自動量程控制在DNA電化學(xué)信號采集儀中的應(yīng)用

摘 要:介紹一種基于電化學(xué)分析技術(shù)，用于疾病早期診斷的DNA電化學(xué)信號采集儀。詳細(xì)闡述了儀器中的自動量程控制系統(tǒng)如何實現(xiàn)自動調(diào)整采樣靈敏度。在此系統(tǒng)中，DSP處理器根據(jù)采集到的電流信號值控制兩片數(shù)字電位器，從而調(diào)整I/V轉(zhuǎn)換的靈敏度，實現(xiàn)自動量程控制的功能，這樣就避免了手動設(shè)置靈敏度，提高了采樣的靈活性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞:DNA電化學(xué)信號采集儀;自動量程控制;數(shù)字電位器;I/V轉(zhuǎn)換

中圖分類號:TP29 文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-167-04

Application of Automatic Scaling Control in the Instrument for

DNA Electrochemical Signals Acquisition

SHEN Donghai，DU Min，CHEN Xuhai

(Fujian Key Lab of Medical Instrument Pharmaceutical Technology，F(xiàn)uzhou，350002，China)

Abstract:An introduction to the instrument for DNA electrochemical signals acquisition，which is based on the technology of analysis，and used for diagnosis of early disease is given.The system of automatic scaling control in this instrument is expounded.In the system，the DSP processor regulates the sensitivity of I/V conversion through controlling two digital potentiometer，then the automatic scaling control of signals acquisition is achieved.So，manual setting of sensitivity is avoided，and sensitivity and veracity of sampling are improved.

Keywords:instrument for DNA electrochemical signals acquisition;automatic scaling control;digital potentiometer;I/V conversion

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[1，2]。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[3]。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[1，2];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[4]。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，對采集到的信號進行處理，并發(fā)送給上位機。

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。

圖1 DNA電化學(xué)信號采集儀結(jié)構(gòu)

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[4]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，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[5]，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:

I測量/K+V偏置=VREF#8226;S/2n

(1)

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;VREF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[6，7]。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[6，7]。

表1 各檔靈敏度與轉(zhuǎn)換電阻的設(shè)計

檔級靈敏度K /A/VI/V轉(zhuǎn)換電阻 /kΩ

11e-0061 000

21e-005100

31e-00410

41e-0031

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。

表2 換檔條件的設(shè)計

負(fù)電流信號正電流信號

輸入電壓 /VS輸入電壓 /VS

上限值1.00x3E804.00xFA00

下限值2.360x93802.640xA500

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，VREF=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:

I測量=VREF#8226;S/2n-V偏置K=4.09665 536S-2.5K

(2)

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[8]。本設(shè)計將AD5242作為粗調(diào)電位器，其最大阻值能達到1 MΩ，共256個抽頭。同時，將AD5254作為微調(diào)電位器，其最大阻值為10 kΩ，共256個抽頭。AD5242和 AD5254的電路設(shè)計框圖如圖2所示。

表3 各檔可檢測的電流信號的范圍及精度

檔級靈敏度K/A/V測量電流范圍 /A電流精度 /A

11e-006-1.5×10-6~ -1.4×10-7且1.4×10-7~1.5×10-66.25×10-11

21e-005-1.5×10-5~-1.4×10-6且1.4×10-6~1.5×10-56.25×10-10

31e-004-1.5×10-4~-1.4×10-5且1.4×10-5~1.5×10-46.25×10-9

41e-003-1.5×10-3~-1.4×10-4且1.4×10-4~1.5×10-36.25×10-8

圖2 AD5242和AD5254的電路設(shè)計框圖

對于這兩類數(shù)字電位器而言，W與B之間的電阻阻值為:RWB(D)=(D/256)RAB+RW。其中，D表示輸入的8位二進制碼，范圍是0～255;RAB是指A和B兩端之間的電阻;RW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[9]，RW1B1=(D/256)×1+60;對于AD5254[10]，RW2B2=(D/256)×10+75; W1和W2之間的電阻RW1W2=RW1B1+ RW2B2。各個量程的具體設(shè)計見表4。

表4 各檔量程AD5242與 AD5254的D值設(shè)計

理想

RW1W2 /kΩAD5242D值A(chǔ)D5242阻值 /ΩAD5254D值A(chǔ)D5254阻值 /Ω實際RW1W2 /kΩ

1 0000xFF996 153.750x613 864.062 51 000 017.812 51 000

1000x1997 716.250x392 301.562 5100 017.812 5100

100x00600xFD9 957.812 510 017.812 510

10x00600x16934.375994.3751

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)前量程是否達到了最高檔或最低檔量程，若沒有達到，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，結(jié)束一次采樣。

圖3 自動換檔的軟件設(shè)計流程圖

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)的線性度最好，最準(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。

1:K=1e-006 A/V(1檔);2:K=1e-005 A/V(2檔);

3:K=1e-004 A/V(3檔)

圖4 微安級電流在不同檔的伏安法檢測結(jié)果

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。

1:K=1e-003 A/V(4檔);2:K=1e-004 A/V(3檔);

3:K=1e-005 A/V(2檔);4:K自動可變

圖5 毫安級電流在不同檔的伏安法檢測結(jié)果

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，達到了儀器的寬檢測范圍、高精度等性能要求。

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