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自動(dòng)量程控制在DNA電化學(xué)信號采集儀中的應用
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時(shí)間：2010-03-22
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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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)設計的診斷儀器。電化學(xué)分析技術(shù)是當前測定DNA序列的熱點(diǎn)，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。本設計采用循環(huán)伏安法檢測DNA生化反應產(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(shí)時(shí)、在線(xiàn)的檢測等特點(diǎn)。
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(zhù)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(shí)驗，需要設置其靈敏度，一旦靈敏度設置不恰當，就會(huì )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(dòng)控制靈敏度的功能。
本文首先簡(jiǎn)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(dòng)量程控制系統在信號采集模塊中的應用，并給出了相應的硬件和軟件設計方案。
1 系統設計
整個(gè)DNA電化學(xué)信號采集儀主要由四個(gè)模塊構成，如圖1所示。
處理器模塊 這部分采用TI公司的DSP處理器TMS320F2806，主要負責對信號發(fā)生模塊和信號采集模塊的控制，同時(shí)，對采集到的信號進(jìn)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，根據選擇的電化學(xué)檢測方法，產(chǎn)生相應的波形信號。
信號采集模塊 包括I／V轉換電路、自動(dòng)量程控制電路、電壓調整電路、低通濾波電路和16位A／D。其功能是采集電化學(xué)反應池中的電流信號。
電化學(xué)反應池模塊 為三電極體系的電化學(xué)反應提供場(chǎng)所，并將反應中產(chǎn)生的電流信號傳送給信號采集模塊。
2 自動(dòng)量程控制系統的設計
2.1 自動(dòng)量程控制系統的設計要求
考慮到一般電化學(xué)反應產(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控式快速精確調檔的功能，能根據一定的條件自動(dòng)調整靈敏度，即自動(dòng)升檔或降檔。
一般情況下，應使被轉換量在A(yíng)／D轉換線(xiàn)性區之內，盡可能使模擬量在1／2滿(mǎn)度～接近滿(mǎn)度的區域中轉換，即根據未知參數量值的范圍，自動(dòng)選擇合適的靈敏度。
2.2 自動(dòng)量程控制系統的設計
智能化DNA電化學(xué)信號采集儀是通過(guò)自動(dòng)切換量程實(shí)現I／V轉換的。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；VREF表示A／D的參考電壓；S表示A／D采樣的數字信號值；n表示A／D轉換器的轉換位數。
在設計電路之前，可以根據實(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到了要求。
2.2.1 量程的確定
根據自動(dòng)量程控制系統的設計要求，決定將儀器的量程設為4檔，相鄰檔之間的靈敏度K相差10倍，則4檔對應的I／V轉換電阻分別為1 MΩ，100 kΩ，10 kΩ和1 kΩ。具體的設計如表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轉換后的電壓也有正負之區別。本設計中，16位A／D的采集電壓的范圍是0～4.096 V，因此增加了一個(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 當電壓信號靠近A／D滿(mǎn)量程，或者信號較小時(shí)，A／D采樣就會(huì )發(fā)生失真，所以，本設計以(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。
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