自動量程控制在DNA電化學(xué)信號采集儀中的應(yīng)用 2011-05-17 10:46:39來源:互聯(lián)網(wǎng)

0 引 言
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)胞白血病(APL)和慢性粒細(xì)胞白血病(慢粒CML)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。


點擊看大圖
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)控式快速精確調(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。

點擊看大圖
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，