新型膜片鉗放大器系統(tǒng)分析設(shè)計

引言

　　膜片鉗是細胞膜離子通道電流檢測的重要工具。膜片鉗放大器部分的體積都比較大，價格也比較昂貴，一般在幾萬到幾十萬之間，更重要的是，由于模擬采集系統(tǒng)和PC機直接相連，所以PC機帶來的干擾非常大。
 

　　為了解決上述問題，我們研究了一種新型的膜片鉗放大器。本系統(tǒng)分為上位機和下位機兩個部分，下位機是一個單片機為控制核心的采集系統(tǒng)，可以單獨工作完成微電流信號的采集、放大、電容和電阻的補償以及波形的顯示和數(shù)據(jù)的存儲。另外下位機還可以和上位機進行通訊，通訊是采用紅外傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)的，用串口驅(qū)動紅外發(fā)射器實現(xiàn)上位機和下位機的通訊。上位機主要完成把下位機傳輸?shù)男盘栠M行處理和分析。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　為了實現(xiàn)信號的采集、顯示以及傳輸，系統(tǒng)具有以下的幾個基本功能：

　　·離子通道電流的采集和放大

　　·鉗位電壓發(fā)生器

　　·電阻電容補償

　　·模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換

　　·人機界面

　　·系統(tǒng)和PC機通訊

　　為實現(xiàn)上述功能要求，系統(tǒng)主要分為微電流的采集和放大、鉗位電壓發(fā)生器、電阻電容補償電路、ADμC841控制核心、液晶顯示模塊LCM3202401及按鍵控制、系統(tǒng)和PC機之間通訊六個主要模塊。圖1給出了系統(tǒng)的功能框圖。

　　圖1 膜片鉗放大器系統(tǒng)功能框圖

　　由圖1可知，經(jīng)過電極得到的離子通道電流信號經(jīng)過微電流采集和放大，同時進行電阻和電容的補償以后進入單片機的A/D轉(zhuǎn)換部分把模擬信號數(shù)字化，采集到的信號同時送到液晶顯示器進行顯示。另外也可以實現(xiàn)采集信號的存儲和傳輸。按鍵模塊可以友好、方便的實現(xiàn)多種操作功能的控制。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　控制模塊—單片機系統(tǒng)ADmC841

　　ADmsC841 是ADI公司新近推出一款單片機，它的內(nèi)部集成了8052微處理器的內(nèi)核，并提供了很大的存儲空間。此外，該芯片還集成了許多的外圍部件。其中精確、高速的8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換(其轉(zhuǎn)換速率最高可達420Ksps)，可以方便地實現(xiàn)與前級傳感器的接口;UART、SPI、I2C通訊接口、時間間隔計數(shù)器以及看門狗定時器和電源監(jiān)視器等，這些模塊可以便捷地實現(xiàn)與其他單片機或PC機(此時需電平轉(zhuǎn)換電路)通訊，還可以有效地保障單片機電源的正常工作和程序的正常運行。

　　鉗位電壓發(fā)生器

　　監(jiān)測細胞膜離子通道電流有電壓鉗位和電流鉗位兩種方法，我們采用的是電壓鉗位的方法，即在I-V 轉(zhuǎn)換器的同相輸入端接入一個鉗位電壓，把細胞膜電位鉗制在一個固定的電壓值。這個電壓的幅值在幾十到幾百 mV 范圍內(nèi)，脈沖時間10~50ms。圖2 給出了鉗位電壓發(fā)生器的電路。電路中采用的是555 構(gòu)成多諧振蕩的方式來實現(xiàn)方波的發(fā)生。555 直接產(chǎn)生的方波信號幅值接近電源電壓，而所用的鉗位電壓應(yīng)該是一個電壓幅值在幾百個毫伏左右的信號，所以要對555 產(chǎn)生的信號進行幅度的調(diào)節(jié)。555 產(chǎn)生的方波信號經(jīng)過電阻R3 和穩(wěn)壓管D1后在D1 兩端輸出穩(wěn)定的2.4V 電壓，再在這個電壓兩端并上電位器R4，從它的滑動端取出電壓作為鉗位電壓。這樣可以對鉗位電壓進行靈活的調(diào)節(jié)，得到需要的幅度。產(chǎn)生的方波的周期可通過調(diào)節(jié)電位器R2 在14ms~154ms 之間變化。

　　圖2 鉗位電壓發(fā)生電路
微電流采集放大與阻容補償

　　膜片鉗放大器的最主要部分就是電流的采集、I-V變換和放大以及各種補償電路。由于測量的是電流信號，所以要首先把電流轉(zhuǎn)換為電壓。由于細胞膜離子通道電流非常微弱，僅為幾個 pA ，所以對電流電壓轉(zhuǎn)換部分所用放大器的性能要求比較高，要求它具有很高的輸入阻抗和很低的偏置電流。為滿足上面的要求，筆者選用ADI公司的高精度、低功耗、軌-軌放大器AD8627。它具有極低的偏置電流，最大只有1pA;用5~26V的單電源供電或±2.5到±13V均可;最大的失調(diào)電壓為 500mV。圖3中給出了具體電路。

　　圖3 電流電壓轉(zhuǎn)換電路

　　當使用膜片鉗放大器對細胞膜離子通道電流進行記錄時，由于電極輸入端存在雜散的電極電容Cp、細胞膜電容 Cm和電極輸入端至細胞膜之間的串聯(lián)電阻Rs;若鉗制電壓Vc端施加階躍電壓時，必將引起Cp、Cm的暫態(tài)充電電流和Rs上的壓降，其充電電流通過電阻 Rf，導(dǎo)致輸出電壓產(chǎn)生動態(tài)誤差，同時可能使放大器飽和，以致不能正常工作，為校正這些誤差必須采用相應(yīng)的補償措施。圖4示出阻容補償電路的電路圖。本電路中的放大器均采用的是ADI公司的OP4177 ，OP4177內(nèi)部集成了四個運放，采用5V供電，可以和電路的其他部分統(tǒng)一供電，它的失調(diào)電壓為 60mV、偏置電流為2nA，噪聲很低，能夠很好的滿足設(shè)計的要求。

　　圖4 阻容補償電路

　　其中電極電位Vp是串聯(lián)電阻補償信號V1與修正后的控制電壓10 Vc之和經(jīng)過兩個電阻組成的十分之一衰減電路實現(xiàn)。A6輸出的電壓經(jīng)一個電位器后進入跟隨器，然后通過一個1pF的電容實現(xiàn)快電容補償。其中電位器可以實現(xiàn)補償調(diào)節(jié)，使電路靈活方便。慢電容補償信號是由Vc經(jīng)過由A3，A4和A5所組成的狀態(tài)變量環(huán)而獲得。預(yù)測注入電流在Rs上所產(chǎn)生的誤差電壓V2也是由狀態(tài)變量環(huán)得到，并與控制電壓Vc通過 A2相加。由于正反饋的作用，由A2經(jīng)過狀態(tài)變量環(huán)，產(chǎn)生與Vc相對應(yīng)的過沖電壓Vc，從而產(chǎn)生超量充電作用。同時，慢電容的補償電路還實現(xiàn)串聯(lián)電阻誤差的預(yù)測，從電流監(jiān)測輸出端輸出的電壓經(jīng)A1后又經(jīng)過預(yù)測電路的同步調(diào)節(jié)實現(xiàn)了串聯(lián)電阻的補償?？祀娙莺吐娙菅a償電路均示于圖4中，分別通過各自的電流注入電容器與電極入端相連。

　　液晶顯示模塊

　　本系統(tǒng)選擇北京青云公司的圖形液晶LCM3202401，它具有320240的點陣，采用SED1335作為控制器，可以實現(xiàn)圖形和文本兩種顯示方式。液晶模塊直接通過ADmC841進行控制。

　　按鍵模塊及菜單界面

　　在系統(tǒng)中，提供三個按鍵，對應(yīng)于液晶顯示屏上的相關(guān)菜單。每一級菜單提供給使用者簡單的提示，方便使用，因而只需要在菜單的提示下按一鍵(有A、B、C三個鍵)便可完成所需要的操作。

　　本系統(tǒng)采用的是獨立式按鍵，直接用I/O口線構(gòu)成單個按鍵電路。每個按鍵單獨占有一根I/O口線，且其工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線的工作狀態(tài)?？刂瓶诰€分別用p1.2、p1.3和p1.4進行控制，按鍵輸入為高電平有效。由于在使用過程當中，每個按鍵和液晶菜單相聯(lián)系，系統(tǒng)目前的設(shè)計是一個按鍵對應(yīng)一個功能

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)軟件主要是完成單片機對模擬信號的采集、存儲，原有數(shù)據(jù)的回放，系統(tǒng)和PC機的通訊并且控制液晶和按鍵實現(xiàn)人機交互，方便操作。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要分為測量模塊、打印模塊和無線傳輸模塊。系統(tǒng)采用中文菜單友好用戶界面，便于操作。開機后首先對系統(tǒng)進行初始化，然后顯示主菜單，顯示完主菜單延時5秒后顯示各功能菜單。功能菜單有原有數(shù)據(jù)的回放、實時采樣顯示和紅外線傳輸三個部分。

　　結(jié)語

　　本設(shè)計的電路適用于微電流信號的采集，一定程度上克服了現(xiàn)有膜片嵌系統(tǒng)體積大、價格昂貴的缺點，并且通過使用無線通訊的方式消弱了由于測量和PC機直接連接帶來的干擾。