自動量程控制在DNA電化學(xué)信號采集儀中的應(yīng)用

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。

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胞白血病(APL)和慢性粒細胞白血病(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。

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。??

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，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；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。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之分，即方向不同，所以I／V轉(zhuǎn)換后的電壓也有正負之區(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。



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，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：



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。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。



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，R_W1B1=(D／256)×1+60；對于AD5254，R_W2B2=(D／256)×10+75；W₁和W₂之間的電阻R_W1W2=R_W1B1+R_W2B2。各個量程的具體設(shè)計見表4。



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。

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。


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。

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。