自动量程控制在DNA电化学信号采集仪中的应用

2011-05-17 10:46:39来源: 互联网

0  引  言

    DNA电化学信号采集仪是基于电化学分析技术设计的诊断仪器。电化学分析技术是当前测定DNA序列的热点,它相对于表面分析技术、凝胶电泳技术、微量热法、毛细管电泳法、电化学分析技术和化学发光分析技术等有较大优势。本设计采用循环伏安法检测DNA生化反应产生的电流,从而对急性早幼粒细胞白血病(APL)和慢性粒细胞白血病(慢粒CML)作出早期诊断。采集仪具有小型化、集成化及原位、在体、实时、在线的检测等特点。

电化学方法的检测体系一般为三电极体系:工作电极为金电极,其上面固定着DNA片段和用于检测的电活性杂交指示剂;参比电极为银/氯化银电极;辅助电极为铂电极。

一般情况下,使用CHI660C并选择循环伏安法做电化学实验,需要设置其灵敏度,一旦灵敏度设置不恰当,就会影响检测效果。因此,为了提高电流信号的检测精度,DNA电化学信号采集仪需要具备自动控制灵敏度的功能。

本文首先简单介绍了自制的DNA电化学信号采集仪的整体框架、功能及性能,然后详细阐述了自动量程控制系统在信号采集模块中的应用,并给出了相应的硬件和软件设计方案。

1  系统设计

整个DNA电化学信号采集仪主要由四个模块构成,如图1所示。



处理器模块  这部分采用TI公司的DSP处理器TMS320F2806,主要负责对信号发生模块和信号采集模块的控制,同时,对采集到的信号进行处理,并发送给上位机。

信号发生模块  包括16位D/A、低通滤波和恒电位仪。该模块在DSP的控制下,根据选择的电化学检测方法,产生相应的波形信号。

信号采集模块  包括I/V转换电路、自动量程控制电路、电压调整电路、低通滤波电路和16位A/D。其功能是采集电化学反应池中的电流信号。

电化学反应池模块  为三电极体系的电化学反应提供场所,并将反应中产生的电流信号传送给信号采集模块。  

2  自动量程控制系统的设计

2.1  自动量程控制系统的设计要求

考虑到一般电化学反应产生的电流信号范围为1.0×10-7~1.0×10-3A,所以就要求DNA电化学信号采集仪中信号采集部分的电路能检测此范围的电流信号,并且抗干扰性要强,噪声和信号失真要低。此外,信号采集电路还需要具有数控式快速精确调档的功能,能根据一定的条件自动调整灵敏度,即自动升档或降档。

一般情况下,应使被转换量在A/D转换线性区之内,尽可能使模拟量在1/2满度~接近满度的区域中转换,即根据未知参数量值的范围,自动选择合适的灵敏度。

2.2  自动量程控制系统的设计

智能化DNA电化学信号采集仪是通过自动切换量程实现I/V转换的。其原理如下:



式中:I测量表示待测的电流信号;K表示采样的灵敏度;V偏置表示某一恒定的偏置电压;VREF表示A/D的参考电压;S表示A/D采样的数字信号值;n表示A/D转换器的转换位数。

在设计电路之前,可以根据实际需求,来确定量程及切换量程的条件,再检查在此条件下,电流范围及精度是否达到了要求。

2.2.1  量程的确定

根据自动量程控制系统的设计要求,决定将仪器的量程设为4档,相邻档之间的灵敏度K相差10倍,则4档对应的I/V转换电阻分别为1 MΩ,100 kΩ,10 kΩ和1 kΩ。具体的设计如表1所示。

2.2.2  切换量程条件的确定

由于待测电流有正负之分,即方向不同,所以I/V转换后的电压也有正负之区别。本设计中,16位A/D的采集电压的范围是0~4.096 V,因此增加了一个2.5 V的偏置电压,使得A/D采集的电压范围改变为-2.5~+1.596 V。下面分别确定上限和下限换档的条件。



上限换档  当电压信号靠近A/D满量程,或者信号较小时,A/D采样就会发生失真,所以,本设计以(2.5±1.5)V作为A/D输入的上限值,即1.0 V和4.0 V,两者分别是负的和正的可测电压的上限值。如果A/D的采样电压值小于1.0 V或者大于4.0 V,那么就超出了此档的量程,就要向上升一档。

下限换档  各档之间灵敏度的比值为10,所以,从理论上讲,换档的下限值应该为(2.5±1.5/10)V,但为了防止测量系统频繁的量程切换,本设计增加了一个0.1 V宽度的换档衔接区,所以其下限值为(2.5±(1.5-0.1)/10)V,即2.36 V和2.64 V,两者分别是负的和正的可测电压下限值。如果电压值在2.36~2.64 V之间,那么就超出了此档的量程,就要向下降一档。

从A/D的采样值S的角度来看,它的换档条件可总结如表2所示。



2.2.3  测量电流范围及精度的计算

在本设计中,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测量与S之间必然存在一个对应的关系式:



由表2知,S的范围为0x3E80~0x9380和0xA500~0xFA00,则可由式(2)得出每一档的I测量的范围,及其对应的电流精度,如表3所示。由此表可见,测量电流的范围及精度基本上满足了仪器的要求。

2.3  硬件电路的设计

本设计利用处理器控制两片数字电位器,从而调整I/V转换的灵敏度,继而实现了信号采集的自动量程控制。数字电位器亦称数控电阻器,任何需要用电阻来进行参数调整校准或控制的场合,都可使用数字电位器构成可编程模拟电路。本设计将AD5242作为粗调电位器,其最大阻值能达到1 MΩ,共256个抽头。同时,将AD5254作为微调电位器,其最大阻值为10 kΩ,共256个抽头。AD5242和AD5254的电路设计框图如图2所示。



对于这两类数字电位器而言,W与B之间的电阻阻值为:RWB(D)=(D/256)RAB+RW。其中,D表示输入的8位二进制码,范围是0~255;RAB是指A和B两端之间的电阻;RW是滑动端由于内部开关而引起的电阻。

如图2所示,对于AD5242,RW1B1=(D/256)×1+60;对于AD5254,RW2B2=(D/256)×10+75;W1和W2之间的电阻RW1W2=RW1B1+RW2B2。各个量程的具体设计见表4。



2.4 软件设计

自动量程控制系统的软件设计如图3所示。其具体工作过程如下:



当A/D采样值S超出了量程上限或下限,则先判断当前量程是否达到了最高档或最低档量程,若没有达到,则向上或向下换档,然后重新采样;否则,就说明信号超出了检测的范围。  

如果S处于当前档量程范围内,则处理器就会把采样值保存下来并发送给上位机,结束一次采样。

3实验结果及分析

对于微安级的小电流,在各个量程档的检测结果如图4所示,当K=1e-006 A/V(1档)时,数据的线性度最好,最准确;而随着档级的逐渐升高,数据的线性度越来越差。所以,本仪器将灵敏度K自动设置为1档,检测结果与图4中的1一致,从而实现了自动量程控制的效果,无需手动设置灵敏度。图中I为电流;U为扫描电压。


对于毫安级的电流,在各个量程档的检测结果如图5所示。当K=1e-003 A/V(4档)时,可采集到所有电流信号,且数据比较准确;而随着档级的降低,电流信号逐渐超出了检测范围,但在可检测的范围内线性度较好。对于此信号,随着电流信号接近零,本仪器的灵敏度K将从4档逐渐转到1档,然后又随着电流的增大逐渐转到1档,从而实现了自动量程控制,效果如图5中的4所示。


由实验可知,自动量程控制系统避免了手动设置灵敏度,实现了量程档的自动调节,实现了电流信号的宽范围的准确检测。

4结  语

本文介绍了以DSP为核心的DNA电化学信号采集仪,重点讲述了其中自动量程控制系统的设计。自动量程控制的方式拓展了由DNA生化反应引起的电流信号的检测范围,并且提高了采样的准确性,达到了仪器的宽检测范围、高精度等性能要求。

关键字:采集  应用

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0517/article_5992.html
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