生物傳感器阻抗信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王濤　劉洋　左月明

摘 要 針對(duì)生物傳感器抗體、抗原特異性結(jié)合引起電極兩端阻抗值的變化，設(shè)計(jì)一種可在20Hz-10MHz范圍頻率內(nèi)對(duì)生物傳感器阻抗信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)。文中給出阻抗測(cè)量原理，電路的設(shè)計(jì)與方法，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行初步測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可在寬頻范圍內(nèi)測(cè)量阻抗參數(shù)。

關(guān)鍵詞 生物傳感器 阻抗 測(cè)量 寬頻

1 引 言

生物傳感器阻抗信號(hào)是指免疫生物傳感器利用導(dǎo)電聚合物（聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩）將抗體固定在免疫傳感器工作電極表面，通過(guò)固定抗體與抗原之間特異性分子識(shí)別，免疫傳感器表面界面電荷、電容、電阻、質(zhì)量以及厚度都會(huì)發(fā)生變化，從而引起電極表面阻抗的變化[1，2]。對(duì)生物傳感器阻抗信息（包含實(shí)部和虛部）的快速準(zhǔn)確測(cè)量，將為進(jìn)一步分析抗原抗體之間的相互作用提供保證。

常規(guī)阻抗測(cè)量系統(tǒng)在不同程度上存在操作繁瑣、價(jià)格高昂、不方便攜帶等問(wèn)題，與生物傳感器阻抗實(shí)際測(cè)量要求有較大差距。鑒于此，本文提出一種測(cè)試頻帶較寬，精度適當(dāng)，標(biāo)定簡(jiǎn)單，且系統(tǒng)小型便攜的電阻抗測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由信號(hào)源、阻抗/電壓轉(zhuǎn)換電路、乘法解調(diào)電路及其它外圍電路組成。

2 阻抗測(cè)量原理

電阻抗測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)源可以是電流源或者電壓源，一般情況下采用電流驅(qū)動(dòng)、電壓測(cè)量的方式；而采用電壓驅(qū)動(dòng)、電流測(cè)量的方式同樣也可以得到電阻抗特性，但需要阻抗/電壓轉(zhuǎn)換電路將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換成電壓。傳統(tǒng)的單一測(cè)量頻率，只取阻抗模量的測(cè)量方法，已無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)量要求，因此可以利用雙向鎖相放大原理來(lái)提取阻抗的模量與相角，或者是實(shí)部與虛部。其原理框圖如圖1所示。

通過(guò)阻抗/電壓變換電路將阻抗的測(cè)量轉(zhuǎn)換成兩電壓之比的測(cè)量。再將U1移相90°作為參考信號(hào)，并利用雙向鎖相放大原理將實(shí)部與虛部分離。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)源設(shè)計(jì)

信號(hào)源是電阻抗測(cè)量系統(tǒng)中的重要組成部分。為獲得相關(guān)電阻抗信息，系統(tǒng)不僅要求施加于被測(cè)量阻抗的正弦信號(hào)波形失真小、幅值穩(wěn)定，而且為獲得不同頻率下復(fù)阻抗信息的變化規(guī)律，還要求信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)具有點(diǎn)頻、掃頻功能，且幅值和相位可調(diào)。

本系統(tǒng)采用單片機(jī)STC12L5620AD控制美國(guó)ADI公司的AD9854型直接數(shù)字頻率合成芯片DDS產(chǎn)生頻率和幅值均可調(diào)的兩路正交信號(hào)[3，4]。其電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

在高穩(wěn)定度時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，信號(hào)源產(chǎn)生一高穩(wěn)定的頻率、相位、幅值可編程的兩路正交信號(hào)：

由于AD9854輸出端帶有內(nèi)部時(shí)鐘干擾成分，在每個(gè)輸出端都要設(shè)置一個(gè)LC低通濾波器，其截止頻率為120MHz，可較好地濾除干擾。此外，為消除工頻信號(hào)的干擾，又將兩路正交信號(hào)分別進(jìn)行陷波處理。

3.2 阻抗/電壓轉(zhuǎn)換電路

阻抗/電壓轉(zhuǎn)換電路是電阻抗測(cè)量中的關(guān)鍵部分。以小振幅的正弦電壓作為擾動(dòng)信號(hào)加到被測(cè)阻抗上，阻抗/電壓變換電路負(fù)責(zé)將流入被測(cè)阻抗的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，利用阻抗隨頻率的增加而減小的特點(diǎn)，在此電路設(shè)計(jì)中選用兩種運(yùn)算放大器。一種是高輸入阻抗運(yùn)算放大器；另一種是寬頻運(yùn)算放大器。在低頻時(shí)，阻抗值大，這時(shí)選用高輸入阻抗運(yùn)算放大器；在高頻時(shí)，阻抗值變小，選用寬頻運(yùn)算放大器。

阻抗/電壓變換電路設(shè)計(jì)如圖3所示。對(duì)被測(cè)阻抗進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要進(jìn)行分段測(cè)量。當(dāng)需要測(cè)量頻率范圍在20Hz-200KHz時(shí)的阻抗時(shí)，選用OPA604AP設(shè)計(jì)的阻抗/電壓變換電路；當(dāng)需要測(cè)量頻率范圍在200KHz-10MHz時(shí)的阻抗時(shí)，選用THS4011CD設(shè)計(jì)的阻抗/電壓變換電路。

阻抗測(cè)量是一種頻率域的測(cè)量，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)充分考慮阻抗的容抗特性。經(jīng)面包板反復(fù)測(cè)試，串聯(lián)電阻取R33= R36=1K，反饋電阻取R34= R37=10kΩ， 且為精密電阻（0.1%）。則有

3.3 乘法解調(diào)電路

乘法解調(diào)電路是阻抗測(cè)量中的另一重要組成部分，通過(guò)相乘作用分離出阻抗的實(shí)部和虛部，完成阻抗測(cè)量。這就要求模擬乘法器具有較寬的頻帶，較高的乘方精度和較低的失真。美國(guó)ADI公司推出的寬頻帶高性能模擬乘法器AD834，工作帶寬為500MHz，已廣泛應(yīng)用于高頻信號(hào)調(diào)理電路中[5]。 AD834在本系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖4所示。

以X2和Y1作為兩個(gè)相乘輸入端，引腳X1、Y2均與地相連，由于X、Y端均有的偏置電流，會(huì)在輸入端產(chǎn)生失調(diào)電壓，為消除該失調(diào)電壓，在輸入信號(hào)端口X2、Y1與地之間分別并聯(lián)49.9Ω的去耦電阻。

電路中AD834輸出為雙端對(duì)稱(chēng)輸出，如果想要得到單端輸出，則可把圖4輸出信號(hào)耦合到下一級(jí)運(yùn)放，轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

如果選擇截止頻率遠(yuǎn)小于2ω的低通濾波器，則可獲得與相移成比例的直流分量。

3.4 低通濾波電路設(shè)計(jì)

為分離阻抗的實(shí)部與虛部，乘法解調(diào)電路的輸出端各接有一低通濾波電路，用于提取直流分量。其電路如圖6所示。

同時(shí)為濾除前級(jí)信號(hào)中的交流成分獲取直流分量，R86、C92構(gòu)成RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)，濾波電路截止頻率越低越好，但是低通濾波器截止頻率對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)決定測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間[6]。濾波器的帶寬越窄，除去噪聲的能力就越強(qiáng)。為權(quán)衡這二者之間關(guān)系，C92=10uF，這時(shí)低通濾波器的截止頻率為：

前級(jí)乘法解調(diào)電路輸出信號(hào)經(jīng)低通濾波電路濾除2倍頻分量，可獲得與阻抗實(shí)部、虛部成比例的電壓信號(hào)：

從而將阻抗的實(shí)部和虛部分離。另外，此阻抗測(cè)量系統(tǒng)還有其它外圍電路的設(shè)計(jì)，在此不再詳述。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)單片機(jī)的程序進(jìn)行編寫(xiě)。總體流程圖如圖7所示。

程序開(kāi)始時(shí)，運(yùn)行初始化程序，包括初始化單片機(jī)STC12L5620AD、AD89C52、初始化DDS芯片AD9854等。則具體步驟為：

（1）初始化串口，配置定時(shí)器。允許串行口中斷，允許定時(shí)器0中斷，設(shè)置定時(shí)器初值。

（2）信號(hào)產(chǎn)生；對(duì)AD9854進(jìn)行初始化控制。將MRESET、UPDCLK、WR引腳全部清零，主復(fù)位。然后MRESET引腳保持20個(gè)系統(tǒng)周期的高電平。

（3）程控放大。

5 初步測(cè)試

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的電阻抗測(cè)量系統(tǒng)的可用性，本文以R-C并聯(lián)為被測(cè)量阻抗，對(duì)設(shè)計(jì)的阻抗測(cè)量系統(tǒng)模擬電路部分進(jìn)行了初步測(cè)試，測(cè)量時(shí)將每隔十倍阻值的電阻與每隔十倍電容值的電容進(jìn)行配對(duì)構(gòu)成并聯(lián)電路，將它作為被測(cè)對(duì)象，測(cè)量其在不同頻率下的阻抗值，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)表明在阻抗范圍10Ω-100MΩ、頻率范圍100Hz-10MHz條件下有較好的測(cè)量精度，模量測(cè)量誤差基本在1%以?xún)?nèi)，相角測(cè)量誤差在9%以?xún)?nèi)；而對(duì)于歐姆級(jí)阻抗及在頻率20Hz和100MHz時(shí)測(cè)量精度不是太高，模量測(cè)量誤差在5%以?xún)?nèi)，相角測(cè)量誤差在11%以?xún)?nèi)，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

6 結(jié)論

針對(duì)生物傳感器輸出阻抗信號(hào)的特點(diǎn)，本章節(jié)采用雙向鎖相放大原理，提出可在20Hz-10MHz范圍內(nèi)對(duì)生物傳感器阻抗信號(hào)進(jìn)行快速測(cè)量的電阻抗測(cè)量系統(tǒng)方法，并對(duì)該系統(tǒng)模擬電路部分做一試驗(yàn)樣板，進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果可以看出，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于歐姆級(jí)阻抗測(cè)量精度不是太高，需進(jìn)一步的改進(jìn)，但該系統(tǒng)還是能在寬頻帶范圍內(nèi)快速測(cè)定阻抗參數(shù)，并能很好地將阻抗的實(shí)部與虛部分離，且頻率范圍寬，測(cè)試速度快，精度高，在此研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展基于生物傳感器阻抗信號(hào)的便攜式檢測(cè)設(shè)備的研究。

參考文獻(xiàn)

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[3] 陶益凡，唐慧強(qiáng)，黃勛. 基于AD9854的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì). 2006.22（2）：241-243.

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