電流檢測裝置以及電流檢測芯片的制作方法
【專利摘要】一種電流檢測裝置包括信號采集通道、信號放大模塊、抗噪音模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、DSP處理器及數(shù)據(jù)通信端口；信號采集通道與信號放大模塊相連，用于采集電流信號；信號放大模塊與抗噪音模塊相連，用于放大接收的電流信號；抗噪音模塊與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連，用于降低所接收的信號中的噪聲干擾；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將接收到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并通過I2C總線輸出至DSP處理器；DSP處理器分別與數(shù)據(jù)通信端口以及信號采集通道相連，用于對信號采集通道進(jìn)行控制，并對模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號處理后通過數(shù)據(jù)通信端口傳輸至上位機(jī)，通過上位機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行接收和分析以完成電流檢測。本裝置具有高速采集并處理皮安級至飛安級超低電流信號的功能。
【專利說明】電流檢測裝置以及電流檢測芯片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及化學(xué)分析技術(shù)及超低電流檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種能實現(xiàn)同時獲取分析物的光信號、磁信號、超低電流信號的電流檢測裝置以及電流檢測芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]針對微弱信號檢測與分析是研究自然科學(xué)，揭示自然規(guī)律的有效途徑，超低電流信號獲取與檢測是微弱信號檢測的重要組成部分之一。在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等自然科學(xué)的研究中，都會涉及到超低電流信號的檢測。例如，近年來，隨著納米通道單分子電化學(xué)檢測技術(shù)(Nanopore Technique)這一單分子行為檢測的新型分析手段的快速發(fā)展，如何檢測得到超低電流信號成為了該領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)。通過對產(chǎn)生的超低電流信號(KIO—11 A)進(jìn)行采集與分析，可實現(xiàn)對單個分子個體行為的解讀。目前，基于超低電流檢測的電化學(xué)技術(shù)已經(jīng)用于DNA損傷的研究、單個多肽結(jié)構(gòu)及蛋白質(zhì)構(gòu)型分析、單個DNA與靶分子間相互作用的探測識別、有機(jī)小分子化合物檢測，并有望實現(xiàn)DNA測序。
[0003]但是，在公開的微弱電流信號檢測技術(shù)中，電流信號檢測裝置僅能檢測到納安級(I >10_9 A)的電流信號，這與現(xiàn)有的商品化電化學(xué)工作站水平相當(dāng)，無法滿足納米通道技術(shù)對超低電流(KIO—11 A)的檢測的需求。此外，現(xiàn)有的微弱電流檢測裝置易受外界環(huán)境影響，且只能完成單一的電流信號檢測，無法在與光控、磁控等對平臺聯(lián)用時得到良好的信噪t匕。且因現(xiàn)有商品化電流檢測裝置體積大等因素，限制了其在科學(xué)研究中的應(yīng)用，例如較難與有工作距離限制的暗場顯微鏡系統(tǒng)聯(lián)用。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的一目的在于解決上述問題，提供一種電流檢測裝置，具有高速采集并處理皮安級至飛安級超低電流信號的功能，克服了現(xiàn)有低電流檢測平臺電流檢測水平過低的技術(shù)問題。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案。
[0006]一種電流檢測裝置包括信號采集通道、信號放大模塊、抗噪音模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、DSP處理器以及數(shù)據(jù)通信端口 ；所述信號采集通道與所述信號放大模塊相連，用于采集電流信號并傳輸給所述信號放大模塊；所述信號放大模塊與所述抗噪音模塊相連，用于對接收的電流信號進(jìn)行放大處理后傳送至所述抗噪音模塊；所述抗噪音模塊與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連，用于降低所述信號放大模塊輸出的信號中的噪聲干擾；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與所述DSP處理器相連，用于將接收到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并通過I2C總線輸出至所述DSP處理器；所述DSP處理器分別與所述數(shù)據(jù)通信端口以及信號采集通道相連，用于對所述信號采集通道進(jìn)行控制，并對所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號處理后通過所述數(shù)據(jù)通信端口傳輸至上位機(jī)，通過所述上位機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行接收和分析以完成電流檢測。
[0007]進(jìn)一步，所述信號采集通道采用至少一模擬開關(guān)BU4066BC。
[0008]進(jìn)一步，所述信號放大模塊采用運(yùn)算放大器。[0009]進(jìn)一步，所述抗噪音模塊采用具有抗混疊功能的低通濾波器。
[0010]進(jìn)一步，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用AD7760模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0011]所述裝置進(jìn)一步包括一與所述DSP處理器相連的溫度控制模塊，用于對所述裝置內(nèi)各模塊的溫度及環(huán)境溫度進(jìn)行測量并實時控制。
[0012]進(jìn)一步，所述溫度控制模塊采用ADT7320溫度傳感器。
[0013]本實用新型的再一目的在于解決上述問題，提供一種電流檢測芯片，實現(xiàn)可檢測到皮安級及以下超低電流，并可與光信號、磁信號等多種信號檢測方式結(jié)合，提供不同檢測環(huán)境下的超低電流信號的采集的功能。
[0014]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供一種電流檢測芯片包括信號采集通道、信號放大模塊、抗噪音模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、溫度控制模塊、DSP處理器以及數(shù)據(jù)通信端口 ；所述信號采集通道與所述信號放大模塊相連，用于采集電流信號并傳輸給所述信號放大模塊；所述信號放大模塊與所述抗噪音模塊相連，用于對接收的電流信號進(jìn)行放大處理后傳送至所述抗噪音模塊；所述抗噪音模塊與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連，降低所述信號放大模塊輸出的信號中的噪聲干擾；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與所述DSP處理器相連，用于將接收到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并通過I2C總線輸出至所述DSP處理器；所述溫度控制模塊與所述DSP處理器相連，用于對所述芯片內(nèi)各模塊的溫度及環(huán)境溫度進(jìn)行測量并實時控制；所述DSP處理器分別與所述數(shù)據(jù)通信端口以及信號采集通道相連，用于對所述信號采集通道進(jìn)行控制，并對所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號處理后通過所述數(shù)據(jù)通信端口傳輸至上位機(jī)，通過所述上位機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行接收和分析以完成電流檢測。
[0015]進(jìn)一步，所述芯片上設(shè)有電極，所述芯片固定于檢測池側(cè)部。
[0016]進(jìn)一步，所述芯片采用直流電源供電。
[0017]本實用新型電流檢測裝置以及電流檢測芯片的積極效果是:具有高速采集并處理皮安級至飛安級超低電流信號的功能，同時因集成化的設(shè)計策略和良好的噪聲控制能力，可與包括光譜平臺在內(nèi)的多種平臺聯(lián)用從而實現(xiàn)光電信號等多種信號的實時在線分析，多路數(shù)據(jù)采集通道的設(shè)計也可滿足多通道陣列式檢測的需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型電流檢測裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0019]圖2為本實用新型電流檢測芯片的安放示意圖。
【具體實施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖對本實用新型電流檢測裝置以及電流檢測芯片作詳細(xì)說明。
[0021]首先結(jié)合附圖給出本實用新型電流檢測裝置的【具體實施方式】。
[0022]圖1所示是本【具體實施方式】所述電流檢測裝置的結(jié)構(gòu)框圖，包括信號采集通道
11、信號放大模塊12、抗噪音模塊13、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14、DSP處理器15及數(shù)據(jù)通信端口 16。
[0023]所述信號采集通道11與所述信號放大模塊12相連，用于采集電流信號并傳輸給所述信號放大模塊12。所述信號采集通道11可以選用具有高輸出數(shù)字信號位數(shù)、高數(shù)據(jù)采樣率、低噪音、低最大非線性率的多通道模擬開關(guān)控制，實現(xiàn)對電流信號的高速采集。作為優(yōu)選的實施方式，所述信號采集通道11采用至少一模擬開關(guān)BU4066BC。由于模擬開關(guān)BU4066BC單個開關(guān)具有4個采集通道，所以采用多個模擬開關(guān)可構(gòu)成多路采集通道。所述信號采集通道11由DSP處理器15進(jìn)行控制，采集到的電流信號傳輸給信號放大模塊12。
[0024]所述信號放大模塊12與所述抗噪音模塊13相連，用于對接收的電流信號進(jìn)行放大處理后傳送至所述抗噪音模塊13。作為優(yōu)選的實施方式，所述信號放大模塊12采用運(yùn)算放大器。所述運(yùn)算放大器采用基于最新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的具有極低輸入偏置電流、極低失調(diào)漂移的運(yùn)算放大器，以達(dá)到高精度、低系統(tǒng)噪音的測量特性。為實現(xiàn)皮安級至飛安級超低電流信號的測量，所述運(yùn)算放大器接入級采用10 6Ω以上的共模阻抗，使得運(yùn)算放大器輸入電流獨(dú)立于共模電壓。所述運(yùn)算放大器輸入偏置電流〈50 fA，并可通過激光調(diào)節(jié)其輸入偏置電壓及輸入偏置電壓調(diào)零。所述運(yùn)算放大器通過多級放大手段，將電流信號通過反饋電阻后轉(zhuǎn)換為電壓信號并傳送至所述抗噪音模塊13。
[0025]所述抗噪音模塊13與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14相連，用于降低所述信號放大模塊12輸出的信號中的噪聲干擾。作為優(yōu)選的實施方式，所述抗噪音模塊13采用具有抗混疊功能的低通濾波器，通過所述低通濾波器將接收到的信號中的混疊頻率分量降低，即降低噪聲干擾，以實現(xiàn)電流高精度和高穩(wěn)定度的測量。
[0026]所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14與所述DSP處理器15相連，用于將接收到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并通過I2C總線輸出至所述DSP處理器15。作為優(yōu)選的實施方式，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14采用AD7760模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述AD7760模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)置用來驅(qū)動基準(zhǔn)電壓的緩沖、用于信號緩沖和電平轉(zhuǎn)換的差動放大器、超量程標(biāo)志、內(nèi)部增益與失調(diào)寄存器以及低通數(shù)字FIR濾波器，可實現(xiàn)對模擬信號的高速轉(zhuǎn)化與數(shù)字信號的連續(xù)輸出。所述AD7760模數(shù)轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)信號在單端輸入、多通道模擬差動輸入以及完全差動輸入中選擇，具有高位數(shù)的無信號丟失和無噪聲分辨率。
[0027]所述DSP處理器15分別與所述數(shù)據(jù)通信端口 16以及信號采集通道11相連。所述DSP處理器15對所述信號采集通道11進(jìn)行控制，實現(xiàn)通道切換等功能；同時，所述DSP處理器15對所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14輸出的數(shù)字信號進(jìn)行變換、濾波等優(yōu)化處理后通過所述數(shù)據(jù)通信端口 16傳輸至上位機(jī)(圖中未示出)，通過所述上位機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行接收和分析以完成電流檢測。
[0028]由于環(huán)境溫度及裝置本身溫度的變化對皮安級至飛安級超低電流檢測的穩(wěn)定性及檢測精度會產(chǎn)生影響，因此需要對溫度實施監(jiān)測與控制。作為優(yōu)選的實施方式，所述電流檢測裝置進(jìn)一步包括一與所述DSP處理器15相連的溫度控制模塊17，用于對所述裝置內(nèi)各模塊的溫度及環(huán)境溫度進(jìn)行測量并實時控制，以提高芯片系統(tǒng)對溫度變化的穩(wěn)定性。其中，所述溫度控制模塊17可以采用ADT7320溫度傳感器實時監(jiān)測溫度變化，所述ADT7320溫度傳感器內(nèi)置一個帶隙溫度基準(zhǔn)和一個13位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠以0.0625° C的分辨率對溫度進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)字化。
[0029]接下來給出本實用新型電流檢測芯片的【具體實施方式】。
[0030]超低電流信號的獲取極易受到系統(tǒng)固有噪音及外源性干擾。系統(tǒng)固有噪音主要由現(xiàn)有商品化皮安級微弱電流檢測裝置中復(fù)雜的長排線而引入；外源性干擾主要來自于靜電干擾、磁干擾和射頻干擾?，F(xiàn)有的商品化微弱電流檢測裝置體積較大，僅能實現(xiàn)對放大器探頭的部分屏蔽；此外，以光譜信號采集為例，用于定位的顯微鏡及顯微操控系統(tǒng)需整體置于金屬屏蔽罩內(nèi)，因此傳統(tǒng)屏蔽系統(tǒng)無法對屏蔽系統(tǒng)內(nèi)的外源性噪音進(jìn)行完全有效的屏蔽，從而對微弱電流信號的分辨產(chǎn)生極大干擾，無法滿足檢測精度需求。
[0031]本實用新型所述電流檢測裝置的各模塊可以集成芯片化并優(yōu)化芯片工藝設(shè)計，以提高電路性能，從而克服系統(tǒng)噪音問題與外源性干擾，進(jìn)一步提高信號分辨率。本實用新型所述電流檢測芯片包括信號采集通道、信號放大模塊、抗噪音模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、溫度控制模塊、DSP處理器以及數(shù)據(jù)通信端口。
[0032]所述信號采集通道與所述信號放大模塊相連，用于采集電流信號并傳輸給所述信號放大模塊；作為優(yōu)選的實施方式，所述信號采集通道采用至少一模擬開關(guān)BU4066BC。所述信號放大模塊與所述抗噪音模塊相連，用于對接收的電流信號進(jìn)行放大處理后傳送至所述抗噪音模塊；作為優(yōu)選的實施方式，所述信號放大模塊采用基于最新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的具有極低輸入偏置電流、極低失調(diào)漂移的運(yùn)算放大器，以達(dá)到高精度、低系統(tǒng)噪音的測量特性；所述運(yùn)算放大器通過多級放大手段，將電流信號通過反饋電阻后轉(zhuǎn)換為電壓信號并傳送至所述抗噪音模塊。所述抗噪音模塊與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連，降低所述信號放大模塊輸出的信號中的噪聲干擾；作為優(yōu)選的實施方式，所述抗噪音模塊采用具有抗混疊功能的低通濾波器降低噪聲干擾，以實現(xiàn)電流高精度和高穩(wěn)定度的測量。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與所述DSP處理器相連，用于將接收到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并通過I2C總線輸出至所述DSP處理器；作為優(yōu)選的實施方式，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14采用AD7760模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所述溫度控制模塊與所述DSP處理器相連，用于對所述芯片內(nèi)各模塊的溫度及環(huán)境溫度進(jìn)行測量并實時控制；作為優(yōu)選的實施方式，所述溫度控制模塊17可以采用ADT7320溫度傳感器實時監(jiān)測溫度變化。所述DSP處理器分別與所述數(shù)據(jù)通信端口以及信號采集通道相連，用于對所述信號采集通道進(jìn)行控制，并對所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號進(jìn)行變換、濾波等優(yōu)化處理后通過所述數(shù)據(jù)通信端口傳輸至上位機(jī)，通過所述上位機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行接收和分析以完成電流檢測。
[0033]由于本實用新型所述電流檢測芯片將各模塊集成芯片化并優(yōu)化芯片工藝設(shè)計，因此，可采用嵌入式設(shè)計，使所述電流檢測芯片與光信號檢測池等其他聯(lián)用設(shè)備集成在一起，以減小系統(tǒng)噪聲與外源性干擾，進(jìn)一步提高信號分辨率并實現(xiàn)光電信號聯(lián)合采集的目的。
[0034]參考附圖2，本實用新型電流檢測芯片的安放示意圖，所述電流檢測芯片21上設(shè)有電極22，檢測池23上設(shè)有電極插槽24。裝配時，所述電流檢測芯片21固定于檢測池23側(cè)部，所述電極22插入所述電極插槽24內(nèi)，從而構(gòu)成聯(lián)用光、磁等檢測平臺，實現(xiàn)聯(lián)用光、磁等檢測平臺，以減少電極引線產(chǎn)生的電容噪音。進(jìn)一步，所述電流檢測芯片21采用直流電源供電，并將電極22固定于檢測池23側(cè)部，以避免傳統(tǒng)微弱電流檢測中由交流電源和電極懸空安置引起的檢測頻率振蕩。所述檢測池23上還設(shè)有換液孔25，用于在電流檢測過程中更換溶液；檢測池23中間夾層上設(shè)置有用于探測生物分子電流的納米孔26。
[0035]本使用新型所述電流檢測芯片21對微弱電流檢測進(jìn)行整體屏蔽，提高其抗噪能力，削弱外界環(huán)境的影響，在解決傳統(tǒng)外源性干擾的同時，克服了聯(lián)用光、磁等檢測平臺產(chǎn)生的一系列噪聲，可檢測到皮安級及以下電流水平，并可與光信號、磁信號等多種信號檢測方式結(jié)合，提供不同檢測環(huán)境下的超低電流信號的采集。
[0036]以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施例，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本實用新型結(jié)構(gòu)的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種電流檢測裝置，其特征在于，包括信號采集通道、信號放大模塊、抗噪音模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、DSP處理器以及數(shù)據(jù)通信端口 ； 所述信號采集通道與所述信號放大模塊相連，用于采集電流信號并傳輸給所述信號放大模塊； 所述信號放大模塊與所述抗噪音模塊相連，用于對接收的電流信號進(jìn)行放大處理后傳送至所述抗噪音模塊； 所述抗噪音模塊與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連，用于降低所述信號放大模塊輸出的信號中的噪聲干擾； 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與所述DSP處理器相連，用于將接收到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并通過I2C總線輸出至所述DSP處理器； 所述DSP處理器分別與所述數(shù)據(jù)通信端口以及信號采集通道相連，用于對所述信號采集通道進(jìn)行控制，并對所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號處理后通過所述數(shù)據(jù)通信端口傳輸至上位機(jī)，通過所述上位機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行接收和分析以完成電流檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流檢測裝置，其特征在于，所述信號采集通道采用至少一模擬開關(guān)BU4066BC。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流檢測裝置，其特征在于，所述信號放大模塊采用運(yùn)算放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流檢測裝置，其特征在于，所述抗噪音模塊采用具有抗混疊功能的低通濾波器。
5.根據(jù)權(quán) 利要求1所述的電流檢測裝置，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用AD7760模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流檢測裝置，其特征在于，所述裝置進(jìn)一步包括一與所述DSP處理器相連的溫度控制模塊，用于對所述裝置內(nèi)各模塊的溫度及環(huán)境溫度進(jìn)行測量并實時控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電流檢測裝置，其特征在于，所述溫度控制模塊采用ADT7320溫度傳感器。
8.一種電流檢測芯片，其特征在于，包括信號采集通道、信號放大模塊、抗噪音模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、溫度控制模塊、DSP處理器以及數(shù)據(jù)通信端口 ； 所述信號采集通道與所述信號放大模塊相連，用于采集電流信號并傳輸給所述信號放大模塊； 所述信號放大模塊與所述抗噪音模塊相連，用于對接收的電流信號進(jìn)行放大處理后傳送至所述抗噪音模塊； 所述抗噪音模塊與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連，降低所述信號放大模塊輸出的信號中的噪聲干擾; 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與所述DSP處理器相連，用于將接收到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并通過I2C總線輸出至所述DSP處理器； 所述溫度控制模塊與所述DSP處理器相連，用于對所述芯片內(nèi)各模塊的溫度及環(huán)境溫度進(jìn)行測量并實時控制； 所述DSP處理器分別與所述數(shù)據(jù)通信端口以及信號采集通道相連，用于對所述信號采集通道進(jìn)行控制，并對所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號處理后通過所述數(shù)據(jù)通信端口傳輸至上位機(jī)，通過所述上位機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行接收和分析以完成電流檢測。
9.根據(jù)權(quán)利 要求8所述的電流檢測芯片，其特征在于，所述芯片上設(shè)有電極，所述芯片固定于檢測池側(cè)部。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電流檢測芯片，其特征在于，所述芯片采用直流電源供電。
【文檔編號】G01R19/25GK203572874SQ201320572492
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】龍億濤, 應(yīng)佚倫, 高瑞, 曹嬋 申請人:華東理工大學(xué)