CN111896106B - 一种微弱荧光信号检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微弱荧光信号检测电路，包括光电转换电路、电流/电压转换及调制电路、同相交流放大电路、数控旋转电容滤波电路、检波滤波电路、调零电路和程控直流放大电路，光电转换电路将荧光信号转换为直流电流信号，电流/电压转换及调制电路输出交流电压信号，同相交流放大电路将交流电压信号放大，数控旋转电容滤波电路输出交流滤波电压信号，检波滤波电路输出窄带差频直流电压信号，调零电路输出调零直流电压信号输出，程控直流放大电路输出模拟电压信号；优点是可以消除光电转换电路的暗电流，抑制光电转换电路的内部噪声以及低频噪声对微弱荧光信号的干扰，且可以进一步降低荧光信号的检测下限，提高检测灵敏度。

Description

一种微弱荧光信号检测电路

技术领域

本发明涉及一种检测电路，尤其是涉及一种微弱荧光信号检测电路。

背景技术

荧光检测技术是应用于生物学、分析化学、地理勘探及环境监测等领域一种常用的信号检测技术。该技术利用某些物质(或被激发后)所诱发出的可反映出该物质特性的荧光，对荧光进行定性或定量检测和分析，从而确定被测物的状况。现有的荧光信号检测电路中用来获取荧光信号器件主要有光电二极管和硅光电倍增管。由于检测物质被激发后所诱发出的荧光极其微弱，光电二极管的检测灵敏度较低，如由光电二极管实现荧光信号获取，其转换得到的对应电流信号在fA～pA级。因此，采用光电二极管难以对微弱荧光信号实现有效检测。虽然硅光电倍增管具有很高的检测灵敏度，但是其具有较大的暗电流和低频噪声，暗电流和抑制噪声会对荧光信号造成干扰，故此采用硅光电倍增管来获取微弱荧光信号的荧光信号检测电路的其他功能模块需要能够提高信号的信噪比和检测精度。

文献1(董鸣,殷高方,赵南京,覃志松,赵山,马明俊,肖雪.微弱荧光信号高灵敏大动态范围检测技术及应用[J].量子电子学报,2018,35(04):395-401)提出了一种荧光信号检测电路。如图1所示，该荧光信号检测电路包括光电倍增管、可变增益放大电路、积分放大电路和反相放大电路。光电倍增管将荧光信号转化为电流信号，电流信号经过可变增益放大器实现一级放大，并能够根据电流信号强度自动调节增益模式；可变增益放大电路的输出信号通过积分放大器实现二级同步放大，并对荧光脉冲区域和非荧光脉冲区域的积分结果作减法运算，从背景光中提取出荧光信号；积分放大电路输出信号经过反相放大器反相后被ADC采集。其中可变增益放大电路由电阻网络(R3、R4、R5、R6和CMOS多路模拟开关S1)、负反馈回路(运算放大器U1、反馈电阻R2、相位补偿电容C1)组成，通过单片机输出高低电平控制电阻网络的导通状态，以改变可变增益；积分放大电路由高精密低噪声积分器组成，内可外接积分电容C2，两路微秒量级脉冲可控开关S2、S3，积分时间根据微弱荧光的脉冲特性编程设置，对可变增益的输出信号进行同步积分放大；反相放大电路由髙精密运放U3和电阻R9组成负反馈回路组成，增加积分放大器的输出信号相位，反相放大的输出信号通过ADC输入单片机。结果表明该荧光信号检测电路的最低检测电流为0.09μA，动态检测范围为0.09μA～0.21mA。由此，该荧光信号检测电路的检测下限较高，动态范围较窄，无法检测出pA级电流甚至fA级电流，检测灵敏度并不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以消除光电转换电路的暗电流，抑制光电转换电路的内部噪声以及低频噪声对微弱荧光信号的干扰，且可以进一步降低荧光信号的检测下限，提高检测灵敏度的微弱荧光信号检测电路。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种微弱荧光信号检测电路，包括光电转换电路、电流/电压转换及调制电路、同相交流放大电路、数控旋转电容滤波电路、检波滤波电路、调零电路和程控直流放大电路，所述的光电转换电路用于将被检测物质发出的荧光信号转换为低频的pA～nA级的直流电流信号输出，所述的电流/电压转换及调制电路用于将所述的光电转换电路输出的直流电流信号先转换为直流电压信号后，然后将直流电压信号进行放大后采用调制方式实现频谱搬移得到交流电压信号输出，所述的同相交流放大电路用于将所述的电流/电压转换及调制电路输出的交流电压信号进行交流放大后输出交流放大电压信号，所述的数控旋转电容滤波电路用于滤除所述的同相交流放大电路输出的交流放大电压信号中的频带外噪声并提高信噪比后输出交流滤波电压信号，所述的检波滤波电路用于对所述的交流滤波电压信号进行解调处理后输出窄带差频直流电压信号，所述的调零电路用于消除所述的检波滤波电路输出的窄带差频直流电压信号中的暗电流，得到调零直流电压信号输出，所述的程控直流放大电路用于对所述的调零电路输出的调零直流电压信号放大为模数转换器能够采集的模拟电压信号输出。

所述的光电转换电路包括硅光电倍增管、第一电阻和第一电容，所述的第一电阻的一端接入工作电压，所述的第一电阻的另一端、所述的第一电容的一端和所述的硅光电倍增管的阳极连接，所述的第一电容的另一端接地，所述的硅光电倍增管的阴极为所述的光电转换电路的输出端，用于输出低频的pA～nA级的直流电流信号。

所述的电流/电压转换及调制电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一二选一模拟开关、第二二选一模拟开关、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，所述的第一运算放大器和所述的第二运算放大器分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第一二选一模拟开关和所述的第二二选一模拟开关分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，所述的第二电阻的一端、所述的第三电阻的一端和所述的第一运算放大器的反相输入端连接且其连接端为所述的电流/电压转换及调制电路的输入端，用于接入所述的光电转换电路输出的直流电流信号，所述的第二电阻的另一端和所述的第一二选一模拟开关的第一选择端连接，所述的第三电阻的另一端和所述的第一二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的第一二选一模拟开关的公共端、所述的第一运算放大器的输出端、所述的第四电阻的一端和所述的第二二选一模拟开关的第一选择端连接，所述的第一运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第一运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源，所述的第一运算放大器的同相输入端接地，所述的第四电阻的另一端、所述的第五电阻的一端和所述的第二运算放大器的反相输入端连接，所述的第二运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第二运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源，所述的第二运算放大器的同相输入端接地，所述的第五电阻的另一端、所述的第二运算放大器的输出端和所述的第二二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的第二二选一模拟开关的公共端为所述的电流/电压转换及调制电路的输出端，用于输出交流电压信号；所述的第二电阻的阻值小于所述的第三电阻的阻值，所述的第一二选一模拟开关的选择端用于接入第一选择信号，所述的第一选择信号为高电平或者低电平，当所述的第一选择信号为高电平时，所述的第一二选一模拟开关的公共端和第二选择端导通，当所述的第一选择信号为低电平时，所述的第一二选一模拟开关的公共端和第一选择端导通，通过所述的第一选择信号选择将所述的第二电阻或者所述的第三电阻接入电路，实现所述的光电转换电路输出的直流电流信号放大倍数的选择，所述的第二二选一模拟开关的选择端接入第一TTL信号，所述的第一TTL信号的频率为1kHz，当所述的第一TTL信号为高电平时，所述的第二二选一模拟开关的公共端与其第一选择端导通，当所述的第一TTL信号为低电平时，所述的第二二选一模拟开关的公共端与其第二选择端导通。该电流/电压转换及调制电路采用基于运算放大器的的I/V转换电路实现电流到电压之间的转换，同时采用TTL信号控制第二二选一模拟电子开关进行信号的双极性调制，实现频谱搬移，不但电路结构简单，而且信号的调制效率高。

所述的同相交流放大电路包括第三运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第二电容和第三电容，所述的第三运算放大器具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第二电容的一端为所述的同相交流放大电路的输入端，用于接入所述的电流/电压转换及调制电路输出的交流电压信号，所述的第二电容的另一端、所述的第六电阻的一端和所述的第三运算放大器的同相输入端连接，所述的第六电阻的另一端接地，所述的第三电容的一端接地，所述的第三电容的另一端和所述的第七电阻的一端连接，所述的第七电阻的另一端、所述的第八电阻的一端和所述的第三运算放大器的反相输入端连接，所述的第八电阻的另一端和所述的第三运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的同相交流放大电路的输出端，用于输出交流放大电压信号，所述的第三运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第三运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源。该同相交流放大电路，采用电压串联负反馈以及电容耦合方式实现，可以有效抑制直流低频噪声的传输，放大频谱搬移后的被测信号。

所述的数控旋转电容滤波电路包括第四运算放大器、第四电容、第九电阻、第十电阻、数字电位器、第三二选一模拟开关和第四二选一模拟开关，所述的第四运算放大器具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的数字电位器具有高端、抽头端和低端，所述的第三二选一模拟开关和所述的第四二选一模拟开关分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，所述的第九电阻的一端为所述的数控旋转电容滤波电路的输入端，用于接入所述的同相交流放大电路输出的交流放大电压信号，所述的第九电阻的另一端、所述的第四运算放大器的反相输入端和所述的第三二选一模拟开关的公共端连接，所述的第三二选一模拟开关的第一选择端、所述的数字电位器的高端、所述的第四电容的一端和所述的第四二选一模拟开关的第一选择端连接，所述的第三二选一模拟开关的第二选择端、所述的数字电位器的低端、所述的第四电容的令一端和所述的第四二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的数字电位器的抽头端用于接入控制其抽头系数的控制信号；所述的第四二选一模拟开关的公共端和所述的第四运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的数控旋转电容滤波电路的输出端，用于输出交流滤波电压信号，所述的第四运算放大器的同相输入端与所述的第十电阻的一端连接，所述的第十电阻的另一端接地，所述的第四运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第四运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源；所述的第三二选一模拟开关的选择端接入第二选择信号，所述的第二选择信号为高电平或者低电平，如果所述的第二选择信号为高电平，所述的第三二选一模拟开关的公共端和第二选择端导通，如果所述的第二选择信号为低电平，所述的第三二选一模拟开关的公共端和第一选择端导通，所述的第四二选一模拟开关的选择端接入第三选择信号，所述的第三选择信号为高电平或者低电平，如果所述的第三选择信号为高电平，所述的第四二选一模拟开关的公共端和第一选择端导通，如果所述的第三选择信号为低电平，所述的第四二选一模拟开关的公共端和第二选择端导通，当所述的第二选择信号为高电平时，所述的第三选择信号为低电平，当所述的第二选择信号为低电平时，所述的第三选择信号为高电平。该数控旋转电容滤波电路采用高低电平控制第三二选一模拟开关和第四二选一模拟开关，从而可以便捷的实现滤波器中心频率的设置，另外采用数控电位器实现RC网络，可以实时采用数控的方式实现滤波器带宽的调制。

所述的检波滤波电路包括第五运算放大器、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第五电容和第五二选一模拟开关，所述的第五运算放大器具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第五二选一模拟开关分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，所述的第十一电阻的一端和所述的第五二选一模拟开关的第一选择端连接且其连接端为所述的检波滤波电路的输入端，用于接入所述的交流滤波电压信号，所述的第十一电阻的另一端、所述的第十二电阻的一端和所述的第五运算放大器的反相输入端连接，所述的第十二电阻的另一端，所述的第五运算放大器的输出端和所述的第五二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的第五二选一模拟开关的公共端和所述的第十三电阻的一端连接，所述的第十三电阻的另一端和所述的第五电容的一端连接且其连接端为所述的检波滤波电路的输出端，用于输出窄带差频直流电压信号，所述的第五电容的另一端接地，所述的第五运算放大器的正相输入端接地，所述的第五运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第五运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源；所述的第五二选一模拟开关的选择端接入第二TTL信号，所述的第二TTL信号的频率为1kHz，当所述的第二TTL信号为高电平时，所述的第五二选一模拟开关的公共端和其第一选择端导通，当所述的第二TTL信号为低电平时，所述的第五二选一模拟开关的公共端和其第二选择端导通。该检波滤波电路使用第五二选一模拟开关作为检波乘法器，TTL信号作为解调信号，简化了传统使用模拟乘法器的检波电路，使用RC电路实现低通滤波，具有电路结构简单易于调试的优点。

所述的调零电路包括第六运算放大器、第七运算放大器、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻和第十七电阻，所述的第六运算放大器和所述的第七运算放大器分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第六运算放大器的同相输入端为所述的调零电路的输入端，用于接入所述的检波滤波电路输出的窄带差频直流电压信号，所述的第六运算放大器的反相输入端、所述的第六运算放大器的输出端和所述的第十四电阻的一端连接，所述的第十四电阻的另一端、所述的第十五电阻的一端和所述的第七运算放大器的同相输入端连接，所述的第十五电阻的另一端接地，所述的第十六电阻的一端为所述的调零电路的参考端，用于接入调零电压，所述的第十六电阻的另一端、所述的第十七电阻的一端和所述的第七运算放大器的反相输入端连接，所述的第十七电阻的另一端和所述的第七运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的调零电路的输出端，用于输出调零直流电压信号，所述的第六运算放大器的电源端和所述的第七运算放大器的电源端分别接入提供正向电压的正电源，所述的第六运算放大器的接地端和所述的第七运算放大器的接地端分别接入提供负向电压的负电源。该调零电路采用运算放大器差分电路实现信号的调零，调零电压信号可以采用DCA输出的模拟电压实现，具有实时数控自动调零。

所述的程控直流放大电路包括第八运算放大器、第六二选一模拟开关、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻和第六电容，所述的第八运算放大器分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第六二选一模拟开关分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，所述的第十八电阻的一端为所述的程控直流放大电路的输入端，用于接入所述的调零电路输出的调零直流电压信号，所述的第十八电阻的另一端、所述的第六电容的一端和所述的第八运算放大器的同相输入端连接，所述的第六电容的另一端接地，所述的第十九电阻的一端接地，所述的第十九电阻的另一端、所述的第二十电阻的一端、所述的第二十一电阻的一端和所述的第八运算放大器的反相输入端连接，所述的第二十一电阻的另一端和所述的第六二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的第二十电阻的另一端和所述的第六二选一模拟开关的第一选择端连接，所述的第六二选一模拟开关的公共端和所述的第八运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的程控直流放大电路的输出端，用于输出模拟电压信号，所述的第八运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第八运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源；所述的第二十电阻的阻值小于所述的第二十一电阻的阻值，所述的第六二选一模拟开关的选择端用于接入第四选择信号，所述的第四选择信号为高电平或者低电平，当所述的第四选择信号为高电平时，所述的第六二选一模拟开关的公共端和第二选择端导通，当所述的第四选择信号为低电平时，所述的第六二选一模拟开关的公共端和第一选择端导通，通过所述的第四选择信号选择将所述的第二十电阻或者所述的第二十一电阻接入电阻，实现放大倍数的选择。该程控直流放大电路使用运算放大器实现的同相比例电路，通过第六二选一模拟开关改变反馈电阻(第二十电阻和第二十一电阻)设定增益大小，电路结构简单，可以根据信号大小动态调整增益。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过光电转换电路、电流/电压转换及调制电路、同相交流放大电路、数控旋转电容滤波电路、检波滤波电路、调零电路和程控直流放大电路构建微弱荧光信号检测电路，光电转换电路用于将被检测物质发出的荧光信号转换为低频的pA～nA级的直流电流信号输出，电流/电压转换及调制电路用于将光电转换电路输出的直流电流信号先转换为直流电压信号后，然后将直流电压信号进行放大后采用调制方式实现频谱搬移得到交流电压信号输出，同相交流放大电路用于将电流/电压转换及调制电路输出的交流电压信号进行交流放大后输出交流放大电压信号，数控旋转电容滤波电路用于滤除同相交流放大电路输出的交流放大电压信号中的频带外噪声并提高信噪比后输出交流滤波电压信号，检波滤波电路用于对交流滤波电压信号进行解调处理后输出窄带差频直流电压信号，调零电路用于消除检波滤波电路输出的窄带差频直流电压信号中的暗电流，得到调零直流电压信号输出，程控直流放大电路用于对调零电路输出的调零直流电压信号放大为模数转换器能够采集的模拟电压信号输出，本发明采用斩波调制和相敏检波技术，结合数控旋转电容滤波及后端调零技术等对微弱信号进行处理以实现微弱荧光信号的检测，电流/电压转换及调制电路中的调制部分和检波滤波电路抑制了荧光信号检测电路中低频噪声对微弱荧光信号的干扰，后端设置的调零电路消除光电转换电路的暗电流，数控旋转电容滤波电路采用数控的方式实现滤波器带宽的调制，提高了荧光信号检测电路的信噪比，由此本发明可以准确测出不同光强的荧光信号(电流动态检测范围为fA～mA级)，进一步降低荧光信号的检测下限，提高检测灵敏度。

附图说明

图1为文献1中公开的荧光信号检测电路的电路图；

图2为本发明的微弱荧光信号检测电路的结构框图；

图3为本发明的微弱荧光信号检测电路的光电转换电路以及电流/电压转换及调制电路的电路图；

图4为本发明的微弱荧光信号检测电路的同相交流放大电路的电路图；；

图5为本发明的微弱荧光信号检测电路的数控旋转电容滤波电路的电路图；

图6为本发明的微弱荧光信号检测电路的检波滤波电路的电路图；

图7为本发明的微弱荧光信号检测电路的调零电路的电路图；

图8为本发明的微弱荧光信号检测电路的程控直流放大电路的电路图；

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：如图2所示，一种微弱荧光信号检测电路，包括光电转换电路、电流/电压转换及调制电路、同相交流放大电路、数控旋转电容滤波电路、检波滤波电路、调零电路和程控直流放大电路，光电转换电路用于将被检测物质发出的荧光信号转换为低频的pA～nA级的直流电流信号输出，电流/电压转换及调制电路用于将光电转换电路输出的直流电流信号先转换为直流电压信号后，然后将直流电压信号进行放大后采用调制方式实现频谱搬移得到交流电压信号输出，同相交流放大电路用于将电流/电压转换及调制电路输出的交流电压信号进行交流放大后输出交流放大电压信号，数控旋转电容滤波电路用于滤除同相交流放大电路输出的交流放大电压信号中的频带外噪声并提高信噪比后输出交流滤波电压信号，检波滤波电路用于对交流滤波电压信号进行解调处理后输出窄带差频直流电压信号，调零电路用于消除检波滤波电路输出的窄带差频直流电压信号中的暗电流，得到调零直流电压信号输出，程控直流放大电路用于对调零电路输出的调零直流电压信号放大为模数转换器能够采集的模拟电压信号输出。

如图3所示，本实施例中，光电转换电路包括硅光电倍增管D1、第一电阻R1和第一电容C1，第一电阻R1的一端接入工作电压，第一电阻R1的另一端、第一电容C1的一端和硅光电倍增管D1的阳极连接，第一电容C1的另一端接地，硅光电倍增管D1的阴极为光电转换电路的输出端，用于输出低频的pA～nA级的直流电流信号。

如图3所示，本实施例中，电流/电压转换及调制电路包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第一二选一模拟开关S1、第二二选一模拟开关S2、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5，第一运算放大器U1和第二运算放大器U2分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，第一二选一模拟开关S1和第二二选一模拟开关S2分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端和第一运算放大器U1的反相输入端连接且其连接端为电流/电压转换及调制电路的输入端，用于接入光电转换电路输出的直流电流信号，第二电阻R2的另一端和第一二选一模拟开关S1的第一选择端连接，第三电阻R3的另一端和第一二选一模拟开关S1的第二选择端连接，第一二选一模拟开关S1的公共端、第一运算放大器U1的输出端、第四电阻R4的一端和第二二选一模拟开关S2的第一选择端连接，第一运算放大器U1的电源端接入提供正向电压的正电源，第一运算放大器U1的接地端接入提供负向电压的负电源，第一运算放大器U1的同相输入端接地，第四电阻R4的另一端、第五电阻R5的一端和第二运算放大器U2的反相输入端连接，第二运算放大器U2的电源端接入提供正向电压的正电源，第二运算放大器U2的接地端接入提供负向电压的负电源，第二运算放大器U2的同相输入端接地，第五电阻R5的另一端、第二运算放大器U2的输出端和第二二选一模拟开关S2的第二选择端连接，第二二选一模拟开关S2的公共端为电流/电压转换及调制电路的输出端，用于输出交流电压信号；第二电阻R2的阻值小于第三电阻R3的阻值，第一二选一模拟开关S1的选择端用于接入第一选择信号，第一选择信号为高电平或者低电平，当第一选择信号为高电平时，第一二选一模拟开关S1的公共端和第二选择端导通，当第一选择信号为低电平时，第一二选一模拟开关S1的公共端和第一选择端导通，通过第一选择信号选择将第二电阻R2或者第三电阻R3接入电路，实现光电转换电路输出的直流电流信号放大倍数的选择，第二二选一模拟开关S2的选择端接入第一TTL信号，第一TTL信号的频率为1kHz，当第一TTL信号为高电平时，第二二选一模拟开关S2的公共端与其第一选择端导通，当第一TTL信号为低电平时，第二二选一模拟开关S2的公共端与其第二选择端导通。

如图4所示，本实施例中，同相交流放大电路包括第三运算放大器U3、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二电容C2和第三电容C3，第三运算放大器U3具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，第二电容C2的一端为同相交流放大电路的输入端，用于接入电流/电压转换及调制电路输出的交流电压信号，第二电容C2的另一端、第六电阻R6的一端和第三运算放大器U3的同相输入端连接，第六电阻R6的另一端接地，第三电容C3的一端接地，第三电容C3的另一端和第七电阻R7的一端连接，第七电阻R7的另一端、第八电阻R8的一端和第三运算放大器U3的反相输入端连接，第八电阻R8的另一端和第三运算放大器U3的输出端连接且其连接端为同相交流放大电路的输出端，用于输出交流放大电压信号，第三运算放大器U3的电源端接入提供正向电压的正电源，第三运算放大器U3的接地端接入提供负向电压的负电源。

如图5所示，本实施例中，数控旋转电容滤波电路包括第四运算放大器U4、第四电容C4、第九电阻R9、第十电阻R10、数字电位器Q1、第三二选一模拟开关S3和第四二选一模拟开关S4，第四运算放大器U4具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，数字电位器Q1具有高端、抽头端和低端，第三二选一模拟开关S3和第四二选一模拟开关S4分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，第九电阻R9的一端为数控旋转电容滤波电路的输入端，用于接入同相交流放大电路输出的交流放大电压信号，第九电阻R9的另一端、第四运算放大器U4的反相输入端和第三二选一模拟开关的公共端连接，第三二选一模拟开关的第一选择端、数字电位器Q1的高端、第四电容C4的一端和第四二选一模拟开关的第一选择端连接，第三二选一模拟开关的第二选择端、数字电位器Q1的低端、第四电容C4的令一端和第四二选一模拟开关的第二选择端连接，数字电位器Q1的抽头端用于接入控制其抽头系数的控制信号；第四二选一模拟开关的公共端和第四运算放大器U4的输出端连接且其连接端为数控旋转电容滤波电路的输出端，用于输出交流滤波电压信号，第四运算放大器U4的同相输入端与第十电阻R10的一端连接，第十电阻R10的另一端接地，第四运算放大器U4的电源端接入提供正向电压的正电源，第四运算放大器U4的接地端接入提供负向电压的负电源；第三二选一模拟开关S3的选择端接入第二选择信号，第二选择信号为高电平或者低电平，如果第二选择信号为高电平，第三二选一模拟开关S3的公共端和第二选择端导通，如果第二选择信号为低电平，第三二选一模拟开关S3的公共端和第一选择端导通，第四二选一模拟开关S4的选择端接入第三选择信号，第三选择信号为高电平或者低电平，如果第三选择信号为高电平，第四二选一模拟开关S4的公共端和第一选择端导通，如果第三选择信号为低电平，第四二选一模拟开关S4的公共端和第二选择端导通，当第二选择信号为高电平时，第三选择信号为低电平，当第二选择信号为低电平时，第三选择信号为高电平。

如图6所示，本实施例中，检波滤波电路包括第五运算放大器U5、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第五电容C5和第五二选一模拟开关S5，第五运算放大器U5具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，第五二选一模拟开关S5分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，第十一电阻R11的一端和第五二选一模拟开关S5的第一选择端连接且其连接端为检波滤波电路的输入端，用于接入交流滤波电压信号，第十一电阻R11的另一端、第十二电阻R12的一端和第五运算放大器U5的反相输入端连接，第十二电阻R12的另一端，第五运算放大器U5的输出端和第五二选一模拟开关S5的第二选择端连接，第五二选一模拟开关S5的公共端和第十三电阻R13的一端连接，第十三电阻R13的另一端和第五电容C5的一端连接且其连接端为检波滤波电路的输出端，用于输出窄带差频直流电压信号，第五电容C5的另一端接地，第五运算放大器U5的正相输入端接地，第五运算放大器U5的电源端接入提供正向电压的正电源，第五运算放大器U5的接地端接入提供负向电压的负电源；第五二选一模拟开关S5的选择端接入第二TTL信号，第二TTL信号的频率为1kHz，当第二TTL信号为高电平时，第五二选一模拟开关S5的公共端和其第一选择端导通，当第二TTL信号为低电平时，第五二选一模拟开关S5的公共端和其第二选择端导通。

如图7所示，本实施例中，调零电路包括第六运算放大器U6、第七运算放大器U7、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16和第十七电阻R17，第六运算放大器U6和第七运算放大器U7分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，第六运算放大器U6的同相输入端为调零电路的输入端，用于接入检波滤波电路输出的窄带差频直流电压信号，第六运算放大器U6的反相输入端、第六运算放大器U6的输出端和第十四电阻R14的一端连接，第十四电阻R14的另一端、第十五电阻R15的一端和第七运算放大器U7的同相输入端连接，第十五电阻R15的另一端接地，第十六电阻R16的一端为调零电路的参考端，用于接入调零电压，第十六电阻R16的另一端、第十七电阻R17的一端和第七运算放大器U7的反相输入端连接，第十七电阻R17的另一端和第七运算放大器U7的输出端连接且其连接端为调零电路的输出端，用于输出调零直流电压信号，第六运算放大器U6的电源端和第七运算放大器U7的电源端分别接入提供正向电压的正电源，第六运算放大器U6的接地端和第七运算放大器U7的接地端分别接入提供负向电压的负电源。

如图8所示，本实施例中，程控直流放大电路包括第八运算放大器U8、第六二选一模拟开关S6、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21和第六电容C6，第八运算放大器U8分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，第六二选一模拟开关S6分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，第十八电阻R18的一端为程控直流放大电路的输入端，用于接入调零电路输出的调零直流电压信号，第十八电阻R18的另一端、第六电容C6的一端和第八运算放大器U8的同相输入端连接，第六电容C6的另一端接地，第十九电阻R19的一端接地，第十九电阻R19的另一端、第二十电阻R20的一端、第二十一电阻R21的一端和第八运算放大器U8的反相输入端连接，第二十一电阻R21的另一端和第六二选一模拟开关S6的第二选择端连接，第二十电阻R20的另一端和第六二选一模拟开关S6的第一选择端连接，第六二选一模拟开关S6的公共端和第八运算放大器U8的输出端连接且其连接端为程控直流放大电路的输出端，用于输出模拟电压信号，第八运算放大器U8的电源端接入提供正向电压的正电源，第八运算放大器U8的接地端接入提供负向电压的负电源；第二十电阻R20的阻值小于第二十一电阻R21的阻值，第六二选一模拟开关S6的选择端用于接入第四选择信号，第四选择信号为高电平或者低电平，当第四选择信号为高电平时，第六二选一模拟开关S6的公共端和第二选择端导通，当第四选择信号为低电平时，第六二选一模拟开关S6的公共端和第一选择端导通，通过第四选择信号选择将第二十电阻R20或者第二十一电阻R21接入电路，实现放大倍数的选择。

Claims (8)

1.一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于包括光电转换电路、电流/电压转换及调制电路、同相交流放大电路、数控旋转电容滤波电路、检波滤波电路、调零电路和程控直流放大电路，所述的光电转换电路用于将被检测物质发出的荧光信号转换为低频的pA～nA级的直流电流信号输出，所述的电流/电压转换及调制电路用于将所述的光电转换电路输出的直流电流信号先转换为直流电压信号后，然后将直流电压信号进行放大后采用调制方式实现频谱搬移得到交流电压信号输出，所述的同相交流放大电路用于将所述的电流/电压转换及调制电路输出的交流电压信号进行交流放大后输出交流放大电压信号，所述的数控旋转电容滤波电路用于滤除所述的同相交流放大电路输出的交流放大电压信号中的频带外噪声并提高信噪比后输出交流滤波电压信号，所述的检波滤波电路用于对所述的交流滤波电压信号进行解调处理后输出窄带差频直流电压信号，所述的调零电路用于消除所述的检波滤波电路输出的窄带差频直流电压信号中的暗电流，得到调零直流电压信号输出，所述的程控直流放大电路用于对所述的调零电路输出的调零直流电压信号放大为模数转换器能够采集的模拟电压信号输出。

2.根据权利要求1所述的一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于所述的光电转换电路包括硅光电倍增管、第一电阻和第一电容，所述的第一电阻的一端接入工作电压，所述的第一电阻的另一端、所述的第一电容的一端和所述的硅光电倍增管的阳极连接，所述的第一电容的另一端接地，所述的硅光电倍增管的阴极为所述的光电转换电路的输出端，用于输出低频的pA～nA级的直流电流信号。

3.根据权利要求1所述的一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于其特征在于所述的电流/电压转换及调制电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一二选一模拟开关、第二二选一模拟开关、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，所述的第一运算放大器和所述的第二运算放大器分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第一二选一模拟开关和所述的第二二选一模拟开关分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，所述的第二电阻的一端、所述的第三电阻的一端和所述的第一运算放大器的反相输入端连接且其连接端为所述的电流/电压转换及调制电路的输入端，用于接入所述的光电转换电路输出的直流电流信号，所述的第二电阻的另一端和所述的第一二选一模拟开关的第一选择端连接，所述的第三电阻的另一端和所述的第一二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的第一二选一模拟开关的公共端、所述的第一运算放大器的输出端、所述的第四电阻的一端和所述的第二二选一模拟开关的第一选择端连接，所述的第一运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第一运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源，所述的第一运算放大器的同相输入端接地，所述的第四电阻的另一端、所述的第五电阻的一端和所述的第二运算放大器的反相输入端连接，所述的第二运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第二运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源，所述的第二运算放大器的同相输入端接地，所述的第五电阻的另一端、所述的第二运算放大器的输出端和所述的第二二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的第二二选一模拟开关的公共端为所述的电流/电压转换及调制电路的输出端，用于输出交流电压信号；所述的第二电阻的阻值小于所述的第三电阻的阻值，所述的第一二选一模拟开关的选择端用于接入第一选择信号，所述的第一选择信号为高电平或者低电平，当所述的第一选择信号为高电平时，所述的第一二选一模拟开关的公共端和第二选择端导通，当所述的第一选择信号为低电平时，所述的第一二选一模拟开关的公共端和第一选择端导通，通过所述的第一选择信号选择将所述的第二电阻或者所述的第三电阻接入电路，实现所述的光电转换电路输出的直流电流信号放大倍数的选择，所述的第二二选一模拟开关的选择端接入第一TTL信号，所述的第一TTL信号的频率为1kHz，当所述的第一TTL信号为高电平时，所述的第二二选一模拟开关的公共端与其第一选择端导通，当所述的第一TTL信号为低电平时，所述的第二二选一模拟开关的公共端与其第二选择端导通。

4.根据权利要求1所述的一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于所述的同相交流放大电路包括第三运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第二电容和第三电容，所述的第三运算放大器具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第二电容的一端为所述的同相交流放大电路的输入端，用于接入所述的电流/电压转换及调制电路输出的交流电压信号，所述的第二电容的另一端、所述的第六电阻的一端和所述的第三运算放大器的同相输入端连接，所述的第六电阻的另一端接地，所述的第三电容的一端接地，所述的第三电容的另一端和所述的第七电阻的一端连接，所述的第七电阻的另一端、所述的第八电阻的一端和所述的第三运算放大器的反相输入端连接，所述的第八电阻的另一端和所述的第三运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的同相交流放大电路的输出端，用于输出交流放大电压信号，所述的第三运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第三运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源。

5.根据权利要求1所述的一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于所述的数控旋转电容滤波电路包括第四运算放大器、第四电容、第九电阻、第十电阻、数字电位器、第三二选一模拟开关和第四二选一模拟开关，所述的第四运算放大器具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的数字电位器具有高端、抽头端和低端，所述的第三二选一模拟开关和所述的第四二选一模拟开关分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，所述的第九电阻的一端为所述的数控旋转电容滤波电路的输入端，用于接入所述的同相交流放大电路输出的交流放大电压信号，所述的第九电阻的另一端、所述的第四运算放大器的反相输入端和所述的第三二选一模拟开关的公共端连接，所述的第三二选一模拟开关的第一选择端、所述的数字电位器的高端、所述的第四电容的一端和所述的第四二选一模拟开关的第一选择端连接，所述的第三二选一模拟开关的第二选择端、所述的数字电位器的低端、所述的第四电容的令一端和所述的第四二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的数字电位器的抽头端用于接入控制其抽头系数的控制信号；所述的第四二选一模拟开关的公共端和所述的第四运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的数控旋转电容滤波电路的输出端，用于输出交流滤波电压信号，所述的第四运算放大器的同相输入端与所述的第十电阻的一端连接，所述的第十电阻的另一端接地，所述的第四运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第四运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源；所述的第三二选一模拟开关的选择端接入第二选择信号，所述的第二选择信号为高电平或者低电平，如果所述的第二选择信号为高电平，所述的第三二选一模拟开关的公共端和第二选择端导通，如果所述的第二选择信号为低电平，所述的第三二选一模拟开关的公共端和第一选择端导通，所述的第四二选一模拟开关的选择端接入第三选择信号，所述的第三选择信号为高电平或者低电平，如果所述的第三选择信号为高电平，所述的第四二选一模拟开关的公共端和第一选择端导通，如果所述的第三选择信号为低电平，所述的第四二选一模拟开关的公共端和第二选择端导通，当所述的第二选择信号为高电平时，所述的第三选择信号为低电平，当所述的第二选择信号为低电平时，所述的第三选择信号为高电平。

6.根据权利要求1所述的一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于所述的检波滤波电路包括第五运算放大器、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第五电容和第五二选一模拟开关，所述的第五运算放大器具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第五二选一模拟开关分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，所述的第十一电阻的一端和所述的第五二选一模拟开关的第一选择端连接且其连接端为所述的检波滤波电路的输入端，用于接入所述的交流滤波电压信号，所述的第十一电阻的另一端、所述的第十二电阻的一端和所述的第五运算放大器的反相输入端连接，所述的第十二电阻的另一端，所述的第五运算放大器的输出端和所述的第五二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的第五二选一模拟开关的公共端和所述的第十三电阻的一端连接，所述的第十三电阻的另一端和所述的第五电容的一端连接且其连接端为所述的检波滤波电路的输出端，用于输出窄带差频直流电压信号，所述的第五电容的另一端接地，所述的第五运算放大器的正相输入端接地，所述的第五运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第五运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源；所述的第五二选一模拟开关的选择端接入第二TTL信号，所述的第二TTL信号的频率为1kHz，当所述的第二TTL信号为高电平时，所述的第五二选一模拟开关的公共端和其第一选择端导通，当所述的第二TTL信号为低电平时，所述的第五二选一模拟开关的公共端和其第二选择端导通。

7.根据权利要求1所述的一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于所述的调零电路包括第六运算放大器、第七运算放大器、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻和第十七电阻，所述的第六运算放大器和所述的第七运算放大器分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第六运算放大器的同相输入端为所述的调零电路的输入端，用于接入所述的检波滤波电路输出的窄带差频直流电压信号，所述的第六运算放大器的反相输入端、所述的第六运算放大器的输出端和所述的第十四电阻的一端连接，所述的第十四电阻的另一端、所述的第十五电阻的一端和所述的第七运算放大器的同相输入端连接，所述的第十五电阻的另一端接地，所述的第十六电阻的一端为所述的调零电路的参考端，用于接入调零电压，所述的第十六电阻的另一端、所述的第十七电阻的一端和所述的第七运算放大器的反相输入端连接，所述的第十七电阻的另一端和所述的第七运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的调零电路的输出端，用于输出调零直流电压信号，所述的第六运算放大器的电源端和所述的第七运算放大器的电源端分别接入提供正向电压的正电源，所述的第六运算放大器的接地端和所述的第七运算放大器的接地端分别接入提供负向电压的负电源。

8.根据权利要求1所述的一种微弱荧光信号检测电路，其特征在于所述的程控直流放大电路包括第八运算放大器、第六二选一模拟开关、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻和第六电容，所述的第八运算放大器分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第六二选一模拟开关分别具有公共端、第一选择端、第二选择端和控制端，所述的第十八电阻的一端为所述的程控直流放大电路的输入端，用于接入所述的调零电路输出的调零直流电压信号，所述的第十八电阻的另一端、所述的第六电容的一端和所述的第八运算放大器的同相输入端连接，所述的第六电容的另一端接地，所述的第十九电阻的一端接地，所述的第十九电阻的另一端、所述的第二十电阻的一端、所述的第二十一电阻的一端和所述的第八运算放大器的反相输入端连接，所述的第二十一电阻的另一端和所述的第六二选一模拟开关的第二选择端连接，所述的第二十电阻的另一端和所述的第六二选一模拟开关的第一选择端连接，所述的第六二选一模拟开关的公共端和所述的第八运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的程控直流放大电路的输出端，用于输出模拟电压信号，所述的第八运算放大器的电源端接入提供正向电压的正电源，所述的第八运算放大器的接地端接入提供负向电压的负电源；所述的第二十电阻的阻值小于所述的第二十一电阻的阻值，所述的第六二选一模拟开关的选择端用于接入第四选择信号，所述的第四选择信号为高电平或者低电平，当所述的第四选择信号为高电平时，所述的第六二选一模拟开关的公共端和第二选择端导通，当所述的第四选择信号为低电平时，所述的第六二选一模拟开关的公共端和第一选择端导通，通过所述的第四选择信号选择将所述的第二十电阻或者所述的第二十一电阻接入电阻，实现放大倍数的选择。

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