[发明专利]基于脉冲宽度调制的荧光检测与光到数字转换系统

说明书

技术领域

本发明属于荧光检测技术领域，具体涉及荧光检测电路中的将积分器的输出电压转化为脉冲宽度调制信号的电路。

背景技术

荧光检测是通过荧光素酶和被检测化合物发生化学反应产生荧光，通过检测荧光的强弱并以数字形式表示来确定被检测物质的浓度。由于其检测速度快，灵敏度高而得到广泛的应用。

荧光检测电路是通过光电二极管把荧光信号转换成光电流信号，通过积分器把电流信号转换成电压信号。传统的荧光检测电路通过高分辨率的ADC对电压信号进行量化。这样带来两个缺点：1.这种结构对荧光检测的精度主要由ADC精度决定，但是ADC精度越高，电路越复杂，功耗越大，不利于便携式设备的应用。2.高精度的ADC要求跨阻放大器有大的电压输出范围。随着CMOS工艺的不断进步，电源电压变的越来越低，现有的传统结构很难满足低电源电压的应用。一种解决方案是把跨阻放大器的输出电压和固定参考电压比较，产生脉冲宽度调制信号（PWM），通过计数器测量PWM信号的时间，从而得出光电流的大小以及荧光的强弱。这时候荧光检测的精度由计数器的精度决定，相对于高精度ADC而言，高精度的计数器在CMOS工艺中更容易实现。但是，这种电路结构当荧光光强较弱，光电二极管产生的光电流较小的时候，积分器需要很长的积分时间才能达到参考电压的值，转换成PWM信号。这带来两方面的影响：1.较长的积分时间使得电路的转化速率较低。2.荧光物质自发光都有一定的寿命，较长的积分时间不适用于荧光寿命较短的荧光检测。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种同时具备高灵敏度、大动态范围的低功耗荧光检测与光到数字转换系统。

为了达到以上目的，本发明提供一种采用脉冲宽度调制的荧光检测与光到数字转换系统，该系统包括光电流检测电路，暗电流检测电路，参考电压源，无线发送模块和无线接收端。其中：

光电流检测电路用于检测光电流大小，暗电流检测电路用于检测光电二极管漏电流和暗电流的大小；每一路检测电路包括光电二极管、积分器、2个比较器和逻辑门电路；参考电压源由固定参考电压、斜坡信号发生器组成；无线发送模块由门电路和FM调制发送机组成，无线接收端由接收机和MCU组成；光电流检测电路中，光电二极管D1把光信号转换成电流信号，积分器由开关S₁、反馈电容C_f1和运放OP1组成，积分器把电流信号转换成电压信号；积分器的输出与两个相同的比较器CMP1和比较器CMP2的反相输入端相连；比较器CMP1的正向输入端接固定电平V_ref1，比较器CMP2的正向输入端接参考电压V_ref2，参考电压V_ref2由控制信号Sel控制开关S₂和S₃确定；异或门XOR1把比较器CMP1和比较器CMP2的输出转换成脉冲宽度信号；异或门XOR3把光电流检测和暗电流检测这两路的信号转换成一路信号；异或门XOR3出来的信号和复位信号rst经过或门OR2处理后送给FM调制发送机。

暗电流检测电路中，光电二极管D2把光信号转换成电流信号，积分器由开关S₄、反馈电容C_f2和运放OP2组成，积分器把电流信号转换成电压信号；积分器的输出与两个相同的比较器CMP3和比较器CMP4的反相输入端相连；比较器CMP3的正向输入端接固定电平V_ref1，比较器CMP4的正向输入端接参考电压V_ref3，参考电压V_ref3由控制信号Sel控制开关S₂和S₃确定；异或门XOR2把比较器CMP3和比较器CMP4的输出转换成脉冲宽度信号；异或门XOR3把光电流检测和暗电流检测这两路的信号转换成一路信号；异或门XOR3出来的信号和复位信号rst经过或门OR2处理后送给FM调制发送机。

对于暗电流检测电路，光电二极管D1的感光面被金属层覆盖。这时，光电二极管产生的电流主要是二极管反偏时的漏电流和红外波段的光线在光电二极管上产生的暗电流。