石英晶体微天平无创唾糖检测电路的制作方法

本发明涉及无创唾糖检测系统，特别涉及一种用于石英晶体微天平无创唾糖检测系统的检测电路。

背景技术：

石英晶体微天平传感器的核心传感元件是石英晶振，该晶振一般由AT切型的石英晶片与镀在其表面的金属电极构成。石英晶体具有逆压电效应，即在石英晶体电极上施加交变电压时，石英晶体会发生同频振动，当外加激励电压的频率与石英晶体的固有机械振荡频率一致时，便产生共振，此时振幅最大，振荡最为稳定，即石英晶体在电路中起到选频作用。在共振条件下，当石英晶体表面吸附其它物质时，石英晶振的固有频率随吸附质量的大小而改变，电路的共振频率也随之改变。根据这一原理，首先在石英晶体表面吸附一层葡萄糖敏感薄膜，利用该敏感薄膜对葡萄糖的特异性识别及吸附作用即可将石英晶体表面葡萄糖的浓度信息转化为石英晶体的频率信号进行检测。一般石英晶体微天平都工作在晶体固有频率的基频，这就要求晶体具有较大的尺寸，并且其传感灵敏度受到限制。本发明基于带通滤波技术实现了一套工作在三倍频的石英晶体微天平唾液葡萄糖检测系统电路设计方案，一方面提高了仪器的检测灵敏度，使之更加适合于唾液葡萄糖浓度的检测；另一方面也可以有效减小石英晶体及附着的葡萄糖敏感膜的尺寸，有利于系统的集成及耗材成本的降低。

现有的检测系统其缺点在于(1)检测灵敏度不高，无法满足唾液葡萄糖浓度检测的要求；(2)要求石英晶振尺寸较大，因而葡萄糖敏感薄膜的面积较大，整体耗材成本较高。

本发明针对糖尿病临床诊断领域对无创体外检测仪器的迫切需求，提出并实现了一套基于石英晶体微天平传感技术的唾液葡萄糖检测系统电路设计方案。该电路与葡萄糖敏感膜技术结合即可将唾液中的葡萄糖浓度信号转化为石英晶体传感器的频率信号，从而测定唾液中葡萄糖的含量，进一步根据唾糖浓度与血糖浓度之间的经验公式即可反推出血糖浓度值。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供了一种石英晶体微天平无创唾糖检测电路，包括数字频率检测电路和模拟前端电路，其特征在于：所述数字频率检测电路包括第一电源模块、时钟基准模块、FPGA模块以及串口模块：所述第一电源模块为FPGA模块以及串口模块供电；所述时钟基准模块用于控制所述FPGA模块的时钟源和频率计数的时间基准；所述FPGA模块利用时钟基准对所述模拟前端电路输入的方波信号频率进行计数；所述串口模块与FPGA模块连接，用于接收FPGA模块发送的测量频率值，完成与上位机的通信；所述模拟前端电路包括第二电源模块、振荡电路模块以及信号调理模块：所述第二电源模块用于为所述振荡电路中的变容二极管以放大器供电；所述振荡电路模块包括放大器单元、带通滤波器以及移相器顺次电性连接，所述放大器单元包括自动增益控制型放大器以及运算放大器，用于保证所述振荡电路的闭环增益始终为1；所述带通滤波器用于选频；所述移相器用于保证所述振荡电路的闭环相位变化始终为2π；所述信号调理模块用于将所述模拟前端电路的信号处理后传入所述数字频率检测电路的FPGA模块部分。

优选地，所述第一电源模块外接+5V USB口供电，输入+5V电压稳压至+3.3V、+2.5V及+1.2V后，分别为FPGA模块及串口模块供电。

优选地，所述时钟基准模块使用高精度恒温晶振作为所述FPGA模块的时钟源和频率计数的时间基准，以满足频率检测精度达到1Hz的要求。

优选地，所述FPGA模块设置为进行多周期的累加并求均值得出频率。

优选地，所述串口通信模块接收所述FPGA模块的频率值并传输至上位机，上位机可根据传输内容发送命令查询数字频率检测电路的工作状态及频率的测量值。

优选地，所述第二电源模块由外接+5V USB口供电，输入+5V一路经由转换器升压为18V，为所述振荡电路模块中的变容二极管供电；另一路+5V电压转换为-5V输出，为所述振荡电路模块中的放大器提供负电压。

优选地，所述振荡电路模块还包括晶振固有并联电容的抵销电路，所述抵销电路通过巴伦及变容二极管，使用手动调整电位器来调节变容二极管两端的反向偏置电压以消除石英晶振的固有电容及其支架、引线等引入的寄生电容，使晶振稳定地工作在其串联谐振频率上。

优选地，所述信号调理模块设置为正弦频率信号经过一对差分驱动芯片后被转换为方波信号由SMA接口通过同轴电缆输入到所述数字频率检测电路进行频率检测。

优选地，所述数字频率检测电路还外接有输入单元、显示单元。

为解决现有分析仪器灵敏度较低，无法满足唾糖浓度检测的问题，本发明提出并实现了一套基于石英晶体微天平传感技术的唾液葡萄糖检测系统电路设计方案，利用带通滤波技术提取石英晶体的高次谐波，从而使整个电路系统工作在石英晶体的三倍频，一方面提高了仪器的检测灵敏度，使之更加适合于唾液葡萄糖浓度的检测；另一方面也可以有效减小石英晶体及附着的葡萄糖敏感膜的尺寸，有利于系统的集成及耗材成本的降低。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出了根据本发明的用于石英晶体微天平无创唾糖检测系统的检测电路的系统框图；

图2a示意性示出第一电源模块电路图；图2b示意性示出第二电源模块电路图；

图3示出根据本发明的时钟基准模块的电路图；

图4示出FPGA模块的电路图；

图5示出串口通信模块的电路图；

图6示出振荡电路模块的电路图；

图7示出信号调理模块的电路图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图1示出了根据本发明的用于石英晶体微天平无创唾糖检测系统的检测电路的系统框图；如图1所示，本发明的用于石英晶体微天平无创唾糖检测系统的检测电路包括数字频率检测电路110和模拟前端电路120，所述数字频率检测电路110包括第一电源模块111、时钟基准模块113、FPGA模块114以及串口模块112：所述第一电源模块111为FPGA模块114以及串口模块112供电；根据本发明的一个实施例，所述第一电源模块外接+5V USB口供电，输入+5V电压稳压至+3.3V、+2.5V及+1.2V后，分别为FPGA模块及串口模块供电；

所述时钟基准模块113用于控制所述FPGA模块114的时钟源和频率计数的时间基准；根据本发明的一个实施例，所述时钟基准模块使用高精度恒温晶振作为所述FPGA模块的时钟源和频率计数的时间基准，以满足频率检测精度达到1Hz的要求；

所述FPGA模块114利用时钟基准对所述模拟前端电路120输入的方波信号频率进行计数；根据本发明的一个实施例，所述FPGA模块设置为进行多周期的累加并求均值得出频率；

所述串口模块112与FPGA模块114连接，用于接收FPGA模块114发送的测量频率值，完成与上位机117的通信；根据本发明的一个实施例，所述串口通信模块接收所述FPGA模块的频率值并传输至上位机，上位机可根据传输内容发送命令查询数字频率检测电路的工作状态及频率的测量值。

所述模拟前端电路120包括第二电源模块122、振荡电路模块123以及信号调理模块121：所述第二电源模块122用于为所述振荡电路120中的变容二极管以放大器124供电；根据本发明的一个实施例，所述第二电源模块由外接+5V USB口供电，输入+5V一路经由转换器升压为18V，为所述振荡电路模块中的变容二极管供电；另一路+5V电压转换为-5V输出，为所述振荡电路模块中的放大器提供负电压；

所述振荡电路模块123包括放大器单元124、带通滤波器127以及移相器126顺次电性连接，所述放大器单元124包括自动增益控制型放大器以及运算放大器，用于保证所述振荡电路120的闭环增益始终为1；所述带通滤波器127用于选频；所述移相器126用于保证所述振荡电路120的闭环相位变化始终为2π；根据本发明的一个实施例，所述振荡电路模块还包括晶振固有并联电容的抵销电路，所述抵销电路通过巴伦及变容二极管，使用手动调整电位器来调节变容二极管两端的反向偏置电压以消除石英晶振的固有电容及其支架、引线等引入的寄生电容，使晶振稳定地工作在其串联谐振频率上；

所述信号调理模块121用于将所述模拟前端电路120的信号处理后传入所述数字频率检测电路的FPGA模块114部分；根据本发明的一个实施例，所述信号调理模块设置为正弦频率信号经过一对差分驱动芯片后被转换为方波信号由SMA接口通过同轴电缆输入到所述数字频率检测电路进行频率检测；

根据本发明的一个实施例，所述数字频率检测电路还外接有输入单元、显示单元。

图2a示意性示出第一电源模块电路图；数字频率检测电路由外接+5V USB口供电；输入的+5V电压经由低压差线性稳压芯片AS1117稳压至+3.3V、+2.5V及+1.2V后，分别为FPGA及单片机STM32103RCT6芯片供电，如图所示，在AS1117-3.3V-U6两侧都并联接有四个电容，为0.1uF的C37和C34、47uF/10V的C36和100uF/6.3V的C35；在AS1117-2.5V-U7两侧都并联接有四个电容，为0.1uF的C46和C49、47uF/10V的C55和100uF/6.3V的C52；在AS1117-1.2V-U8两侧都并联接有四个电容，为0.1uF的C47和C50、47uF/10V的C48和100uF/6.3V的C53。

图3示出根据本发明的时钟基准模块的电路图；数字频率检测电路使用高精度(±5ppb)恒温晶振AOCJY3-10M-U5作为芯片FPGA的时钟源和频率计数的时间基准，以满足频率检测精度达到1Hz的要求，如图所示，引脚2接地，引脚1接时钟输出，引脚5接3.3V电源，引脚4接压敏电阻，其中R14为12.1kR，R15为12.1kR，引脚3为测试点。

图4示出FPGA模块的电路图；如图4所示，现场可编程门阵列FPGA(EP3C5E144A7)是数字频率检测电路的核心器件，它主要实现频率计数功能。FPGA模块利用时钟基准对输入的方波信号频率进行计数，因为要测试的频率为15MHz左右，而且精度要求1Hz，一个周期的计数无法达到这一要求，要对其进行多周期的累加并求均值得出要测试的频率。

图5示出串口通信模块的电路图；FPGA模块将测量频率值发送给单片机STM32103RCT6后，单片机使用MAX3232串行驱动器完成与上位机的通信。在数字板上电时会通过串口向上位机发送命令菜单，上位机可根据此菜单向数字板发送命令查询数字板的工作状态及频率的测量值。

图2b示意性示出第二电源模块电路图；电源模块原理图如图2b所示：整个板卡由外接+5V USB口供电；输入的+5V一路经由TPS61041开关升压转换器升压为18V，为振荡电路中的变容二极管供电，如图所示，芯片TPS61041-U1的引脚2接地，引脚4和引脚5并联接到4.7uF的电容C2和10uH的电感L1之间，引脚1接入5V电源，引脚3接入两个电阻R2和R1，其中R2为160K，R1为2.2Mohm，电阻R1与22pF的电容C1并联至+18V的电压输出，同时，地与+18V之间还接有1uF的电容C3；另一路+5V电压由开关电源芯片B0505S-U2转换为-5V输出，为振荡电路中的放大器提供负电压，如图所示，引脚1接地，引脚2接6.8uH的电感L2，在地与电感L2之间接有4.7uF的电容C5；引脚3和引脚4之间接有10uF的电容C6，与200ohm的电阻R3并联，引脚4最终接地，引脚3最终接入+5V电源。

图6示出振荡电路模块的电路图；振荡电路模块如图6所示，为使该电路起振必须同时满足两个条件，即振幅条件和相位条件。振幅条件要求振荡电路的闭环增益为1，相位条件要求振荡电路的闭环相位变化为0或2π的整数倍。在电路设计中我们使用了自动增益控制型放大器AD8367及运算放大器AD8000来保证振荡电路的闭环增益始终为1；利用中心频率在石英晶振三倍频(15MHz)处的带通滤波器来实现选频，利用移相器保证振荡电路的闭环相位变化始终为2π.此外，为使石英晶振在测量过程中始终保持在其串联共振频率上，我们还设计了晶振固有并联电容的抵销电路。此电路通过使用巴伦(ADT1-6T)及变容二极管(D1)，通过使用手动调整电位器来调节变容二极管两端的反向偏置电压以消除石英晶振的固有电容及其支架、引线等引入的寄生电容，使晶振稳定地工作在其串联谐振频率上。

如图6示出振荡电路模块的电路图，AD8367的U1板引脚1/4/14/8/9均接地，引脚5接有两个电阻，分别为9.1k的R5以及1k的R11；引脚8和10并联有200R的电阻R7，引脚10接有10R的电阻R8，串联104p的电容C6，ADCI-6T上连接有470R的电阻R10；U4的引脚3接有100k的电阻R19和10k的电阻R16,104p的电容C16与电阻R16串联，引脚4/6接地，引脚8接+5V电源；U2的引脚1/2接有1k的电阻R12和R14，引脚3接有100R的电阻R15，引脚4接-5V电源，引脚7接+5V电源，引脚6与1并联有10p的电容C13，串联10uH的电感L2，串联10p的电容C14，串联10uH的电感L1，10uH的电感L3与10p的电容C15并联接地，电感L1串联电阻R20，与U3的引脚3连接，引脚2的1k的电阻R17与R20并联，引脚2和1并联有1k的电阻R18，引脚4接-5V电源，引脚7/8接+5V电源。

图7示出信号调理模块的电路图，正弦频率信号经过一对差分驱动芯片DS8921后被转换为方波信号由SMA接口通过同轴电缆输入到数字频率检测电路进行频率检测，如图7所示，由两块DS8921A芯片组成，其均接有电阻R23，为100R，引脚1均接入+5V电源，左边芯片的引脚7和4均接地，引脚8接入原始信号，右边芯片的引脚3和4接地，引脚2为方波输出。

根据本发明的用于石英晶体微天平无创唾糖检测电路使用薄膜敏化石英晶片作为传感元件，唾糖检测特异性强；采用的倍频技术提高了唾糖检测灵敏度；使用高次谐波振荡电路可以有效减小石英晶体及附着的葡萄糖敏感膜的尺寸，有利于系统的集成及耗材成本的降低。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。