s2之間的節點。

請參見圖7，在電流積分模塊30方面，其具體包括在第一時序信號clk1控制下的第五開關s5、在第一時序信號clk2控制下的第六開關s6和第七開關s7、第一運放a1以及積分電容；所第五開關s5連接在第一運放a1的反相輸入端以及電流採樣電路20之間；第六開關s6連接在第一運放a1的正相輸入端以及電流採樣電路20之間；積分電容與第七開關s7並聯，且兩端分別連接在第一運放a1的反相輸入端以及輸出端之間；第一運放a1的正相輸入端接地。

在電流積分模塊30開始工作時，電壓積分模塊40初始電壓為0，觸發器51的輸出狀態q為低電平。當第一時序信號clk1為高電平，第一時序信號clk2為低電平，電流積分模塊30處於電流積分狀態，對輸入電流iin與參考電流iref的和進行積分，電流積分模塊30的輸出電壓呈斜坡上升。當第一時序信號clk2為高電平時，第六開關s6和第七開關s7閉合，第五開關s5斷開，電流積分模塊30處於復位狀態，運放的輸出端與反相輸入端相連，反相輸入端電壓和輸出端電壓跟隨正相輸入端電壓，由於正相輸入端接地，因此第一運放a1完成復位；當第一時序信號clk1為高電平時，第五開關s5閉合，第六開關s6和第七開關s7斷開，電流積分模塊30處於積分狀態，輸入電流iin對積分電容ci進行充電。在第一時序信號clk1由高向低跳變的時刻，電流積分模塊30的輸出電壓為：

其中fs為第一時序信號clk1的頻率。從上式可以看出，輸出電壓與輸入電流iin和參考電流iref的和成正比，與積分電容ci和第一時序信號clk1的時鐘頻率fs成反比。當檢測小電流時，可以用較小的積分電容和較慢的時鐘頻率，從而節省了矽片面積。

請參見圖7，在電壓積分模塊40方面，包括電壓積分模塊40包括第二運放a2以及第二電容c2；第二運放a2的副輸入端連接電荷緩存電路70；正相輸入端接地，輸出端連接比較觸發模塊50；第二電容c2連接在第二運放a2的輸出端以及反相輸入端之間。

如圖8所示，比較觸發模塊50包括第一比較器comp1、第二比較器comp2以及觸發器51；第一比較器comp1的正相輸入端和第二比較器comp2的反相輸入端連接電壓積分模塊40的輸出端；第一比較器comp1的反相輸入端接入第一比較電壓vc1、輸出端連接觸發器51的置位引腳；第二比較器comp2的正相輸入端連接第二比較電壓vc2、輸出端連接觸發器51的復位引腳。

在電流積分模塊30在對輸入電流iin和參考電流iref的和進行積分期間，第一開關s1和第二開關s2導通，該電流積分模塊30的電壓值也被第一電容c1採樣。當第一時序信號clk1變為低電平，第一時序信號clk2變為高電平時，電流積分模塊30的輸出變為共模電壓。此時，開關第一開關s1和第二開關s2斷開，第三開關s3和第四開關s4導通，採樣斷開時刻，積累在第一電容c1上的電荷轉移到第二電容c2上，電壓積分模塊40輸出積分電壓，經過n1個周期後，電壓積分模塊40的輸出可以表示為：

其中t表示半個時鐘周期，經過n1個周期後，當電壓積分模塊40電壓大於第一比較電壓vc1時，第一比較器comp1輸出高電平，使觸發器51置位，觸發器51的輸出端q由低電平變為高電平。進而第五mos管m5斷開，第八mos管m8導通，電流積分模塊30輸入的電流由輸入電流iin反向疊加參考電流iref後所得的電流構成，因此經過n2個周期後，電壓積分模塊40的輸出變為

因為輸入電流iin小於參考電流iref，所以在此過程中電壓積分模塊40的輸出電壓不斷減小，當電壓積分模塊40輸出電壓小於第二比較器comp2的第二比較電壓vc2時，觸發器51的復位信號輸入端reset變為高電平，觸發器51輸出端q變為低電平，重複以上過程，觸發器51輸出端q的高電平通過後續的計數器模塊60進行計算，該值反應的就是輸入電流iin與參考電流iref的關係。

實施例4：

本實施例中的電化學傳感器模塊10如圖9所示，本實施例中的電化學傳感器11採用的是三電極電化學傳感器，其中we極為工作電極、re極為參比電極、ce極為輔助電極。另外還包括第三運放a3和第十mos管m10，該兩個部件組成恆電位儀的控制單元。其中電化學傳感器11的we極接地，re極與第三運放a3的反相輸入端相連，正相輸入端連接固定電壓vcell，輸出接在n溝的第十mos管m10的柵極。第十mos管m10的源極與ce極相連。由於第三運放a3處於深度負反饋狀態，re極電位等於vcell，因此re極和we極之間的電勢保持恆定，恆定值為vcell。當測量溶液濃度時，在we極表面發生化學反應，產生與濃度呈一定關係的電流，而re極連接的為cmos運算放大器的反相輸入端，該端點阻抗極高，因此we極產生的電流不會流經re極，迫使產生的電流全部流經ce極。並且we極接真實地，使得產生的電流對噪聲和幹擾不敏感。另外，在本實施例中的第三運放a3的輸出端並沒有直接接在ce極，而是通過第十mos管m10再連接ce極，因此電流輸出端由低阻節點ce極變為了高阻節點x。

上面結合附圖對本發明的實施方式作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。