自动量程控制在DNA电化学信号采集仪中的应用 -工业控制
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。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。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；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。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。
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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。
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，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：
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。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。
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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。
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，
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