微電流采集放大與阻容補(bǔ)償 - 基于單片機(jī)的新型膜片鉗放大器系統(tǒng)

　　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(bǔ)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(xì)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。

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　　圖3 電流電壓轉(zhuǎn)換電路

　　當(dāng)使用膜片鉗放大器對細(xì)胞膜離子通道電流進(jìn)行記錄時，由于電極輸入端存在雜散的電極電容Cp、細(xì)胞膜電容 Cm和電極輸入端至細(xì)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(bǔ)償措施。圖4示出阻容補(bǔ)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(yùn)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。

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　　圖4 阻容補(bǔ)償電路

　　其中電極電位Vp是串聯(lián)電阻補(bǔ)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(shí)現(xiàn)。A6輸出的電壓經(jīng)一個電位器后進(jìn)入跟隨器，然后通過一個1pF的電容實(shí)現(xiàn)快電容補(bǔ)償。其中電位器可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償調(diào)節(jié)，使電路靈活方便。慢電容補(bǔ)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(bǔ)償電路還實(shí)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(shí)現(xiàn)了串聯(lián)電阻的補(bǔ)償?？祀娙莺吐娙菅a(bǔ)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(diǎn)陣，采用SED1335作為控制器，可以實(shí)現(xiàn)圖形和文本兩種顯示方式。液晶模塊直接通過ADmC841進(jìn)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(dú)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(dú)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(jìn)行控制，按鍵輸入為高電平有效。由于在使用過程當(dāng)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(jī)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(jī)的通訊并且控制液晶和按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(jī)后首先對系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(diǎn)，并且通過使用無線通訊的方式消弱了由于測量和PC機(jī)直接連接帶來的干擾。