自動(dòng)量程控制在DNA電化學(xué)信號(hào)采集儀中的應(yīng)用

本文首先簡(jiǎn)單介紹了自制的DNA電化學(xué)信號(hào)采集儀的整體框架、功能及性能，然后詳細(xì)闡述了自動(dòng)量程控制系統(tǒng)在信號(hào)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(jì)方案。

DNA電化學(xué)信號(hào)采集儀是基于電化學(xué)分析技術(shù)設(shè)計(jì)的診斷儀器。電化學(xué)分析技術(shù)是當(dāng)前測(cè)定DNA序列的熱點(diǎn)，它相對(duì)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(shì)。本設(shè)計(jì)采用循環(huán)伏安法檢測(cè)DNA生化反應(yīng)產(chǎn)生的電流，從而對(duì)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(shí)時(shí)、在線的檢測(cè)等特點(diǎn)。

電化學(xué)方法的檢測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)，需要設(shè)置其靈敏度，一旦靈敏度設(shè)置不恰當(dāng)，就會(huì)影響檢測(cè)效果。因此，為了提高電流信號(hào)的檢測(cè)精度，DNA電化學(xué)信號(hào)采集儀需要具備自動(dòng)控制靈敏度的功能。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)DNA電化學(xué)信號(hào)采集儀主要由四個(gè)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(duì)信號(hào)發(fā)生模塊和信號(hào)采集模塊的控制，同時(shí)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，并發(fā)送給上位機(jī)。

信號(hào)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(cè)方法，產(chǎn)生相應(yīng)的波形信號(hào)。

信號(hào)采集模塊? 包括I／V轉(zhuǎn)換電路、自動(dòng)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(hào)。

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(chǎng)所，并將反應(yīng)中產(chǎn)生的電流信號(hào)傳送給信號(hào)采集模塊。??

2? 自動(dòng)量程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1? 自動(dòng)量程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

考慮到一般電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號(hào)范圍為1.0×10^-7～1.0×10^-3A，所以就要求DNA電化學(xué)信號(hào)采集儀中信號(hào)采集部分的電路能檢測(cè)此范圍的電流信號(hào)，并且抗干擾性要強(qiáng)，噪聲和信號(hào)失真要低。此外，信號(hào)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(dòng)調(diào)整靈敏度，即自動(dòng)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(dòng)選擇合適的靈敏度。

2.2? 自動(dòng)量程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能化DNA電化學(xué)信號(hào)采集儀是通過(guò)自動(dòng)切換量程實(shí)現(xiàn)I／V轉(zhuǎn)換的。其原理如下：



式中：I_測(cè)量表示待測(cè)的電流信號(hào)；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(hào)值；n表示A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)。

在設(shè)計(jì)電路之前，可以根據(jù)實(shí)際需求，來(lái)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(dòng)量程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)如表1所示。

2.2.2? 切換量程條件的確定

由于待測(cè)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(jì)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(gè)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(hào)靠近A／D滿量程，或者信號(hào)較小時(shí)，A／D采樣就會(huì)發(fā)生失真，所以，本設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)頻繁的量程切換，本設(shè)計(jì)增加了一個(gè)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(cè)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(lái)看，它的換檔條件可總結(jié)如表2所示。



2.2.3? 測(cè)量電流范圍及精度的計(jì)算

在本設(shè)計(jì)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(cè)量與S之間必然存在一個(gè)對(duì)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(cè)量的范圍，及其對(duì)應(yīng)的電流精度，如表3所示。由此表可見，測(cè)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(jì)

本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集的自動(dòng)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(lái)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整校準(zhǔn)或控制的場(chǎng)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(jì)將AD5242作為粗調(diào)電位器，其最大阻值能達(dá)到1 MΩ，共256個(gè)抽頭。同時(shí)，將AD5254作為微調(diào)電位器，其最大阻值為10 kΩ，共256個(gè)抽頭。AD5242和AD5254的電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。



對(duì)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(jìn)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(dòng)端由于內(nèi)部開關(guān)而引起的電阻。

如圖2所示，對(duì)于AD5242，R_W1B1=(D／256)×1+60；對(duì)于AD5254，R_W2B2=(D／256)×10+75；W₁和W₂之間的電阻R_W1W2=R_W1B1+R_W2B2。各個(gè)量程的具體設(shè)計(jì)見表4。



2.4 軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)量程控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。其具體工作過(guò)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)到了最高檔或最低檔量程，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(shuō)明信號(hào)超出了檢測(cè)的范圍。??

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

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)于微安級(jí)的小電流，在各個(gè)量程檔的檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，當(dāng)K=1e-006 A／V(1檔)時(shí)，數(shù)據(jù)的線性度最好，最準(zhǔn)確；而隨著檔級(jí)的逐漸升高，數(shù)據(jù)的線性度越來(lái)越差。所以，本儀器將靈敏度K自動(dòng)設(shè)置為1檔，檢測(cè)結(jié)果與圖4中的1一致，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)量程控制的效果，無(wú)需手動(dòng)設(shè)置靈敏度。圖中I為電流；U為掃描電壓。


對(duì)于毫安級(jí)的電流，在各個(gè)量程檔的檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。當(dāng)K=1e-003 A／V(4檔)時(shí)，可采集到所有電流信號(hào)，且數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確；而隨著檔級(jí)的降低，電流信號(hào)逐漸超出了檢測(cè)范圍，但在可檢測(cè)的范圍內(nèi)線性度較好。對(duì)于此信號(hào)，隨著電流信號(hào)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)量程控制，效果如圖5中的4所示。


由實(shí)驗(yàn)可知，自動(dòng)量程控制系統(tǒng)避免了手動(dòng)設(shè)置靈敏度，實(shí)現(xiàn)了量程檔的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了電流信號(hào)的寬范圍的準(zhǔn)確檢測(cè)。

4結(jié)? 語(yǔ)

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