生物检测仪中数据采集模块的设计

　　1　引　　言

　　在数据采集模块中,首先将一定波长的光信号经过斩波后垂直照射在装有细菌培养液的托盘中,光敏器件将透射的光信号转变为电信号,再通过放大,滤波等处理,最后通过A/D转换为数字信号送入dsp芯片中。由于透射光的强度决定了细菌的种类,因此,如何精确的把光强转化为电信号,并且最后转化为数字量是决定生物检测仪高精度的关键问题。根据系统精度的要求,在数据采集模块的设计中引入微弱信号检测理论,设计电流2电压转换电路,使系统具有很高的抗干扰和噪声的能力。

　　2　检测原理

　　本检测系统检测的对象是各种不同的细菌。每种不同的细菌对某一特定的波长都有不同的吸光特性。在某种特定的波长下,该细菌能够吸收最多的光能量,而在其他的波长下则吸收的光能量则较少。数据采集模块正是利用细菌的这一特性,将透射光转换为电信号。数据采集模块完成小信号采集和处理,实现对小信号的精确测量,满足系统的精度要求和实时性要求,提高系统的性价比。数据采集模块原理图如图1:

　　3　数据采集电路设计

　　3.1　前端信号拾取电路设计

　　在数据采集模块的前端,首先将透射光转化为电信号。光电二极管可以产生与照度成正比的小电流,从精密光度计到高速光纤接收机,它们都有广泛的应用范围。图2示出光电二极管的等效电路:规定光电二极管灵敏度的常用方法之一,是由规定好的光源在给定的光强下的短路光电流(Isc)来定义的。在100fc的照度下,对于小面积(小于1MM2)的二极管,其短路电流通常在数皮安到数百微安的范围内。

　　短路电流在629个数量级的光强范围内成理想线性关系。因此常用做绝对光强的测量。设计光点二极管工作在光伏模式,如图3所示。光伏模式不存在暗电流,在光伏模式下,二极管噪声基本是由分流电阻产生的热噪声。光伏模式实现最精确的线性工作。

　　以下列出所使用小型光电二极管的技术指标:

　　面积:0.2mm2

　　电容:50pF

　　分流电阻:在25℃时为1000M

　　最大线性输出电流:40μA

　　响应时间:12ns

　　光敏度:0.03μA/fc

3.2　信号转换电路的设计

　　将光电二极管的输出电流转化为电压的简便方法,是用一个运算放大器作为电流2电压转换器。为了精确测量数十皮安(pA)范围的光电二极管电流,运算放大器的偏流不应大于数皮安,这样的放大器选择范围相当窄。选择AD823作为光电二极管前置放大器,这种BiFET运算放大器在芯片工艺中采用了激光微调技术,以将失调电压和失调电压漂移减至最小。它的失调电压在25℃时最大为25μV,失调电压漂移最大为3μV/℃,输入偏流在25℃时最大为1pA,电压噪声在100Hz处为10Nv/ √10Hz。