王濤　劉洋　左月明

摘 要 針對生物傳感器抗體、抗原特異性結(jié)合引起電極兩端阻抗值的變化，設計一種可在20Hz-10MHz范圍頻率內(nèi)對生物傳感器阻抗信號進行測量的系統(tǒng)。文中給出阻抗測量原理，電路的設計與方法，并對該系統(tǒng)進行初步測試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可在寬頻范圍內(nèi)測量阻抗參數(shù)。

關(guān)鍵詞 生物傳感器 阻抗 測量 寬頻

1 引 言

生物傳感器阻抗信號是指免疫生物傳感器利用導電聚合物（聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩）將抗體固定在免疫傳感器工作電極表面，通過固定抗體與抗原之間特異性分子識別，免疫傳感器表面界面電荷、電容、電阻、質(zhì)量以及厚度都會發(fā)生變化，從而引起電極表面阻抗的變化[1，2]。對生物傳感器阻抗信息（包含實部和虛部）的快速準確測量，將為進一步分析抗原抗體之間的相互作用提供保證。

常規(guī)阻抗測量系統(tǒng)在不同程度上存在操作繁瑣、價格高昂、不方便攜帶等問題，與生物傳感器阻抗實際測量要求有較大差距。鑒于此，本文提出一種測試頻帶較寬，精度適當，標定簡單，且系統(tǒng)小型便攜的電阻抗測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由信號源、阻抗/電壓轉(zhuǎn)換電路、乘法解調(diào)電路及其它外圍電路組成。

2 阻抗測量原理

電阻抗測量系統(tǒng)的信號源可以是電流源或者電壓源，一般情況下采用電流驅(qū)動、電壓測量的方式；而采用電壓驅(qū)動、電流測量的方式同樣也可以得到電阻抗特性，但需要阻抗/電壓轉(zhuǎn)換電路將被測電流轉(zhuǎn)換成電壓。傳統(tǒng)的單一測量頻率，只取阻抗模量的測量方法，已無法滿足實際測量要求，因此可以利用雙向鎖相放大原理來提取阻抗的模量與相角，或者是實部與虛部。其原理框圖如圖1所示。

通過阻抗/電壓變換電路將阻抗的測量轉(zhuǎn)換成兩電壓之比的測量。再將U1移相90°作為參考信號，并利用雙向鎖相放大原理將實部與虛部分離。

3 硬件系統(tǒng)設計

3.1 信號源設計

信號源是電阻抗測量系統(tǒng)中的重要組成部分。為獲得相關(guān)電阻抗信息，系統(tǒng)不僅要求施加于被測量阻抗的正弦信號波形失真小、幅值穩(wěn)定，而且為獲得不同頻率下復阻抗信息的變化規(guī)律，還要求信號源輸出的正弦信號具有點頻、掃頻功能，且幅值和相位可調(diào)。

本系統(tǒng)采用單片機STC12L5620AD控制美國ADI公司的AD9854型直接數(shù)字頻率合成芯片DDS產(chǎn)生頻率和幅值均可調(diào)的兩路正交信號[3，4]。其電路設計如圖2所示。

在高穩(wěn)定度時鐘驅(qū)動下，信號源產(chǎn)生一高穩(wěn)定的頻率、相位、幅值可編程的兩路正交信號：

由于AD9854輸出端帶有內(nèi)部時鐘干擾成分，在每個輸出端都要設置一個LC低通濾波器，其截止頻率為120MHz，可較好地濾除干擾。此外，為消除工頻信號的干擾，又將兩路正交信號分別進行陷波處理。

3.2 阻抗/電壓轉(zhuǎn)換電路

阻抗/電壓轉(zhuǎn)換電路是電阻抗測量中的關(guān)鍵部分。以小振幅的正弦電壓作為擾動信號加到被測阻抗上，阻抗/電壓變換電路負責將流入被測阻抗的微弱電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，利用阻抗隨頻率的增加而減小的特點，在此電路設計中選用兩種運算放大器。一種是高輸入阻抗運算放大器；另一種是寬頻運算放大器。在低頻時，阻抗值大，這時選用高輸入阻抗運算放大器；在高頻時，阻抗值變小，選用寬頻運算放大器。

阻抗/電壓變換電路設計如圖3所示。對被測阻抗進行測量時需要進行分段測量。當需要測量頻率范圍在20Hz-200KHz時的阻抗時，選用OPA604AP設計的阻抗/電壓變換電路；當需要測量頻率范圍在200KHz-10MHz時的阻抗時，選用THS4011CD設計的阻抗/電壓變換電路。

阻抗測量是一種頻率域的測量，所以在設計電路時應充分考慮阻抗的容抗特性。經(jīng)面包板反復測試，串聯(lián)電阻取R33= R36=1K，反饋電阻取R34= R37=10kΩ， 且為精密電阻（0.1%）。則有

3.3 乘法解調(diào)電路

乘法解調(diào)電路是阻抗測量中的另一重要組成部分，通過相乘作用分離出阻抗的實部和虛部，完成阻抗測量。這就要求模擬乘法器具有較寬的頻帶，較高的乘方精度和較低的失真。美國ADI公司推出的寬頻帶高性能模擬乘法器AD834，工作帶寬為500MHz，已廣泛應用于高頻信號調(diào)理電路中[5]。 AD834在本系統(tǒng)中的應用如圖4所示。

以X2和Y1作為兩個相乘輸入端，引腳X1、Y2均與地相連，由于X、Y端均有的偏置電流，會在輸入端產(chǎn)生失調(diào)電壓，為消除該失調(diào)電壓，在輸入信號端口X2、Y1與地之間分別并聯(lián)49.9Ω的去耦電阻。

電路中AD834輸出為雙端對稱輸出，如果想要得到單端輸出，則可把圖4輸出信號耦合到下一級運放，轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

如果選擇截止頻率遠小于2ω的低通濾波器，則可獲得與相移成比例的直流分量。

3.4 低通濾波電路設計

為分離阻抗的實部與虛部，乘法解調(diào)電路的輸出端各接有一低通濾波電路，用于提取直流分量。其電路如圖6所示。

同時為濾除前級信號中的交流成分獲取直流分量，R86、C92構(gòu)成RC低通濾波網(wǎng)絡，濾波電路截止頻率越低越好，但是低通濾波器截止頻率對應的時間常數(shù)決定測量系統(tǒng)的響應時間[6]。濾波器的帶寬越窄，除去噪聲的能力就越強。為權(quán)衡這二者之間關(guān)系，C92=10uF，這時低通濾波器的截止頻率為：

前級乘法解調(diào)電路輸出信號經(jīng)低通濾波電路濾除2倍頻分量，可獲得與阻抗實部、虛部成比例的電壓信號：

從而將阻抗的實部和虛部分離。另外，此阻抗測量系統(tǒng)還有其它外圍電路的設計，在此不再詳述。

4 軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計主要是對單片機的程序進行編寫?？傮w流程圖如圖7所示。

程序開始時，運行初始化程序，包括初始化單片機STC12L5620AD、AD89C52、初始化DDS芯片AD9854等。則具體步驟為：

（1）初始化串口，配置定時器。允許串行口中斷，允許定時器0中斷，設置定時器初值。

（2）信號產(chǎn)生；對AD9854進行初始化控制。將MRESET、UPDCLK、WR引腳全部清零，主復位。然后MRESET引腳保持20個系統(tǒng)周期的高電平。

（3）程控放大。

5 初步測試

為了驗證上述設計的電阻抗測量系統(tǒng)的可用性，本文以R-C并聯(lián)為被測量阻抗，對設計的阻抗測量系統(tǒng)模擬電路部分進行了初步測試，測量時將每隔十倍阻值的電阻與每隔十倍電容值的電容進行配對構(gòu)成并聯(lián)電路，將它作為被測對象，測量其在不同頻率下的阻抗值，測量結(jié)果如表1所示。

試驗表明在阻抗范圍10Ω-100MΩ、頻率范圍100Hz-10MHz條件下有較好的測量精度，模量測量誤差基本在1%以內(nèi)，相角測量誤差在9%以內(nèi)；而對于歐姆級阻抗及在頻率20Hz和100MHz時測量精度不是太高，模量測量誤差在5%以內(nèi)，相角測量誤差在11%以內(nèi)，需要進一步改進。

6 結(jié)論

針對生物傳感器輸出阻抗信號的特點，本章節(jié)采用雙向鎖相放大原理，提出可在20Hz-10MHz范圍內(nèi)對生物傳感器阻抗信號進行快速測量的電阻抗測量系統(tǒng)方法，并對該系統(tǒng)模擬電路部分做一試驗樣板，進行實際測試。從測試結(jié)果可以看出，測量系統(tǒng)對于歐姆級阻抗測量精度不是太高，需進一步的改進，但該系統(tǒng)還是能在寬頻帶范圍內(nèi)快速測定阻抗參數(shù)，并能很好地將阻抗的實部與虛部分離，且頻率范圍寬，測試速度快，精度高，在此研究基礎(chǔ)上，進一步開展基于生物傳感器阻抗信號的便攜式檢測設備的研究。

參考文獻

[1] Muhammad-Tahir， Z，Alocilja， E. Fabrication of a disposable biosensor for Escherichia coli O157：H7 detection. IEEE Sensors Journal， 2003， 3（4）：345-351.

[2] Yang L，Li Y，Erf G F.Interdigitated array microelectrode—based electrochemical impedance immunosensor for detection of Escheriehia coli O157：H7 [J].Anal Chem，2004，76（4）：1107-1113.

[3] 陶益凡，唐慧強，黃勛. 基于AD9854的信號發(fā)生器設計[J]. 電子設計. 2006.22（2）：241-243.

[4] Analog Device Inc. AD9854 CMOS 300 MSPS Quadrature Complete DDS Data Sheet， 2002-2007.

[5] Analog Device Inc. AD834 500MHz Four Quadrant Multiplier， Data Sheet， 1998.

[6] 尤富生，董秀珍，史學濤，等.生物電阻抗模擬解調(diào)技術(shù)的研究[J]. 北京生物醫(yī)學工程，2004，23（1）：21-23.