CN213585705U - 一种实时荧光定量采集信号滤波放大电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种实时荧光定量采集信号滤波放大电路，包括：硅光电传感器、多阶滤波放大电路和ADC模数转换电路，输出的数字信号能反应出特定DNA序列并进行定量分析；所述多阶滤波放大电路包括多个滤波放大电路，所述滤波放大电路的输出端连接下一个滤波放大电路的输入端，下一个滤波放大电路的输出端连接下下一个滤波放大电路的输入端，以此类推构成多阶滤波放大电路；每个所述滤波放大电路的输出端均连接至ADC模数转换电路，采用本实用新型的滤波放大电路，在扩增DNA的不同阶段，可根据荧光信号的强弱，自动调节放大倍数和滤波效果，便于后续数据分析。

Description

一种实时荧光定量采集信号滤波放大电路

技术领域

本实用新型属于电子电路技术领域，具体涉及一种实时荧光定量采集信号滤波放大电路。

背景技术

实时荧光定量PCR(Quantitative Real-time PCR)是一种在DNA扩增反应中，以荧光化学物质测每次聚合酶链式反应(PCR)循环后产物总量，通过内参或者外参法对待测样品中的特定DNA序列进行定量分析的方法。Real-time PCR是在PCR扩增过程中，通过荧光信号，对PCR进程进行实时检测。

PCR技术的基本原理类似于DNA的天然复制过程，其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物。PCR由变性-退火-延伸三个基本反应步骤构成：①模板DNA的变性：模板DNA经加热至93℃左右一定时间后，使模板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解离，使之成为单链，以便它与引物结合，为下轮反应作准备；②模板DNA 与引物的退火(复性)：模板DNA经加热变性成单链后，温度降至55℃左右，引物与模板DNA单链的互补序列配对结合；③引物的延伸：DNA模板-引物结合物在72℃、 DNA聚合酶(如TaqDNA聚合酶)的作用下，以dNTP为反应原料，靶序列为模板，按碱基互补配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链，重复循环变性-退火-延伸三过程就可获得更多的“半保留复制链”，而且这种新链又可成为下次循环的模板。

由于荧光定量PCR需要采集微弱的荧光信号，在采集信号时，有许多干扰信号，把有效的荧光信号埋没在其中，会造成荧光采集不准确，导致后续分析不准确，而且采集的效率不高，所需时间很长。在扩增的不同阶段，荧光值大小变化范围很大，对信号的放大和滤波有很高的要求。

目前，常采用的弱电信号的放大采集电路为：两阶放大滤波电路，其包括：前级放大电路、高通滤波器、后级放大电路，前级放大电路的输出端连接高通滤波器的输入端，高通滤波器的输出端连接后级放大电路，但该滤波放大电路存在以下缺点：(1)对弱信号的放大滤波效果并不显著；(2)荧光信号的采集效率不高，所需时间很长；(3)无法根据荧光信号的强弱来调节放大倍数和滤波效果。

实用新型内容

实用新型目的：为解决现有技术中荧光信号采集不准确、荧光信号采集效率不高、无法根据荧光信号的强弱来调节放大倍数和滤波效果等问题，提出了一种实时荧光定量采集信号滤波放大电路。

技术方案：本实用新型公开了一种实时荧光定量采集信号滤波放大电路，包括：

光电传感器，用于采集荧光信号，并将采集到的荧光信号转换为电信号；

多阶滤波放大电路，用于根据进入该多阶滤波放大电路的电信号自动调整信号放大倍数，输出放大电信号；

ADC模数转换电路，用于将满足要求的放大电信号转换成数字信号，使数字信号能反应出特定DNA序列并进行定量分析；

所述多阶滤波放大电路包括多个滤波放大电路，所述滤波放大电路的输出端连接下一个滤波放大电路的输入端，下一个滤波放大电路的输出端连接下下一个滤波放大电路的输入端，以此类推构成多阶滤波放大电路；

每个所述滤波放大电路的输出端均连接至ADC模数转换电路。

进一步的，还包括用于消除背景和电路噪声的IV转换及二阶压控滤波电路，该IV转换及二阶压控滤波电路的输入端连接硅光电传感器的正极，该IV转换及二阶压控滤波电路的输出端连接多阶滤波放大电路的输入端。

进一步的，所述IV转换及二阶压控滤波电路包括：负载电阻R1、电容C5和运算放大器U1A；所述负载电阻R1用于将硅光电传感器输出的电流信号转换为电压信号，其一端连接所述运算放大器U1A的负输入端和连接负载电阻R1的一端，另一端连接运算放大器U1A的输出端。

进一步的，所述多阶滤波放大电路包括第一阶滤波放大电路、第二阶滤波放大电路、第三阶滤波放大电路和第四阶滤波放大电路，所述第一阶滤波放大电路的输出端连接所述第二阶滤波放大电路的输入端，所述第二阶滤波放大电路的输出端连接所述第三阶滤波放大电路的输入端，所述第三阶滤波放大电路的输出端连接所述第四阶滤波放大电路的输入端；

所述ADC模数转换电路包括四个放大倍数不同的通道，根据放大倍数，所述第一阶滤波放大电路、第二阶滤波放大电路、第三阶滤波放大电路和第四阶滤波放大电路的输出端分别通过对应的通道与ADC模数转换电路连接。

进一步的，所述ADC模数转换电路包括ADC芯片，所述ADC芯片采用AD7175-2芯片。

进一步的，所述运算放大器U1A采用ADA4528芯片。

进一步的，所述光电传感器为硅光电传感器。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

(1)采用本实用新型的滤波放大电路，在扩增DNA的不同阶段，可根据荧光信号的强弱，自动调节放大倍数和滤波效果，便于后续数据分析；

(2)采用本实用新型的滤波放大电路，可有效滤除无用信号，保留有效荧光信号，其荧光信号采集效率高。

附图说明

图1为PD信号放大和采集电路框图；

图2为IV转换以及二阶压控滤波电路示意图；

图3为IV转换输出前两级输出波形图；

图4为信号放大后4级输出波形图；

图5为信号伯德图，通带频率0-1.62Khz；

图6为荧光信号放大滤波及ADC电路图；

图7为多通道ADC走线示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例进一步阐述本实用新型的技术方案。

如图1所示，采用本实用新型的滤波放大电路，荧光信号的处理流程包括：首先通过硅光电传感器电路S1采集到荧光信号，并将荧光信号转换为电流信号，该电流信号依次经过IV转换前置放大电路和二阶压控低通滤波电路，消除背景和电路噪声；再通过多阶滤波放大电路，对进入该多阶滤波放大电路的信号自动调整信号放大倍数；最后通过高精度多通道的ADC模数转换电路将模拟信号转换成数字信号，使数字信号能反应出特定DNA序列并进行定量分析。本实用新型采用多通道变增益的方法提高ADC采样精度。

现结合附图2对本实用新型的IV转换前置放大电路和二阶压控低通滤波电路S2做进一步的说明。

IV转换前置放大电路，用于实现电流到电压信号的转换，并对电压信号进行初步放大，在一些实施例中，该IV转换前置放大电路可通过在输出电路上接入负载电阻的方法实现，微弱的荧光信号经过硅光电传感器D1后转换成微弱的电流信号，该电流信号经过负载电阻R1转换成电压信号，并实现R1倍数的放大，负载电阻R1的阻值数值越大，放大倍数就越大，信号放大倍数为A＝I*R1。在设计PD输出电路，即在设计IV转换前置放大电路和二阶压控低通滤波电路时，需要考虑光电倍增管的频响和输出线性度特性，因此负载电阻R1的阻值不能设置的太大。

其中，二阶压控低通滤波电路包括低通滤波器和运算放大器U1A，在一些实施例中，由负载电阻R1与电容C5并联构成低通滤波器，其中，负载电阻R1用于信号放大，电容C5用于电流反馈。在一些实施例中，运算放大器U1A可选用ADA4528芯片，该芯片的关键参数包括：低噪声5.6nV/√Hz；高增益开环增益：130dB(最小值)；低漂移低失调电压漂移：0.015μV/℃(最大值)；低失调电压：2.5μV(最大值)；共模抑制比(CMRR)： 135dB(最小值)；电源抑制比(PSRR)：130dB(最小值)；单位增益交越：4MHz增益带宽积：3MHz(AV＝+100)。

IV转换前置放大电路和二阶压控低通滤波电路S2具体电路结构包括：负载电阻R1、电容C5和运算放大器U1A；硅光电传感器D1的正极连接运算放大器U1A的负输入端，其负极接地；该负载电阻R1的一端连接运算放大器U1A的负输入端，其另一端连接运算放大器U1A的输出端；电容C5并联于负载电阻R1的两端；该电阻R6的一端连接运算放大器U1A的正输入端，其另一端接地；运算放大器U1A正极连接电源正2.5V，其负极连接电源负2.5V；电容C1的一端连接电源正2.5V，其另一端连接地；电容C2 的一端连接电源负2.5V，另一端连接地，电容C1和电容C2为电源滤波电容，起到滤除电源上的干扰噪声。以此类推，在每一路运算放大器所需接正/负2.5V电源情况下每一端都并接一个电容。

现采用对multisim对上述电路进行仿真，仿真结果参见图3、图4和图5。当输入电流为50pA时，IV转换输出电压500uV和理论一致，经过二阶低通滤波后输出875uV，理想情况下后续放大1000倍输出信号可达875mV，所选用的AD7175-2可以高精度的采集。

现结合图6说明本实用新型的多阶滤波放大电路和ADC模数转换电路S7。

多阶滤波放大电路包括第一阶滤波放大电路S3、第二阶滤波放大电路S4、第三阶滤波放大电路S5和第四阶滤波放大电路S6，第一阶滤波放大电路S3的输出端连接第二阶滤波放大电路S4的输入端，第二阶滤波放大电路S4的输出端连接第三阶滤波放大电路S5 的输入端，第三阶滤波放大电路S5的输出端连接第四阶滤波放大电路S6的输入端。

ADC模数转换电路S7包括四个放大倍数不同的通道，根据放大倍数，第一阶滤波放大电路S3、第二阶滤波放大电路S4、第三阶滤波放大电路S5和第四阶滤波放大电路S6 的输出端分别通过对应的通道与ADC模数转换电路S7连接。

由于PCR倍增前后的荧光值不同且变化范围大，为了测得微弱荧光，当荧光信号微弱时采用放大倍数大的通道，当荧光信号强时放大倍数大的通道饱和，表现为ADC采集的值达到上限，这时选择放大倍数低的通道；四个ADC通道可根据需要每次选用一个通道，ADC模数转换电路S7采集到的4个放大倍数通道电压，若采集到的通道电压大于等于2.5V(满量程)时，则进行丢弃且不参与计算分析，若采集到的通道电压小于2.5V且接近2.5V的那个通道参与计算分析。

荧光信号的采集需要同时满足高速和高精度两个要求，因此在ADC模数转换电路中，可选用AD7175-2芯片，该芯片的主要关键参数包括：17.2位无噪声分辨率(250 kSPS)，4个单端通道，或者两个全差分通道，串行端口接口SPI、QSPI、MICROWIRE 和DSP兼容，AVDD1/AVSS为±2.5V。该芯片具有4个单通道，能有效解决PCR不同阶段需要放大倍数不同的特点。

对高精度多通道的ADC模数转换电路进行布局布线时，四个通道并行链接，最大信号是最小信号的1000倍，由于高倍数信号对微弱信号将有影响，因此可参照图7进行布局布线，包括信号板层间使用AGND包裹，线之间使用AGND隔离，高压信号产生的辐射将被AGND吸收，降低高压对低压的影响，使漏电流降到最低，防止相互干扰。

Claims (7)

1.一种实时荧光定量采集信号滤波放大电路，其特征在于：包括：

光电传感器，用于采集荧光信号，并将采集到的荧光信号转换为电信号；

多阶滤波放大电路，用于根据进入该多阶滤波放大电路的电信号自动调整信号放大倍数，输出放大电信号；

ADC模数转换电路，用于将满足要求的放大电信号转换成数字信号，使数字信号能反应出特定DNA序列并进行定量分析；

所述多阶滤波放大电路包括多个滤波放大电路，所述滤波放大电路的输出端连接下一个滤波放大电路的输入端，下一个滤波放大电路的输出端连接下下一个滤波放大电路的输入端，以此类推构成多阶滤波放大电路；

每个所述滤波放大电路的输出端均连接至ADC模数转换电路。

2.根据权利要求1所述的一种实时荧光定量采集信号滤波放大电路，其特征在于：还包括用于消除背景和电路噪声的IV转换及二阶压控滤波电路，该IV转换及二阶压控滤波电路的输入端连接硅光电传感器的正极，该IV转换及二阶压控滤波电路的输出端连接多阶滤波放大电路的输入端。

3.根据权利要求2所述的一种实时荧光定量采集信号滤波放大电路，其特征在于：所述IV转换及二阶压控滤波电路包括：负载电阻R1、电容C5和运算放大器U1A；所述负载电阻R1用于将硅光电传感器输出的电流信号转换为电压信号，其一端连接所述运算放大器U1A的负输入端和连接负载电阻R1的一端，另一端连接运算放大器U1A的输出端。

4.根据权利要求1所述的一种实时荧光定量采集信号滤波放大电路，其特征在于：所述多阶滤波放大电路包括第一阶滤波放大电路、第二阶滤波放大电路、第三阶滤波放大电路和第四阶滤波放大电路，所述第一阶滤波放大电路的输出端连接所述第二阶滤波放大电路的输入端，所述第二阶滤波放大电路的输出端连接所述第三阶滤波放大电路的输入端，所述第三阶滤波放大电路的输出端连接所述第四阶滤波放大电路的输入端；

所述ADC模数转换电路包括四个放大倍数不同的通道，根据放大倍数，所述第一阶滤波放大电路、第二阶滤波放大电路、第三阶滤波放大电路和第四阶滤波放大电路的输出端分别通过对应的通道与ADC模数转换电路连接。

5.根据权利要求1所述的一种实时荧光定量采集信号滤波放大电路，其特征在于：所述ADC模数转换电路包括ADC芯片，所述ADC芯片采用AD7175-2芯片。

6.根据权利要求3所述的一种实时荧光定量采集信号滤波放大电路，其特征在于：所述运算放大器U1A采用ADA4528芯片。

7.根据权利要求1所述的一种实时荧光定量采集信号滤波放大电路，其特征在于：所述光电传感器为硅光电传感器。

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