一種基于電化學(xué)傳感器的讀出電路及讀出方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于電化學(xué)傳感器的高精度、大動(dòng)態(tài)范圍的讀出電路，包括可變量程轉(zhuǎn)換器，適于將電化學(xué)傳感器的輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓，并輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適于將可變量程轉(zhuǎn)換器輸出的電壓進(jìn)行數(shù)字量化，以方便于數(shù)字信號(hào)處理；量程鑒定器，適于將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出數(shù)值進(jìn)行比較鑒定，得出所在的量程；量程調(diào)節(jié)器，根據(jù)量程鑒定器的輸出結(jié)果，對(duì)可變量程轉(zhuǎn)換器進(jìn)行量程調(diào)節(jié)。及一種基于電化學(xué)傳感器從電流讀出數(shù)字信號(hào)的方法，包括：將電化學(xué)傳感器的輸出電流通過(guò)可變?cè)鲆孓D(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)；將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出；鑒定數(shù)字信號(hào)所在的量程；根據(jù)數(shù)字信號(hào)所在的量程調(diào)節(jié)可變?cè)鲆孓D(zhuǎn)換器的量程。上述讀出電路和讀出方法實(shí)現(xiàn)了高精度、大動(dòng)態(tài)范圍的電化學(xué)傳感器的電流讀出。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種基于電化學(xué)傳感器的讀出電路及讀出方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子、電路【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于電化學(xué)傳感器的讀出電路及讀出方法，尤其涉及一種基于電化學(xué)傳感器的高精度、大動(dòng)態(tài)范圍的讀出電路及讀出方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著生物醫(yī)療電子技術(shù)的發(fā)展與成熟，生物傳感器越來(lái)越多的用于醫(yī)療領(lǐng)域，它的種類(lèi)非常多，可分成電化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器等等。電化學(xué)分析的方法是利用電化學(xué)傳感器將生物信號(hào)轉(zhuǎn)換成電化學(xué)信號(hào)進(jìn)行處理的一種方法。常用的電化學(xué)傳感器一般為三電極系統(tǒng):工作電極，對(duì)電極和參考電極。它通過(guò)控制工作電極與參考電極之間的電壓，使得待測(cè)物質(zhì)在電極上產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電荷在工作電極和對(duì)電極之間流動(dòng)，從而形成電流。一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生的傳感器電流和待測(cè)物質(zhì)的濃度正比。
[0003]電化學(xué)傳感器一般植入到體內(nèi)以反映待測(cè)物質(zhì)的濃度。對(duì)于健康人來(lái)說(shuō)，待測(cè)物質(zhì)濃度的波動(dòng)范圍不會(huì)太大，但對(duì)于一個(gè)身體異常的人來(lái)說(shuō)，待測(cè)物質(zhì)的濃度會(huì)在一個(gè)很大的范圍內(nèi)波動(dòng)，與之相應(yīng)的，電化學(xué)傳感器的輸出電流也具有很大的動(dòng)態(tài)范圍。此外，電化學(xué)傳感器所處的人體環(huán)境易于受到電磁干擾等外界環(huán)境的影響。因而電化學(xué)的讀出電路必須對(duì)噪聲有很好的抑制作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種電化學(xué)傳感器的高精度、大動(dòng)態(tài)范圍的讀出電路及讀出方法。
[0005]本發(fā)明提供的電化學(xué)傳感器的高精度、大動(dòng)態(tài)范圍的讀出電路，包括:可變量程轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、量程鑒定器和量程調(diào)節(jié)器。其拓?fù)潢P(guān)系為:可變量程轉(zhuǎn)換器輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端相連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端與量程鑒定器輸入端相連接，量程鑒定器輸出端與量程調(diào)節(jié)器輸入端相連接，量程調(diào)節(jié)器輸出端與可變量程轉(zhuǎn)換器相連接，從而構(gòu)成閉合調(diào)節(jié)回路。其中:
所述可變量程轉(zhuǎn)換器，用于將電化學(xué)傳感器的輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓，并輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將可變量程轉(zhuǎn)換器輸出的電壓進(jìn)行數(shù)字量化，以方便于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理；
所述量程鑒定器，用于將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出數(shù)值進(jìn)行比較鑒定，得出所在的量
程；
所述量程調(diào)節(jié)器，用于根據(jù)量程鑒定器的輸出結(jié)果，對(duì)可變量程轉(zhuǎn)換器進(jìn)行量程調(diào)節(jié)。
[0006]本發(fā)明中，所述可變量程轉(zhuǎn)換器，可以通過(guò)在電容上進(jìn)行積分的方法將傳感器的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓。
[0007]本發(fā)明中，所述可變量程轉(zhuǎn)換器采用雙相關(guān)采樣技術(shù)減小直流失調(diào)和低頻噪聲。
[0008]本發(fā)明中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器可采用逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。[0009]本發(fā)明中，所述逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器為8位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0010]本發(fā)明中，所述量程鑒定器由數(shù)字邏輯電路實(shí)現(xiàn)比較和鑒定功能。
[0011]本發(fā)明中，所述量程調(diào)節(jié)器可以采用可編程的電容陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變電容陣列的值來(lái)完成量程調(diào)節(jié)。
[0012]本發(fā)明中，所述量程調(diào)節(jié)器也可以通過(guò)不同的積分時(shí)間周期，來(lái)實(shí)現(xiàn)量程的調(diào)節(jié)。
[0013]本發(fā)明中，所述量程調(diào)節(jié)器可以采用5個(gè)量程來(lái)實(shí)現(xiàn)5個(gè)數(shù)量級(jí)的電流轉(zhuǎn)換。
[0014]本發(fā)明中，所述量程鑒定器和量程調(diào)節(jié)器可集成為一個(gè)電路模塊。
[0015]本發(fā)明還提供的基于電化學(xué)傳感器從電流讀出數(shù)字信號(hào)的方法，具體步驟為:
將電化學(xué)傳感器的輸出電流通過(guò)可變?cè)鲆孓D(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)；
將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出；
鑒定數(shù)字信號(hào)所在的量程；
根據(jù)數(shù)字信號(hào)所在的量程調(diào)節(jié)可變?cè)鲆孓D(zhuǎn)換器的量程。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括，通過(guò)采用量程鑒定器和量程調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)大的電化學(xué)傳感器電流范圍的讀出，該范圍可以根據(jù)應(yīng)用選擇多達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍。此外，該讀出電路采用雙相關(guān)采樣技術(shù)，可以減小直流失調(diào)和低頻噪聲，可以測(cè)試低至fA級(jí)別的微弱電流。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明提出的基于電化學(xué)傳感器的讀出電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為具體實(shí)例中的基于電化學(xué)傳感器的讀出電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為具體實(shí)例中可變量程轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)電路。
[0020]圖4為具體實(shí)例中的8位逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)電路。
[0021]圖5為具體實(shí)例中的8位逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比較器的實(shí)現(xiàn)電路。
[0022]圖6為具體實(shí)例中的量程鑒定及調(diào)節(jié)器的量程轉(zhuǎn)換狀態(tài)圖。
[0023]圖7為具體實(shí)例中的量程鑒定及調(diào)節(jié)器的量程邊界信號(hào)的數(shù)值決定圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。下面描述中，附圖僅僅是本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。另外，所描述的實(shí)施例僅僅是本申請(qǐng)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒旧暾?qǐng)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本申請(qǐng)保護(hù)的范圍。
[0025]本實(shí)例提供了一種基于電化學(xué)傳感器的高精度、大動(dòng)態(tài)范圍的讀出電路，下面做詳細(xì)的說(shuō)明。
[0026]參考圖2，是本發(fā)明中的基于電化學(xué)傳感器的一種具體讀出電路。該電化學(xué)傳感器用于植入人體內(nèi)測(cè)量葡萄糖濃度。該讀出電路包括可變量程轉(zhuǎn)換器，8位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及集成在一起的量程鑒定及調(diào)節(jié)器。讀出電路的拓?fù)潢P(guān)系為:可變量程轉(zhuǎn)換器輸出端與8位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端相連接，8位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端與量程鑒定及調(diào)節(jié)器輸入端相連接，量程鑒定及調(diào)節(jié)器輸出端與可變量程轉(zhuǎn)換器相連接，從而構(gòu)成閉合調(diào)節(jié)回路。下面將具體說(shuō)明各個(gè)電路的具體實(shí)現(xiàn)。
[0027]參考圖3，是可變量程轉(zhuǎn)換器的具體電路實(shí)現(xiàn)，包含積分電路和保持電路。其中，積分電路的具體原理為:電化學(xué)傳感器產(chǎn)生的電流在積分電容上進(jìn)行積分，從而實(shí)現(xiàn)了電流到電壓的轉(zhuǎn)換。積分的輸出電壓與電化學(xué)傳感器電流成正比，與積分電容的值成反比，與積分時(shí)間成正比。在積分器可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換:一種方法為將積分電容設(shè)計(jì)為成等差數(shù)列變化的電容整列，通過(guò)調(diào)節(jié)積分電容值的大小，從而實(shí)現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)化，但是這種方法由于使用了大量的電容，因而會(huì)占用大量的芯片面積；另外一種方法為改變積分器的積分周期，從而實(shí)現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換，這種方法不需要太多電容，因而節(jié)省大量面積，但是需要一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生器來(lái)產(chǎn)生不同周期的時(shí)鐘控制信號(hào)，不可避免的增加了功耗。本實(shí)例采用了改變積分時(shí)間周期的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換。本積分電路共有5個(gè)不同的量程。從而實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)范圍的電流測(cè)試。
[0028]積分電路在實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的電流轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還必須具有很高的靈敏度。因而必須具有很低的噪聲和對(duì)周?chē)h(huán)境的抗干擾能力。本實(shí)例通過(guò)雙相關(guān)采樣技術(shù)來(lái)消除直流失調(diào)以及減小低頻閃爍噪聲。參考圖3，圖3中虛線框圖內(nèi)的電路為雙相關(guān)采樣電路。雙相關(guān)采樣的時(shí)序參照?qǐng)D3的時(shí)鐘信號(hào)，信號(hào)I和2，3和4， 和2-為兩相非交疊時(shí)鐘。為了避免溝道電荷注入效應(yīng)，信號(hào)I和2，3和4，廣和2-采用了 0-0兩相非交疊時(shí)鐘。雙相關(guān)采樣的原理為:將積分器運(yùn)放的直流失調(diào)以及閃爍噪聲儲(chǔ)存在采樣電容上，然后將采樣電容反向，從而實(shí)現(xiàn)了失調(diào)電壓的消除以及閃爍噪聲的減小。
[0029]可變量程轉(zhuǎn)換器的另一部分是保持電路。由于積分電路的輸出為三角波，不能直接為后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理，因?yàn)樾枰３蛛娐穼?duì)積分電路的輸出進(jìn)行處理。為了達(dá)到所需要的精度，采樣保持電路也采用了雙相關(guān)采樣技術(shù)來(lái)消除電路的直流失調(diào)電壓以及閃爍噪聲。值得一提的是，無(wú)論是積分電路還是保持電路，與運(yùn)放的節(jié)點(diǎn)相連接的節(jié)點(diǎn)，都是直接連接到電容的上極板。這是因?yàn)殡娙莸南聵O板與襯底之間具有很大的寄生電容，此寄生電容會(huì)影響積分電路和保持電路的精度。此外，為了避免溝道電荷注入效應(yīng)，參照?qǐng)D4，是本實(shí)例中的8位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將可變量程轉(zhuǎn)換器的電壓輸出轉(zhuǎn)化為8位數(shù)字輸出。8位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器有采樣電路，比較器，電容陣列子數(shù)模轉(zhuǎn)換器和逐次逼近邏輯電路組成。為降低功耗，采樣電路采用無(wú)源的互補(bǔ)采樣開(kāi)關(guān)。此互補(bǔ)開(kāi)關(guān)的溝道電荷注入效應(yīng)和時(shí)鐘饋通效應(yīng)會(huì)將非理想的電荷注入到電容陣列的上極板，從而影響模數(shù)轉(zhuǎn)換器的線性度和精度。為解決上述問(wèn)題，在互補(bǔ)采樣開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上添加了虛擬管，虛擬管的尺寸為互補(bǔ)開(kāi)關(guān)的一半，從而可以完全消除時(shí)鐘饋通引起的非線性，同時(shí)也大大減小電荷溝道注入效應(yīng)引起的非線性。
[0030]模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器中的比較器采用了動(dòng)態(tài)比較器，參照?qǐng)D5。動(dòng)態(tài)比較器的最大優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有直流功耗，其動(dòng)態(tài)功耗也很小，只是在復(fù)位周期的開(kāi)始階段和比較周期的開(kāi)始階段會(huì)存在一定的動(dòng)態(tài)電流。但是動(dòng)態(tài)比較器存在一個(gè)很大問(wèn)題就是存在很大的直流失調(diào)。為了解決上述問(wèn)題，本實(shí)例很好的分析了動(dòng)態(tài)比較器各種管子的尺寸對(duì)直流失調(diào)的貢獻(xiàn)，在盡量小的尺寸下，使得動(dòng)態(tài)比較器的直流失調(diào)最小。為了避免比較器的負(fù)載對(duì)比較器的失調(diào)造成影響，在動(dòng)態(tài)比較器的輸出端各加了一個(gè)反相器。反相器同時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)比較器輸出具有一定的整形作用，增加了動(dòng)態(tài)比較器的驅(qū)動(dòng)能力。
[0031]量程鑒定及調(diào)節(jié)器為數(shù)字邏輯控制電路，參照?qǐng)D6。量程鑒定及調(diào)節(jié)器的工作過(guò)程分為兩個(gè)狀態(tài):空閑狀態(tài)和量程鑒定及調(diào)節(jié)狀態(tài)。其具體的工作流程為:為減少量程鑒定的次數(shù)，預(yù)設(shè)讀出電路的量程為量程3 (1ρΑ?10ρΑ)，當(dāng)系統(tǒng)處于量程3時(shí)，若輸入電流大ΙΟρΑ，則對(duì)應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出為8，bllll_llll，系統(tǒng)切換到量程4，并調(diào)節(jié)可變量程轉(zhuǎn)換器的積分頻率為500Hz，再次對(duì)電流積分，讀取對(duì)應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出，進(jìn)行下一輪鑒定。反之，若輸入電流小于IpA，則切換到量程2，進(jìn)行類(lèi)似鑒定。若輸入電流大于InA或小于10fA，則經(jīng)過(guò)上述量程鑒定過(guò)程后，得到輸入電流溢出測(cè)量范圍，最終輸出值為8’ bllll_llll或8’ dOOOOOOOO ;若輸入電流恰好為兩個(gè)量程的邊界值時(shí)，則經(jīng)過(guò)量程鑒定后，輸出值為較小量程的最大值，參見(jiàn)圖7。例如輸入電流為ΙΟρΑ，則最終輸出值為8’ bllll_llll。若輸入電流對(duì)應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出經(jīng)過(guò)量程鑒定和調(diào)節(jié)后沒(méi)有溢出，則認(rèn)為值是正確的。系統(tǒng)輸出正確的值后回到空閑狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于電化學(xué)傳感器的讀出電路，其特征在于，包括:可變量程轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、量程鑒定器和量程調(diào)節(jié)器，其拓?fù)潢P(guān)系為:可變量程轉(zhuǎn)換器輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端相連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端與量程鑒定器輸入端相連接，量程鑒定器輸出端與量程調(diào)節(jié)器輸入端相連接，量程調(diào)節(jié)器輸出端與可變量程轉(zhuǎn)換器相連接，從而構(gòu)成閉合調(diào)節(jié)回路；其中: 所述可變量程轉(zhuǎn)換器，用于將電化學(xué)傳感器的輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓，并輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將可變量程轉(zhuǎn)換器輸出的電壓進(jìn)行數(shù)字量化，以方便于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理； 所述量程鑒定器，用于將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出數(shù)值進(jìn)行比較鑒定，得出所在的量程； 所述量程調(diào)節(jié)器，用于根據(jù)量程鑒定器的輸出結(jié)果，對(duì)可變量程轉(zhuǎn)換器進(jìn)行量程調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀出電路，其特征在于，所述可變量程轉(zhuǎn)換器通過(guò)在電容上進(jìn)行積分的方法將電化學(xué)傳感器的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀出電路，其特征在于，所述可變量程轉(zhuǎn)換器采用雙相關(guān)采樣技術(shù)減小直流失調(diào)和低頻噪聲。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀出電路，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器為逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的讀出電路，其特征在于，所述逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器為8位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀出電路，其特征在于，所述量程鑒定器由數(shù)字邏輯電路實(shí)現(xiàn)比較和鑒定功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀出電路，其特征在于，所述量程調(diào)節(jié)器采用可編程的電容陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變電容陣列的值來(lái)完成量程調(diào)節(jié)；或者，所述量程調(diào)節(jié)器通過(guò)不同的積分時(shí)間周期，來(lái)實(shí)現(xiàn)量程的調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀出電路，其特征在于，所述量程調(diào)節(jié)器采用5個(gè)量程來(lái)實(shí)現(xiàn)5個(gè)數(shù)量級(jí)的電流轉(zhuǎn)換。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的讀出電路，其特征在于，所述量程鑒定器和量程調(diào)節(jié)器可集成為一個(gè)電路模塊。
10.一種基于權(quán)利要求1所述的讀出電路的從電流讀出數(shù)字信號(hào)的方法，其特征在于，包括: 將電化學(xué)傳感器的輸出電流通過(guò)可變?cè)鲆孓D(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)； 將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出； 鑒定數(shù)字信號(hào)所在的量程； 根據(jù)數(shù)字信號(hào)所在的量程調(diào)節(jié)可變?cè)鲆孓D(zhuǎn)換器的量程。
【文檔編號(hào)】G01N27/26GK103439379SQ201310384297
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】閆瀟, 付凌智, 王俊宇 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)