國內(nèi)外基于壓電石英晶體微天平技術(shù)的檢測儀器大多數(shù)使用自行設(shè)計的振蕩電路盒,，使用高分辨的頻率計數(shù)器測量頻率輸出，然后進(jìn)行定時人工記數(shù),，儀器復(fù)雜,，自動化程度低。微型壓電生物傳感器檢測電路采用當(dāng)前最有發(fā)展前景的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心器件設(shè)計而成,。目前,，CPLD集成度可達(dá)25萬等效門,，工作速度可達(dá)180MHz,。它借助自動化程度高的內(nèi)核程序開發(fā)工具，可以大大縮短系統(tǒng)的計周期,，而且數(shù)據(jù)采集可以由一塊CPLD芯片完成,，整個系統(tǒng)的硬件規(guī)模明顯減小。在系統(tǒng)的研制階段,，由于CPLD器件引腳比較靈活,，又有可擦除可編程的能力，因此對原設(shè)計進(jìn)行修改時,，只需要修改原設(shè)計文件再對CPLD芯片重新編程即可,，而不需要修改電路布局，更不需要重新加工印刷線路板,，這就大大提高了系統(tǒng)的靈活性,。結(jié)合壓電生物傳感器特性，研制一種微型化的壓電傳感器檢測電路有十分重要的意義,。

 

　　1 壓電生物傳感器原理

 

　　壓電石英晶體頻移ΔF與在晶體表面均勻吸附的極薄層剛性物質(zhì)量Δm之間存在正比關(guān)系,，由Sauerbrey方程描述，并且對于AT切割的石英晶體,，可得到Sauerbrey方程式:

　　式中,，ΔF、Fq(晶體基頻)、Δm,、A單位分別為Hz,、Hz、g,。cm-2,、cm2。石英晶片在氣相中振蕩時,，Δf與Δm呈簡單的線性關(guān)系,，因此石英晶片可用來做非常敏感的質(zhì)量檢測器，其檢測限可以達(dá)到ng級(10-9g,。cm-2),，甚至pg(10-12g。cm2)級水平,。

 

　　根據(jù)壓電石英晶體傳感器的原理設(shè)計了一種微型化的壓電傳感器檢測電路,，其檢測原理為在傳感器上預(yù)先固定與待測物能發(fā)生親和反應(yīng)的“探針”，檢測待測物時,，隨著親和反應(yīng)的進(jìn)行,，檢測電路實(shí)時跟蹤反應(yīng)過程，記錄傳感器上質(zhì)量變化引起頻率變化,，再通過上述定量關(guān)系式計算待測物的量,，其靈敏度可以達(dá)到納克級水平，結(jié)合納米金技術(shù)可將傳感器的靈敏度提高3～5倍,。

 

　　2 電路硬件設(shè)計

 

　　微型壓電傳感器檢測電路是經(jīng)過前幾代儀器的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和改進(jìn)基礎(chǔ)上完成的,。它摒棄以往TTL集成電路或MCS51單片機(jī)為核心電路波動大，穩(wěn)定性差,，電路板繪制復(fù)雜,，不利于升級換代的缺點(diǎn)，選擇使用ALTERA公司生產(chǎn)的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)MAX7128為核心,，基于RS232通信方式的串行接口數(shù)據(jù)采集分析平臺,。該系統(tǒng)分為7個模塊:電源供電模塊，RS-232電平轉(zhuǎn)換模塊,，振蕩電路模塊,，時鐘模塊，數(shù)碼顯示模塊,，MAX7128內(nèi)核模塊,。其電路線路板布局如圖1所示。

 

圖1硬件結(jié)構(gòu)圖

 

　　圖1中,，USB口為壓電生物傳感器與檢測電路相連接的接口;RS-232口為與計算機(jī)相連接的接口,，將數(shù)字化的傳感器信號(頻率值)上傳到計算機(jī),，由計算機(jī)(PC機(jī))實(shí)現(xiàn)傳感器信號的實(shí)時采集和顯示，采集數(shù)據(jù)程序由VC++6,。0編寫;OSC1為提供系統(tǒng)工作時鐘振蕩電路,，由TTL芯片和12MHz標(biāo)準(zhǔn)晶振組成，產(chǎn)生1s脈沖信號,，作為CPLD工作時鐘輸入,、RS-232通信時序脈沖以及數(shù)碼管動態(tài)顯示時序脈沖，準(zhǔn)確度高,、且精確;OSC2為傳感器振蕩電路,，經(jīng)過幾代反復(fù)改良，在氣相,、液相均能夠正常振蕩且波形正常,，將傳感器表面生物反應(yīng)信號轉(zhuǎn)化成脈沖信號，輸入CPLD進(jìn)行信號數(shù)據(jù)采集;數(shù)碼顯示采用共陰極8×8段數(shù)碼管,，動態(tài)掃描顯示當(dāng)前傳感器信號值和簡單數(shù)據(jù)分析判斷結(jié)果;電源給系統(tǒng)提供直流5V工作電壓,，含有直流6～15V變成5V穩(wěn)壓電路;RS-232電平轉(zhuǎn)換電路將從CPLD輸出的CMOS電平轉(zhuǎn)化為計算機(jī)所接受的TTL電平，而且可增加數(shù)據(jù)傳輸距離,。