自动量程控制在DNA电化学信号采集仪中的应用
摘 要:介绍一种基于电化学分析技术,用于疾病早期诊断的DNA电化学信号采集仪。详细阐述了仪器中的自动量程控制系统如何实现自动调整采样灵敏度。在此系统中,DSP处理器根据采集到的电流信号值控制两片数字电位器,从而调整I/V转换的灵敏度,实现自动量程控制的功能,这样就避免了手动设置灵敏度,提高了采样的灵活性和准确性。
关键词:DNA电化学信号采集仪;自动量程控制;数字电位器;I/V转换
中图分类号:TP29 文献标识码:A
文章编号: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,Fuzhou,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[1,2]。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[3]。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[1,2];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[4]。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。
图1 DNA电化学信号采集仪结构
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[4]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[5],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:
I测量/K+V偏置=VREF•S/2n
(1)
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[6,7]。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[6,7]。
表1 各档灵敏度与转换电阻的设计
档级灵敏度K /A/VI/V转换电阻 /kΩ
11e-0061 000
21e-005100
31e-00410
41e-0031
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。
表2 换档条件的设计
负电流信号正电流信号
输入电压 /VS输入电压 /VS
上限值1.00x3E804.00xFA00
下限值2.360x93802.640xA500
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:
I测量=VREF•S/2n-V偏置K=4.09665 536S-2.5K
(2)
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[8]。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。
表3 各档可检测的电流信号的范围及精度
档级灵敏度K/A/V测量电流范围 /A电流精度 /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
图2 AD5242和AD5254的电路设计框图
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[9],RW1B1=(D/256)×1+60;对于AD5254[10],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。
表4 各档量程AD5242与 AD5254的D值设计
理想
RW1W2 /kΩAD5242D值AD5242阻值 /ΩAD5254D值AD5254阻值 /Ω实际RW1W2 /kΩ
1 0000xFF996 153.750x613 864.062 51 000 017.812 51 000
1000x1997 716.250x392 301.562 5100 017.812 5100
100x00600xFD9 957.812 510 017.812 510
10x00600x16934.375994.3751
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。
图3 自动换档的软件设计流程图
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。
1:K=1e-006 A/V(1档);2:K=1e-005 A/V(2档);
3:K=1e-004 A/V(3档)
图4 微安级电流在不同档的伏安法检测结果
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。
1:K=1e-003 A/V(4档);2:K=1e-004 A/V(3档);
3:K=1e-005 A/V(2档);4:K自动可变
图5 毫安级电流在不同档的伏安法检测结果
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。
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