新型膜片鉗放大器系統分析設計

　　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換為電壓。由于細胞膜離子通道電流非常微弱，僅為幾個(gè) pA ，所以對電流電壓轉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(mǎn)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;最大的失調電壓為 500mV。圖3中給出了具體電路。

　　圖3 電流電壓轉換電路

　　當使用膜片鉗放大器對細胞膜離子通道電流進(jìn)行記錄時(shí)，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(shí)，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(guò)電阻 Rf，導致輸出電壓產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差，同時(shí)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內部集成了四個(gè)運放，采用5V供電，可以和電路的其他部分統一供電，它的失調電壓為 60mV、偏置電流為2nA，噪聲很低，能夠很好的滿(mǎn)足設計的要求。

　　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(guò)兩個(gè)電阻組成的十分之一衰減電路實(shí)現。A6輸出的電壓經(jīng)一個(gè)電位器后進(jìn)入跟隨器，然后通過(guò)一個(gè)1pF的電容實(shí)現快電容補償。其中電位器可以實(shí)現補償調節，使電路靈活方便。慢電容補償信號是由Vc經(jīng)過(guò)由A3，A4和A5所組成的狀態(tài)變量環(huán)而獲得。預測注入電流在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(guò) A2相加。由于正反饋的作用，由A2經(jīng)過(guò)狀態(tài)變量環(huán)，產(chǎn)生與Vc相對應的過(guò)沖電壓Vc，從而產(chǎn)生超量充電作用。同時(shí)，慢電容的補償電路還實(shí)現串聯(lián)電阻誤差的預測，從電流監測輸出端輸出的電壓經(jīng)A1后又經(jīng)過(guò)預測電路的同步調節實(shí)現了串聯(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(guò)各自的電流注入電容器與電極入端相連。

　　液晶顯示模塊

　　本系統選擇北京青云公司的圖形液晶LCM3202401，它具有320240的點(diǎn)陣，采用SED1335作為控制器，可以實(shí)現圖形和文本兩種顯示方式。液晶模塊直接通過(guò)ADmC841進(jìn)行控制。

　　按鍵模塊及菜單界面

　　在系統中，提供三個(gè)按鍵，對應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(jiǎn)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(gè)鍵)便可完成所需要的操作。

　　本系統采用的是獨立式按鍵，直接用I/O口線(xiàn)構成單個(gè)按鍵電路。每個(gè)按鍵單獨占有一根I/O口線(xiàn)，且其工作狀態(tài)不會(huì )影響其他I/O口線(xiàn)的工作狀態(tài)?？刂瓶诰€(xiàn)分別用p1.2、p1.3和p1.4進(jìn)行控制，按鍵輸入為高電平有效。由于在使用過(guò)程當中，每個(gè)按鍵和液晶菜單相聯(lián)系，系統目前的設計是一個(gè)按鍵對應一個(gè)功能

　　系統軟件設計

　　本系統軟件主要是完成單片機對模擬信號的采集、存儲，原有數據的回放，系統和PC機的通訊并且控制液晶和按鍵實(shí)現人機交互，方便操作。系統軟件設計采用模塊化結構，主要分為測量模塊、打印模塊和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。系統采用中文菜單友好用戶(hù)界面，便于操作。開(kāi)機后首先對系統進(jìn)行初始化，然后顯示主菜單，顯示完主菜單延時(shí)5秒后顯示各功能菜單。功能菜單有原有數據的回放、實(shí)時(shí)采樣顯示和紅外線(xiàn)傳輸三個(gè)部分。

　　結語(yǔ)

　　本設計的電路適用于微電流信號的采集，一定程度上克服了現有膜片嵌系統體積大、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)，并且通過(guò)使用無(wú)線(xiàn)通訊的方式消弱了由于測量和PC機直接連接帶來(lái)的干擾。