基于FPGA/MCU的电化学阻抗测试设备开发

摘要

电化学阻抗法是一种暂态电化学技术，是电化学测量技术中一种十分重要的研究方法。近些年来，阻抗法在电极反应机理、电沉积、腐蚀和化学电源等研究领域中有着越来越多的应用。同时，随着电子技术的不断发展，电化学工作站越来越成为化学研究常用设备之一，而交流阻抗谱测量也越来越成为电化学工作站所必需提供功能之一。
　　 西方国家交流阻抗谱测量仪器研究开展较早，成果也相对丰富，目前已开发出最高扫频频率达8MHz的仪器。国内水平相对落后，目前水平扫频范围最高频率在115KHz一下，因此，研制一种扫频范围高至1MHz的阻抗谱测量仪器，对于缩小与国外差距，同时提供一种扫频范围适中、价格便宜的仪器供国内化学研究领域使用具有重要意义。
　　 本文简要介绍了电化学阻抗谱理论和设计中所采用的测量相位差方法——数字相关法。硬件设计方面，采用了结合MCU和FPGA 技术的数字信号发生器，使用了高性能运算放大器来搭建恒电位仪。数据采集方面，低偏置电流、高输入阻抗的电压跟随的使用减少了对被测体系的负面影响，硬件同步的双通道采样和自动去直流偏置放大技术极大地提高了信噪比，大容量RAM的采用使系统能存储更多采集数据，从而增加了积分时间，提高了测量精度。
　　 下位机是中起主控作用的是MCU，MCU负责接收和解释来自上位机软件的指令。
　　 软件方面，介绍了一些下位机FPGA和MCU的编程思想。上位机应用软件是基于Windows XP开发的，它使用方便、功能强大，能够图形实时显示测量结果，当然这个不是本文重点。
　　 本文还介绍了一些仪器调试和测试情况，并对目前存在的一些问题做了一些探讨，对其未来发展做了一些展望。