CN103439379A - 一种基于电化学传感器的读出电路及读出方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电化学传感器的高精度、大动态范围的读出电路，包括可变量程转换器，适于将电化学传感器的输出电流转换成电压，并输出到模数转换器；模数转换器，适于将可变量程转换器输出的电压进行数字量化，以方便于数字信号处理；量程鉴定器，适于将模数转换器的数字输出数值进行比较鉴定，得出所在的量程；量程调节器，根据量程鉴定器的输出结果，对可变量程转换器进行量程调节。及一种基于电化学传感器从电流读出数字信号的方法，包括：将电化学传感器的输出电流通过可变增益转换器转换成模拟电压信号；将模拟电压信号转变为数字信号输出；鉴定数字信号所在的量程；根据数字信号所在的量程调节可变增益转换器的量程。上述读出电路和读出方法实现了高精度、大动态范围的电化学传感器的电流读出。

Description

一种基于电化学传感器的读出电路及读出方法

技术领域

本发明属于电子、电路技术领域，涉及一种基于电化学传感器的读出电路及读出方法，尤其涉及一种基于电化学传感器的高精度、大动态范围的读出电路及读出方法。

背景技术

随着生物医疗电子技术的发展与成熟，生物传感器越来越多的用于医疗领域，它的种类非常多，可分成电化学传感器、光学传感器等等。电化学分析的方法是利用电化学传感器将生物信号转换成电化学信号进行处理的一种方法。常用的电化学传感器一般为三电极系统：工作电极，对电极和参考电极。它通过控制工作电极与参考电极之间的电压，使得待测物质在电极上产生化学反应，导致电荷在工作电极和对电极之间流动，从而形成电流。一般来说，产生的传感器电流和待测物质的浓度正比。

电化学传感器一般植入到体内以反映待测物质的浓度。对于健康人来说，待测物质浓度的波动范围不会太大，但对于一个身体异常的人来说，待测物质的浓度会在一个很大的范围内波动，与之相应的，电化学传感器的输出电流也具有很大的动态范围。此外，电化学传感器所处的人体环境易于受到电磁干扰等外界环境的影响。因而电化学的读出电路必须对噪声有很好的抑制作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电化学传感器的高精度、大动态范围的读出电路及读出方法。

本发明提供的电化学传感器的高精度、大动态范围的读出电路，包括：可变量程转换器、模数转换器、量程鉴定器和量程调节器。其拓扑关系为：可变量程转换器输出端与模数转换器输入端相连接，模数转换器输出端与量程鉴定器输入端相连接，量程鉴定器输出端与量程调节器输入端相连接，量程调节器输出端与可变量程转换器相连接，从而构成闭合调节回路。其中：

所述可变量程转换器，用于将电化学传感器的输出电流转换成电压，并输出到模数转换器；

所述模数转换器，用于将可变量程转换器输出的电压进行数字量化，以方便于进行数字信号处理；

所述量程鉴定器，用于将模数转换器的数字输出数值进行比较鉴定，得出所在的量程；

所述量程调节器，用于根据量程鉴定器的输出结果，对可变量程转换器进行量程调节。

本发明中，所述可变量程转换器，可以通过在电容上进行积分的方法将传感器的输出电流转换为电压。

本发明中，所述可变量程转换器采用双相关采样技术减小直流失调和低频噪声。

本发明中，所述模数转换器可采用逐次逼近型模数转换器。

本发明中，所述逐次逼近型模数转换器为8位逐次逼近型模数转换器。

本发明中，所述量程鉴定器由数字逻辑电路实现比较和鉴定功能。

本发明中，所述量程调节器可以采用可编程的电容阵列来实现，通过改变电容阵列的值来完成量程调节。 

本发明中，所述量程调节器也可以通过不同的积分时间周期，来实现量程的调节。

本发明中，所述量程调节器可以采用5个量程来实现5个数量级的电流转换。

本发明中，所述量程鉴定器和量程调节器可集成为一个电路模块。

本发明还提供的基于电化学传感器从电流读出数字信号的方法，具体步骤为：

将电化学传感器的输出电流通过可变增益转换器转换成模拟电压信号；

将模拟电压信号转变为数字信号输出；

鉴定数字信号所在的量程；

根据数字信号所在的量程调节可变增益转换器的量程。

本发明的优点包括，通过采用量程鉴定器和量程调节器可以实现大的电化学传感器电流范围的读出，该范围可以根据应用选择多达几个数量级的动态范围。此外，该读出电路采用双相关采样技术，可以减小直流失调和低频噪声，可以测试低至fA级别的微弱电流。

附图说明

图1为本发明提出的基于电化学传感器的读出电路结构示意图。

图2为具体实例中的基于电化学传感器的读出电路结构示意图。

图3为具体实例中可变量程转换器的实现电路。

图4为具体实例中的8位逐次比较型模数转换器的实现电路。

图5为具体实例中的8位逐次比较型模数转换器的比较器的实现电路。

图6为具体实例中的量程鉴定及调节器的量程转换状态图。

图7为具体实例中的量程鉴定及调节器的量程边界信号的数值决定图。

具体实施方式

下面结合实施例中的附图，对本发明作进一步描述。下面描述中，附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。另外，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本实例提供了一种基于电化学传感器的高精度、大动态范围的读出电路，下面做详细的说明。

参考图2，是本发明中的基于电化学传感器的一种具体读出电路。该电化学传感器用于植入人体内测量葡萄糖浓度。该读出电路包括可变量程转换器，8位逐次逼近型模数转换器，以及集成在一起的量程鉴定及调节器。读出电路的拓扑关系为：可变量程转换器输出端与8位逐次逼近型模数转换器输入端相连接，8位逐次逼近型模数转换器输出端与量程鉴定及调节器输入端相连接，量程鉴定及调节器输出端与可变量程转换器相连接，从而构成闭合调节回路。下面将具体说明各个电路的具体实现。

参考图3，是可变量程转换器的具体电路实现，包含积分电路和保持电路。其中，积分电路的具体原理为：电化学传感器产生的电流在积分电容上进行积分，从而实现了电流到电压的转换。积分的输出电压与电化学传感器电流成正比，与积分电容的值成反比，与积分时间成正比。在积分器可以通过两种方式实现量程的转换：一种方法为将积分电容设计为成等差数列变化的电容整列，通过调节积分电容值的大小，从而实现量程的转化，但是这种方法由于使用了大量的电容，因而会占用大量的芯片面积；另外一种方法为改变积分器的积分周期，从而实现量程的转换，这种方法不需要太多电容，因而节省大量面积，但是需要一个时钟产生器来产生不同周期的时钟控制信号，不可避免的增加了功耗。本实例采用了改变积分时间周期的方法来实现量程的转换。本积分电路共有5个不同的量程。从而实现了大动态范围的电流测试。

积分电路在实现大动态范围的电流转换的同时，还必须具有很高的灵敏度。因而必须具有很低的噪声和对周围环境的抗干扰能力。本实例通过双相关采样技术来消除直流失调以及减小低频闪烁噪声。参考图3，图3中虚线框图内的电路为双相关采样电路。双相关采样的时序参照图3的时钟信号，信号1和2，3和4,1~和2~为两相非交叠时钟。为了避免沟道电荷注入效应，信号1和2，3和4,1~和2~采用了0-0两相非交叠时钟。双相关采样的原理为:将积分器运放的直流失调以及闪烁噪声储存在采样电容上，然后将采样电容反向，从而实现了失调电压的消除以及闪烁噪声的减小。

可变量程转换器的另一部分是保持电路。由于积分电路的输出为三角波，不能直接为后续的模数转换器处理，因为需要保持电路对积分电路的输出进行处理。为了达到所需要的精度，采样保持电路也采用了双相关采样技术来消除电路的直流失调电压以及闪烁噪声。值得一提的是，无论是积分电路还是保持电路，与运放的节点相连接的节点，都是直接连接到电容的上极板。这是因为电容的下极板与衬底之间具有很大的寄生电容，此寄生电容会影响积分电路和保持电路的精度。此外，为了避免沟道电荷注入效应，参照图4，是本实例中的8位逐次逼近型模数转换器。模数转换器将可变量程转换器的电压输出转化为8位数字输出。8位逐次逼近型模数转换器有采样电路，比较器，电容阵列子数模转换器和逐次逼近逻辑电路组成。为降低功耗，采样电路采用无源的互补采样开关。此互补开关的沟道电荷注入效应和时钟馈通效应会将非理想的电荷注入到电容阵列的上极板，从而影响模数转换器的线性度和精度。为解决上述问题，在互补采样开关的基础上添加了虚拟管，虚拟管的尺寸为互补开关的一半，从而可以完全消除时钟馈通引起的非线性，同时也大大减小电荷沟道注入效应引起的非线性。

模数转换器转换器中的比较器采用了动态比较器，参照图5。动态比较器的最大优点是没有直流功耗，其动态功耗也很小，只是在复位周期的开始阶段和比较周期的开始阶段会存在一定的动态电流。但是动态比较器存在一个很大问题就是存在很大的直流失调。为了解决上述问题，本实例很好的分析了动态比较器各种管子的尺寸对直流失调的贡献，在尽量小的尺寸下，使得动态比较器的直流失调最小。为了避免比较器的负载对比较器的失调造成影响，在动态比较器的输出端各加了一个反相器。反相器同时对动态比较器输出具有一定的整形作用，增加了动态比较器的驱动能力。

量程鉴定及调节器为数字逻辑控制电路，参照图6。量程鉴定及调节器的工作过程分为两个状态：空闲状态和量程鉴定及调节状态。其具体的工作流程为：为减少量程鉴定的次数，预设读出电路的量程为量程3(1pA~10pA)，当系统处于量程3时，若输入电流大10pA，则对应的模数转换器输出为8’b1111_1111，系统切换到量程4，并调节可变量程转换器的积分频率为500Hz，再次对电流积分，读取对应的模数转换器的输出，进行下一轮鉴定。反之，若输入电流小于1pA，则切换到量程2，进行类似鉴定。若输入电流大于1nA或小于10fA，则经过上述量程鉴定过程后，得到输入电流溢出测量范围，最终输出值为8’b1111_1111或8’d00000000；若输入电流恰好为两个量程的边界值时，则经过量程鉴定后，输出值为较小量程的最大值，参见图7。例如输入电流为10pA，则最终输出值为8’b1111_1111。若输入电流对应的模数转换器的输出经过量程鉴定和调节后没有溢出，则认为值是正确的。系统输出正确的值后回到空闲状态。

Claims (10)

1. 一种基于电化学传感器的读出电路，其特征在于，包括：可变量程转换器、模数转换器、量程鉴定器和量程调节器，其拓扑关系为：可变量程转换器输出端与模数转换器输入端相连接，模数转换器输出端与量程鉴定器输入端相连接，量程鉴定器输出端与量程调节器输入端相连接，量程调节器输出端与可变量程转换器相连接，从而构成闭合调节回路；其中：

所述可变量程转换器，用于将电化学传感器的输出电流转换成电压，并输出到模数转换器；

所述模数转换器，用于将可变量程转换器输出的电压进行数字量化，以方便于进行数字信号处理；

所述量程鉴定器，用于将模数转换器的数字输出数值进行比较鉴定，得出所在的量程；

所述量程调节器，用于根据量程鉴定器的输出结果，对可变量程转换器进行量程调节。

2. 根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述可变量程转换器通过在电容上进行积分的方法将电化学传感器的输出电流转换为电压。

3. 根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述可变量程转换器采用双相关采样技术减小直流失调和低频噪声。

4.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述模数转换器为逐次逼近型模数转换器。

5. 根据权利要求4所述的读出电路，其特征在于，所述逐次逼近型模数转换器为8位逐次逼近型模数转换器。

6. 根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述量程鉴定器由数字逻辑电路实现比较和鉴定功能。

7. 根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述量程调节器采用可编程的电容阵列来实现，通过改变电容阵列的值来完成量程调节；或者，所述量程调节器通过不同的积分时间周期，来实现量程的调节。

8. 根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述量程调节器采用5个量程来实现5个数量级的电流转换。

9. 根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述量程鉴定器和量程调节器可集成为一个电路模块。

10. 一种基于权利要求1所述的读出电路的从电流读出数字信号的方法，其特征在于，包括：

将电化学传感器的输出电流通过可变增益转换器转换成模拟电压信号；

将模拟电压信号转变为数字信号输出；

鉴定数字信号所在的量程；

根据数字信号所在的量程调节可变增益转换器的量程。

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