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自動量程控制在DNA電化學(xué)信號采集儀中的應(yīng)用

   2010年03月24日 09:30  
    DNA電化學(xué)信號采集儀是基于電化學(xué)分析技術(shù)設(shè)計的診斷儀器。電化學(xué)分析技術(shù)是當(dāng)前測定DNA序列的熱點,它相對于表面分析技術(shù)、凝膠電泳技術(shù)、微量熱法、毛細(xì)管電泳法、電化學(xué)分析技術(shù)和化學(xué)發(fā)光分析技術(shù)等有較大優(yōu)勢。本設(shè)計采用循環(huán)伏安法檢測DNA生化反應(yīng)產(chǎn)生的電流,從而對急性早幼粒細(xì)胞白血?。ˋPL)和慢性粒細(xì)胞白血?。ML)作出早期診斷。采集儀具有小型化、集成化及原位、在體、實時、在線的檢測等特點。

    電化學(xué)方法的檢測體系一般為三電極體系:工作電極為金電極,其上面固定著DNA片段和用于檢測的電活性雜交指示劑;參比電極為銀/氯化銀電極;輔助電極為鉑電極。

    一般情況下,使用CHI660C并選擇循環(huán)伏安法做電化學(xué)實驗,需要設(shè)置其靈敏度,一旦靈敏度設(shè)置不恰當(dāng),就會影響檢測效果。因此,為了提高電流信號的檢測精度,DNA電化學(xué)信號采集儀需要具備自動控制靈敏度的功能。

    本文首先簡單介紹了自制的DNA電化學(xué)信號采集儀的整體框架、功能及性能,然后詳細(xì)闡述了自動量程控制系統(tǒng)在信號采集模塊中的應(yīng)用,并給出了相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計

整個DNA電化學(xué)信號采集儀主要由四個模塊構(gòu)成,如圖1所示。

處理器模塊 這部分采用TI公司的DSP處理器TMS320F2806,主要負(fù)責(zé)對信號發(fā)生模塊和信號采集模塊的控制,同時,對采集到的信號進(jìn)行處理,并發(fā)送給上位機(jī)。

信號發(fā)生模塊 包括16位D/A、低通濾波和恒電位儀。該模塊在DSP的控制下,根據(jù)選擇的電化學(xué)檢測方法,產(chǎn)生相應(yīng)的波形信號。

信號采集模塊 包括I/V轉(zhuǎn)換電路、自動量程控制電路、電壓調(diào)整電路、低通濾波電路和16位A/D。其功能是采集電化學(xué)反應(yīng)池中的電流信號。

電化學(xué)反應(yīng)池模塊 為三電極體系的電化學(xué)反應(yīng)提供場所,并將反應(yīng)中產(chǎn)生的電流信號傳送給信號采集模塊。

2 自動量程控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 自動量程控制系統(tǒng)的設(shè)計要求

考慮到一般電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號范圍為1.0×10-7~1.0×10-3A,所以就要求DNA電化學(xué)信號采集儀中信號采集部分的電路能檢測此范圍的電流信號,并且抗干擾性要強(qiáng),噪聲和信號失真要低。此外,信號采集電路還需要具有數(shù)控式快速調(diào)檔的功能,能根據(jù)一定的條件自動調(diào)整靈敏度,即自動升檔或降檔。

一般情況下,應(yīng)使被轉(zhuǎn)換量在A/D轉(zhuǎn)換線性區(qū)之內(nèi),盡可能使模擬量在1/2滿度~接近滿度的區(qū)域中轉(zhuǎn)換,即根據(jù)未知參數(shù)量值的范圍,自動選擇合適的靈敏度。

2.2 自動量程控制系統(tǒng)的設(shè)計

智能化DNA電化學(xué)信號采集儀是通過自動切換量程實現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換的。其原理如下:



式中:I測量表示待測的電流信號;K表示采樣的靈敏度;V偏置表示某一恒定的偏置電壓;VREF表示A/D的參考電壓;S表示A/D采樣的數(shù)字信號值;n表示A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)。

在設(shè)計電路之前,可以根據(jù)實際需求,來確定量程及切換量程的條件,再檢查在此條件下,電流范圍及精度是否達(dá)到了要求。

2.2.1 量程的確定

根據(jù)自動量程控制系統(tǒng)的設(shè)計要求,決定將儀器的量程設(shè)為4檔,相鄰檔之間的靈敏度K相差10倍,則4檔對應(yīng)的I/V轉(zhuǎn)換電阻分別為1 MΩ,100 kΩ,10 kΩ和1 kΩ。具體的設(shè)計如表1所示。

2.2.2 切換量程條件的確定

由于待測電流有正負(fù)之分,即方向不同,所以I/V轉(zhuǎn)換后的電壓也有正負(fù)之區(qū)別。本設(shè)計中,16位A/D的采集電壓的范圍是0~4.096 V,因此增加了一個2.5 V的偏置電壓,使得A/D采集的電壓范圍改變?yōu)?2.5~+1.596 V。下面分別確定上限和下限換檔的條件。

   上限換檔 當(dāng)電壓信號靠近A/D滿量程,或者信號較小時,A/D采樣就會發(fā)生失真,所以,本設(shè)計以(2.5±1.5)V作為A/D輸入的上限值,即1.0 V和4.0 V,兩者分別是負(fù)的和正的可測電壓的上限值。如果A/D的采樣電壓值小于1.0 V或者大于4.0 V,那么就超出了此檔的量程,就要向上升一檔。

   下限換檔 各檔之間靈敏度的比值為10,所以,從理論上講,換檔的下限值應(yīng)該為(2.5±1.5/10)V,但為了防止測量系統(tǒng)頻繁的量程切換,本設(shè)計增加了一個0.1 V寬度的換檔銜接區(qū),所以其下限值為(2.5±(1.5-0.1)/10)V,即2.36 V和2.64 V,兩者分別是負(fù)的和正的可測電壓下限值。如果電壓值在2.36~2.64 V之間,那么就超出了此檔的量程,就要向下降一檔。

從A/D的采樣值S的角度來看,它的換檔條件可總結(jié)如表2所示。



2.2.3 測量電流范圍及精度的計算

在本設(shè)計中,采用16位A/D芯片,得n=16,VREF=4.096 V,V偏置=2.5 V。所以,由式(1)可知,I測量與S之間必然存在一個對應(yīng)的關(guān)系式:

由表2知,S的范圍為0x3E80~0x9380和0xA500~0xFA00,則可由式(2)得出每一檔的I測量的范圍,及其對應(yīng)的電流精度,如表3所示。由此表可見,測量電流的范圍及精度基本上滿足了儀器的要求。

2.3 硬件電路的設(shè)計

本設(shè)計利用處理器控制兩片數(shù)字電位器,從而調(diào)整I/V轉(zhuǎn)換的靈敏度,繼而實現(xiàn)了信號采集的自動量程控制。數(shù)字電位器亦稱數(shù)控電阻器,任何需要用電阻來進(jìn)行參數(shù)調(diào)整校準(zhǔn)或控制的場合,都可使用數(shù)字電位器構(gòu)成可編程模擬電路。本設(shè)計將AD5242作為粗調(diào)電位器,其zui大阻值能達(dá)到1 MΩ,共256個抽頭。同時,將AD5254作為微調(diào)電位器,其zui大阻值為10 kΩ,共256個抽頭。AD5242和AD5254的電路設(shè)計框圖如圖2所示。

對于這兩類數(shù)字電位器而言,W與B之間的電阻阻值為:RWB(D)=(D/256)RAB+RW。其中,D表示輸入的8位二進(jìn)制碼,范圍是0~255;RAB是指A和B兩端之間的電阻;RW是滑動端由于內(nèi)部開關(guān)而引起的電阻。

如圖2所示,對于AD5242,RW1B1=(D/256)×1+60;對于AD5254,RW2B2=(D/256)×10+75;W1和W2之間的電阻RW1W2=RW1B1+RW2B2。各個量程的具體設(shè)計見表4。

2.4 軟件設(shè)計

自動量程控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計如圖3所示。其具體工作過程如下:



當(dāng)A/D采樣值S超出了量程上限或下限,則先判斷當(dāng)前量程是否達(dá)到了zui或zui低檔量程,若沒有達(dá)到,則向上或向下?lián)Q檔,然后重新采樣;否則,就說明信號超出了檢測的范圍。

如果S處于當(dāng)前檔量程范圍內(nèi),則處理器就會把采樣值保存下來并發(fā)送給上位機(jī),結(jié)束一次采樣。

3實驗結(jié)果及分析

對于微安級的小電流,在各個量程檔的檢測結(jié)果如圖4所示,當(dāng)K=1e-006 A/V(1檔)時,數(shù)據(jù)的線性度,zui準(zhǔn)確;而隨著檔級的逐漸升高,數(shù)據(jù)的線性度越來越差。所以,本儀器將靈敏度K自動設(shè)置為1檔,檢測結(jié)果與圖4中的1一致,從而實現(xiàn)了自動量程控制的效果,無需手動設(shè)置靈敏度。圖中I為電流;U為掃描電壓。

對于毫安級的電流,在各個量程檔的檢測結(jié)果如圖5所示。當(dāng)K=1e-003 A/V(4檔)時,可采集到所有電流信號,且數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確;而隨著檔級的降低,電流信號逐漸超出了檢測范圍,但在可檢測的范圍內(nèi)線性度較好。對于此信號,隨著電流信號接近零,本儀器的靈敏度K將從4檔逐漸轉(zhuǎn)到1檔,然后又隨著電流的增大逐漸轉(zhuǎn)到1檔,從而實現(xiàn)了自動量程控制,效果如圖5中的4所示。

由實驗可知,自動量程控制系統(tǒng)避免了手動設(shè)置靈敏度,實現(xiàn)了量程檔的自動調(diào)節(jié),實現(xiàn)了電流信號的寬范圍的準(zhǔn)確檢測。

4結(jié) 語

本文介紹了以DSP為核心的DNA電化學(xué)信號采集儀,重點講述了其中自動量程控制系統(tǒng)的設(shè)計。自動量程控制的方式拓展了由DNA生化反應(yīng)引起的電流信號的檢測范圍,并且提高了采樣的準(zhǔn)確性,達(dá)到了儀器的寬檢測范圍、高精度等性能要求。

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