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波形發生器和頻率分辨率

點擊次數:2983 更新時間:2020-04-27

此篇報告的目的

本技術報告概述了如何用電化學工作站產生波形信號。此外,還討論了“頻率分辨率”一次,這一經常在規格書常常提到的名詞。但是這一術語究竟描述的是什么?有什么意義。

介紹

進行EIS試驗時,向測試體系施加不同頻率下電位或電流正弦波信號。正弦波的公式如下:

 EIS Experiments sine wave signal with var一ng frequencies

以Et作為在時間t的施加信號,幅度E0和角頻率ω。角頻率也可以寫成ω=2π?f的頻率f。

因為對EIS的詳細介紹不在本應用報告范圍內,所以我們主要關注正弦波信號的生成方式。

請參考Gamry網站上相關應用報告 電化學阻抗譜原理

信號數字化和局限性

過去,波形信號是通過模擬方法產生的;較早的儀器使用鎖相環(PLL)來創建正弦波。現在,信號已數字化。這意味著信號發生器以階梯形式近似信號曲線(見圖1)。每個單獨階梯的寬度(時間標度)和高度(幅度標度)取決于采樣率和幅度分辨率。這些階梯越小,信號再現越好。

sine wave digitized staircase

圖1 正弦波圖形,放大細節顯示了其數字化階梯形式

高頻信號通常是電化學工作站的限制因素。采樣率(也稱為“時鐘率”或“時鐘頻率”)起著重要作用。時鐘頻率不僅定義了產生信號的階梯的寬度,還決定了能夠達到的大信號頻率。通常,時鐘頻率fCLK必須至少是信號頻率的兩倍。極限頻率也能奎斯特頻率fNyuisit(見公式2)。

eq2 sinewave

圖2更加詳細的說明了這一點。紅線代表目標正弦信號。黑點表示信號發生器的時鐘頻率,綠線表示實際信號。

clock frequency waveform generation

圖2 時鐘頻率對波形產生的影響

如圖2所示,如果信號頻率f高于fNyquist(上),則無法產生正弦波,產生的只是恒定信號。如果信號頻率等于(中)或低于fNyquist(下),則可以產生正弦波信號。

還能注意到,與信號頻率f相比,更大的fCLK產生的正弦信號更好,因為有更多的點來構成信號。在第二種情況下(f=fNyuist),生成的信號只是一個三角波。因此fCLK往往要比目標頻率大很多。

但是,不僅是始終頻率限制了可用的頻率范圍。高頻信號還意味著由控制放大器處理更快的信號變化(步長)。為了處理好這些信號,控制放大器的帶寬需要足夠高,以便可以正確調整信號施加在測試體系上。

其他決定可用頻率范圍的因素來自測試設置。電極線對信號的質量和帶寬有巨大影響。諸如雜散電容和電感效應會極大地限制頻率范圍。

F更多關于儀器限制的詳細介紹,請參考Gamry應用報告“準確度等高線圖-測量和討論”

與高頻相反,低頻信號由于過程緩慢很容易控制。低頻沒有儀器方面限制,但有實際限制。例如,一個10µHz的正弦信號會持續27小時。

波形產生

Gamry根據頻率范圍使用兩種不同的方法來生成波形。直接數字合成器(DDS)正弦波發生器用于生成高頻信號。數模轉換器(DAC)用來生成低頻信號。圖3給出了這兩種方法信號發生器的簡化圖。

diagram of a signal generator

圖3 兩種頻率相關的正弦波生成方法的信號發生器簡化圖。詳細信息,參考下文。

信號發生器的輸出信號終傳遞到控制放大器。它將信號施加到測試體系上,并通過靜電計的輸入相應地調整信號。

有關各種儀器術語和功能原理的詳細介紹,請參考Gamry應用報告“ “了解電化學工作站規格參數”

以下各節將詳細介紹這兩種用于生成波形的方法。

高頻信號

每個DDS波形發生器都有一個數字時鐘輸入。其參考時鐘頻率fCLK確定各個信號點之間的時間分辨率。

頻率輸入在“頻率寄存器”中處理并讀入“相位累加器”。顧名思義,它不使用正弦波模值,而是相位信息來生成波形。原因是正弦信號的模值不是線性的,因此很難生成。但是相位是線性的。因此更容易生成相位曲線,然后將其轉換成正弦波信號。

相位累加器生成一個連續的數字相位信號,每個周期重復。相位的階躍高度Dq由相位累加器的分辨率定義。例如,在使用32位分辨率時,相位信息被分為232部分。

Magnitude and phase behavior of a sine wave

圖4 正弦信號幅值和相角的變化

可以通過控制相位位數來調整輸出頻率。這一參數又被稱為“頻率調諧字”(FTW)。每個適用頻率值都有相對應的FTW值,該值存儲在“頻率寄存器”中(見圖3)。輸入頻率輸入值后,將從頻率寄存器中檢索相應的FTW值,然后將其讀入相位累加器。然后相位累加器創建一個與輸入頻率相對應的相位信號。DDS的一般輸出方程可以按如下表示(對于32位相位累加器)。

eq3 waveform

Δt是數字信號的階躍寬度,通常表示為fCLK的倒數。

注意,如果相位累加器(FTW=232)掃描整個相位范圍,則輸出頻率fout將等于DDS的時鐘頻率fCLK。然而,如上文和圖2所述,不可能以該頻率生成正弦波信號。因此,FTW值的范圍從0到232-1(對于32位的相位累加器),并且覆蓋可用相位位數的下半部分。這意味著只能生成大頻率為fNyuist的信號。

相位累加器的輸出信號包含相位信息。必須將之轉換成振幅才能產生正弦波信號。這在所謂的“正弦查找表”(sine-LUT)中完成。

該表中的每個相位值都分配有一個振幅值。在后一步,轉化成振幅值是在數模轉換器(DAC)中處理。它生成具有所需頻率的正弦波。

“帶通濾波器”用于過濾掉不需要的部分,從而產生出平滑的輸出信號。它消除了DDS輸出的階躍,并且防止信號漂移。以下段落更加詳細的說明這一點。

圖5顯示了用IFC 5000測試的1MHz正弦波輸出信號。藍線是相位累加器之后的輸出。請注意時鐘頻率為24MHz。因此單個正弦波信號顯示24個信號階躍。整個信號和高頻噪聲信號疊加在一起。相反,濾波后的輸出信號(紅線)是平滑的,階梯形式幾乎被*濾除。此外,信號的噪聲也大大降低。后的輸出信號更類似于模擬信號。

Sine wave output of an Interface 5000

圖5 IFC 5000正弦波輸出信號濾波前(藍)和后(紅)的信號

圖6比較了圖5中所示的兩個正弦波信號的快速傅里葉變化(FFT)圖。正弦波信號顯示在頻率域中,。圖6A顯示了未濾波的信號,圖6B是濾波后的信號。

在頻率為1MHz時,兩張圖都有一個主信號峰值,代表正弦波的基頻。在正弦波基頻的諧波處可以找到其他峰,在這種情況下,n乘以1MHz(n=2,3,4,…)。圖6B中的這些峰值幾乎都被過濾器*濾除。

圖6中未顯示時鐘頻率(24MHz)附近的頻率范圍。通常,FFT圖還會在這一頻率出現一個很大的峰。然而這一部分也被濾除,通常不會影響所施加的信號的質量。

peaks filtered

FFT of sine wave output signal shown in Figure 5. (A) unfiltered signal, (B) fil

圖6 正弦波輸出信號的快速傅里葉轉換圖,A濾波前,B濾波后

后一步,將濾波后的信號讀入處理輸入幅值的“衰減DAC”中。DDS輸出信號始終以大幅值生成。衰減DAC根據所需幅值調整幅值大小。信號發生器的輸出信號傳遞到控制放大器中,在此將信號施加在測試體系上。

DDS的通用輸出方程式(式3)也可用于計算其小頻率(FTW=1)。例如,帶有32位相位累加器的24MHzDDS可產生小頻率大約5.6mHz的正弦波信號。這也是DDS的頻率分辨率。所有更高頻率都是該值的整數倍。

低頻信號

如上文所述,DDS的小頻率取決于其時鐘頻率和相位累加器的分辨率。因此Gamry使用DAC生成較低頻率(<100Hz)的波形信號,如圖3所示。低頻率波形更容易控制,因為與高頻相比信號變化很小。DAC處理輸入頻率和幅值,并根據輸入參數逐漸掃描信號。“低通濾波器”會在控制放大器處理輸出信號之前對其進行平滑處理。

技術上沒有限制但是實際有限制。如上文所述,在mHz范圍內的正弦波需要幾個小時。

總結

在應用報告介紹了電化學工作站是如何生成波形的。Gamry在高頻信號上使用直接數字合成正弦發生器。但是,頻率范圍受其分辨率和采樣率限制。因此逐漸掃描信號的數模轉換器用于較低頻率。

基本上,低頻信號不是電化學工作站的限制因素。有更多實際原因的限制,因為實驗可能需要很長的時間。相反,諸如采樣率之類的因素限制了高頻信號。此外,電極線和設置引起的電容和電感效應會嚴重影響信號的質量和帶寬。

電化學工作站規格參數中經常提到“頻率分辨率”一詞。這可能引起誤解,通常不能提供足夠信息或不能*指示儀器的性能。如果有的話,頻率分辨率僅對高頻信號有意義。衡量儀器EIS性能的hao方法是準確度等高線圖(ACP)。

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