CN102841084A

CN102841084A - 基于脉冲宽度调制的荧光检测与光到数字转换系统

Info

Publication number: CN102841084A
Application number: CN2012103741590A
Authority: CN
Inventors: 秦亚杰; 万磊
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-10-07
Filing date: 2012-10-07
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-10-07
Also published as: CN102841084B

Abstract

本发明属于荧光检测技术领域，具体为基于脉宽调制的荧光检测与光到数字转换系统。该系统包括光电流检测电路、暗电流检测电路、参考电压源、无线发送模块和无线接收端。无线接收端由无线接收机和MCU组成。对光电二极管输出电流的检测分为复位相，大电流检测相和小电流检测相。在复位相，积分器和斜坡信号发生器被复位到初始状态。在大电流检测相，参考电压控制信号Sel使得比较器的参考电压为固定电平。在小电流检测相，Sel信号控制比较器的参考电压为斜坡信号。利用本发明，可以低功耗实现荧光信号到数字信号的转换以及荧光检测数据的传送和接收，提高电路对荧光信号的检测精度和动态范围。

Description

基于脉冲宽度调制的荧光检测与光到数字转换系统

技术领域

本发明属于荧光检测技术领域，具体涉及荧光检测电路中的将积分器的输出电压转化为脉冲宽度调制信号的电路。

背景技术

荧光检测是通过荧光素酶和被检测化合物发生化学反应产生荧光，通过检测荧光的强弱并以数字形式表示来确定被检测物质的浓度。由于其检测速度快，灵敏度高而得到广泛的应用。

荧光检测电路是通过光电二极管把荧光信号转换成光电流信号，通过积分器把电流信号转换成电压信号。传统的荧光检测电路通过高分辨率的ADC对电压信号进行量化。这样带来两个缺点：1.这种结构对荧光检测的精度主要由ADC精度决定，但是ADC精度越高，电路越复杂，功耗越大，不利于便携式设备的应用。2.高精度的ADC要求跨阻放大器有大的电压输出范围。随着CMOS工艺的不断进步，电源电压变的越来越低，现有的传统结构很难满足低电源电压的应用。一种解决方案是把跨阻放大器的输出电压和固定参考电压比较，产生脉冲宽度调制信号（PWM），通过计数器测量PWM信号的时间，从而得出光电流的大小以及荧光的强弱。这时候荧光检测的精度由计数器的精度决定，相对于高精度ADC而言，高精度的计数器在CMOS工艺中更容易实现。但是，这种电路结构当荧光光强较弱，光电二极管产生的光电流较小的时候，积分器需要很长的积分时间才能达到参考电压的值，转换成PWM信号。这带来两方面的影响：1.较长的积分时间使得电路的转化速率较低。2.荧光物质自发光都有一定的寿命，较长的积分时间不适用于荧光寿命较短的荧光检测。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种同时具备高灵敏度、大动态范围的低功耗荧光检测与光到数字转换系统。

为了达到以上目的，本发明提供一种采用脉冲宽度调制的荧光检测与光到数字转换系统，该系统包括光电流检测电路，暗电流检测电路，参考电压源，无线发送模块和无线接收端。其中：

光电流检测电路用于检测光电流大小，暗电流检测电路用于检测光电二极管漏电流和暗电流的大小；每一路检测电路包括光电二极管、积分器、2个比较器和逻辑门电路；参考电压源由固定参考电压、斜坡信号发生器组成；无线发送模块由门电路和FM调制发送机组成，无线接收端由接收机和MCU组成；光电流检测电路中，光电二极管D1把光信号转换成电流信号，积分器由开关S₁、反馈电容C_f1和运放OP1组成，积分器把电流信号转换成电压信号；积分器的输出与两个相同的比较器CMP1和比较器CMP2的反相输入端相连；比较器CMP1的正向输入端接固定电平V_ref1，比较器CMP2的正向输入端接参考电压V_ref2，参考电压V_ref2由控制信号Sel控制开关S₂和S₃确定；异或门XOR1把比较器CMP1和比较器CMP2的输出转换成脉冲宽度信号；异或门XOR3把光电流检测和暗电流检测这两路的信号转换成一路信号；异或门XOR3出来的信号和复位信号rst经过或门OR2处理后送给FM调制发送机。

暗电流检测电路中，光电二极管D2把光信号转换成电流信号，积分器由开关S₄、反馈电容C_f2和运放OP2组成，积分器把电流信号转换成电压信号；积分器的输出与两个相同的比较器CMP3和比较器CMP4的反相输入端相连；比较器CMP3的正向输入端接固定电平V_ref1，比较器CMP4的正向输入端接参考电压V_ref3，参考电压V_ref3由控制信号Sel控制开关S₂和S₃确定；异或门XOR2把比较器CMP3和比较器CMP4的输出转换成脉冲宽度信号；异或门XOR3把光电流检测和暗电流检测这两路的信号转换成一路信号；异或门XOR3出来的信号和复位信号rst经过或门OR2处理后送给FM调制发送机。

对于暗电流检测电路，光电二极管D1的感光面被金属层覆盖。这时，光电二极管产生的电流主要是二极管反偏时的漏电流和红外波段的光线在光电二极管上产生的暗电流。

上述方案中，该电路采用开关S₁和S₄对积分器进行复位。积分器复位完成之后，它的输出电压分别和固定参考电压和可变参考电压比较。电流的检测分为大电流检测相和小电流检测相。在大电流检测相，控制信号Sel使S₂导通，Sel_bar使S₃断开，V_ref2为固定电平。在小电流检测相，控制信号Sel使S₂断开，Sel_bar使S₃导通，V_ref2为斜坡信号。

上述方案中，荧光检测分为复位相，大信号检测相和小信号检测相。在复位相，复位信号rst使积分器和斜坡信号发生器复位到初始状态。在大电流检测相，参考电压选择信号Sel使比较器CMP2的参考电压为固定参考电压V₁。在小电流检测相，比较器CMP2的参考电压为斜坡信号。积分器的输出电压和两个参考电压进行比较之后，通过异或门，转换成脉宽信号；电路完成一次光信号到脉宽信号的转换之后，系统通过rst信号复位到初始状态。

上述方案中，荧光检测系统的无线发送模块把来自光电流检测模块和暗电流检测模块的信号经过处理后，通过FM调制，以无线形式发送出去。

上述方案中，无线接收端由无线接收机和MCU组成，接收机收到无线信号后，解调成脉冲宽度信号，再把数据送给MCU，MCU通过处理接收机收到的脉冲宽度信号得到荧光信号。整个过程方便了数据的采集和处理。

本发明有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1利用本发明，用于量化积分器输出电压的模数转化器（ADC），可以用两个电压比较器替代，电路的整体功耗得以大大降低。

2利用本发明，两个比较器和异或门组成的转换电路把积分器的电压信号转换成脉宽信号，这种方法使得电路的精度得以提高。

3利用本发明，当光电流较小的时候，参考电压为斜坡信号。光电流信号转换成脉宽信号的转换时间变短。

4利用本发明，通过设置两路电流检测电路，其中一路检测光电流，另一路检测光电二极管漏电流和红外波段的光线在光电二极管上产生的暗电流的方法，减小了光电二极管漏电流和暗电流对电路检测精度的影响。

5利用本发明，荧光检测的脉冲宽度信号经过FM调制后以无线的方式发射出去。接收端通过无线接收机接收数据，然后FM解调，得到荧光转换的脉宽信号，再传递给MCU进行数据处理。整个系统使得数据的采集和处理简化了。

附图说明

图1为本发明提供的荧光检测电路结构示意图。

图2为图1电路中输入光电流在大电流检测相的信号时序关系示意图。

图3为图1电路中输入光电流在小电流检测相的信号时序关系示意图。

图4为图1电路中射频发送模块的信号时序关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

电路的结构如图1所示，该电路分为两路，一路用于光电流检测，一路用于光电二极管漏电流和暗电流的检测。每一路包括光电二极管、积分器、比较器和逻辑门电路。固定参考电压、斜坡信号发生器组成电路的参考电压源。对于光电流检测的这一路，光电二极管D1把光信号转换成了电流信号。开关S₁，反馈电容C_f1和运放OP1组成积分器，把电流信号转换成了电压信号。积分器的输出与两个相同的比较器CMP1和CMP2的反相输入端相连。CMP1的正向输入端接固定参考电压V₁，CMP2的正向输入端是参考电压V_ref2，参考电压由控制信号Sel控制开关S₂和S₃确定。异或门XOR1把两个比较器的输出转换成脉冲宽度信号。或门把异或门产生的脉宽信号和复位信号进行或操作，产生最后的输出信号。对于光电二极管暗电流检测的这一路，光电二极管的感光面被金属层覆盖。这时，光电二极管产生的电流主要是二极管反偏时的漏电流和红外波段的光线在光电二极管上产生的暗电流。

当光电流大于

Figure 2012103741590100002DEST_PATH_IMAGE002

时，比较器CMP1的参考电压值V₁，比较器CMP2参考电压的最大值V₂，电路的复位信号rst，参考电压选择信号Sel，积分器输出，比较器CMP1的参考电压V_ref1，比较器CMP2的参考电压V_ref2，电路输出Vo1如图2所示。

复位信号rst用于积分器复位，复位完成后，积分器输出为共模电压VCM。由于有光电流的存在，积分器输出电压开始增长。当积分器的输出电压大于比较器CMP1的参考电压值V₁时，输出Vo1由低电平跳变为高电平。随着积分器输出电压继续增大，输出电压大于比较器CMP2的参考电压值V₂时，输出Vo1由高电平跳变为低电平。光电流信号被转换成了脉宽信号。控制信号Sel在时刻T₁检测到输出电压为低电平，说明光电流到脉宽信号的转换已经完成，则控制信号Sel不发生变化，仍为高电平，选择固定电平V₁为比较器CMP2的参考电压。

当光电流小于

时，电路的复位信号rst，参考电压选择信号Sel，积分器输出，比较器CMP1的参考电压Vref1，比较器CMP2的参考电压Vref1，电路输出Vo1如图3所示。

积分器复位完成之后，输出电压为共模电压VCM。由于有光电流的存在，积分器的输出电压随时间增长。在时刻t₁，积分器的输出电压到达V₂，电路的输出信号Vo1由低电平跳变到高电平。在T₁时刻，由于积分器的输入电流较小，输出电压小于V₁，电路的输出信号Vo1没有从高电平跳变到低电平。此时，参考电压控制信号Sel由高电平跳变为低电平使得开关S₂断开，开关S₃导通，比较器CMP2的参考电压选择斜坡信号。同时，受信号Sel的控制，斜坡信号发生器开始工作，输出电压开始下降。在时刻t₂，积分器的输出电压和CMP2的参考电压相同，输出信号Vo1发生跳变。光电流信号被比较器和异或门转换成了脉冲宽度信号。

光电流检测和暗电流检测这两路的输出信号经过射频发送模块的门电路处理后，经FM调制后，以无线形式发送出去。接收端通过无线接收机接收数据，然后FM解调，得到荧光转换的脉宽信号，再传递给MCU进行数据处理。如图4所示，0到t₀是复位时间，t₁到t₃是光电流输出脉宽信号，t₂到t₄是暗电流输出脉宽信号。

Claims

1. 一种基于脉宽调制的荧光检测与光到数字转换系统，其特征在于，该系统包括光电流检测电路，暗电流检测电路，参考电压源，无线发送模块和无线接收端；其中：

光电流检测电路用于检测光电流大小，暗电流检测电路用于检测光电二极管漏电流和暗电流的大小；每一路检测电路包括光电二极管、积分器、2个比较器和逻辑门电路；参考电压源由固定参考电压、斜坡信号发生器组成；无线发送模块由门电路和FM调制发送机组成，无线接收端由接收机和MCU组成；光电流检测电路中，光电二极管D1把光信号转换成电流信号，积分器由开关S₁、反馈电容C_f1和运放OP1组成，积分器把电流信号转换成电压信号；积分器的输出与两个相同的比较器CMP1和比较器CMP2的反相输入端相连；比较器CMP1的正向输入端接固定电平V_ref1，比较器CMP2的正向输入端接参考电压V_ref2，参考电压V_ref2由控制信号Sel控制开关S₂和S₃确定；异或门XOR1把比较器CMP1和比较器CMP2的输出转换成脉冲宽度信号；异或门XOR3把光电流检测和暗电流检测这两路的信号转换成一路信号；异或门XOR3出来的信号和复位信号rst经过或门OR2处理后送给FM调制发送机；

2. 根据权利要求1所述的基于脉宽调制的荧光检测与光到数字转换系统，其特征在于

电路采用开关S₁和S₄对积分器进行复位；积分器复位完成之后，它的输出电压分别和固定参考电压和可变参考电压比较；电流的检测分为大电流检测相和小电流检测相，在大电流检测相，控制信号Sel使S₂导通，Sel_bar使S₃断开，V_ref2为固定电平；在小电流检测相，控制信号Sel使S₂断开，Sel_bar使S₃导通，V_ref2为斜坡信号。

3. 根据权利要求1所述的基于脉宽调制的荧光检测与光到数字转换系统，其特征在于

检测电流的过程可以分为复位相、大电流检测相和小电流检测相，其中：

在复位相，系统在复位信号rst的控制下，对积分器和斜坡信号发生器进行复位，使它们进入初始状态；

在大电流检测相，参考电压控制信号Sel选择比较器CMP2和CMP4的参考电压为固定电平，积分器的输出电压值随时间增大，分别和两个固定参考电压相比较，通过异或门对两个比较器的输出信号进行异或操作后，被转换成了脉冲宽度信号；

在小电流检测相，对于检测光电流的这一路，参考电压控制信号Sel选择比较器CMP2和CMP4的参考电压为斜坡信号，积分器的输出分别和固定电平的参考电压，斜坡信号相比较，经过异或门处理后被转换成了脉宽信号。