一種新型膜片鉗放大器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為降低成本和解決現(xiàn)有膜片鉗放大器系統(tǒng)中PC機(jī)的干擾問(wèn)題，研究了一種新型的膜片鉗放大器系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以單獨(dú)作為小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集和顯示，也可以通過(guò)紅外方式和PC機(jī)進(jìn)行通訊。
關(guān)鍵詞：離子通道電流；電阻電容補(bǔ)償；膜片鉗

引言

    膜片鉗是細(xì)胞膜離子通道電流檢測(cè)的重要工具。1976年Neher和Sakmann發(fā)明了膜片鉗技術(shù)。1980年以來(lái)此項(xiàng)技術(shù)已可用于很多細(xì)胞系的研究。目前，細(xì)胞膜離子通道的研究已經(jīng)應(yīng)用到了各種疾病的診斷治療、藥物作用、環(huán)境對(duì)細(xì)胞膜離子通道的影響以及經(jīng)絡(luò)研究等多個(gè)領(lǐng)域。因此，作為其測(cè)量工具的膜片鉗技術(shù)也就得到了越來(lái)越多的重視。已有的產(chǎn)品基本上都是由前部的模擬電路完成電流信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換和放大，在計(jì)算機(jī)上安裝數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，并在PC機(jī)安裝專用的軟件實(shí)現(xiàn)快慢電容和串聯(lián)電阻補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)以及采集到的電流信號(hào)的顯示。不過(guò)這些產(chǎn)品的膜片鉗放大器部分的體積都比較大，價(jià)格也比較昂貴，一般在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)之間，更重要的是，由于模擬采集系統(tǒng)和PC機(jī)直接相連，所以PC機(jī)帶來(lái)的干擾非常大。

    為了解決上述問(wèn)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(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分，下位機(jī)是一個(gè)單片機(jī)為控制核心的采集系統(tǒng)，可以單獨(dú)工作完成微電流信號(hào)的采集、放大、電容和電阻的補(bǔ)償以及波形的顯示和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。另外下位機(jī)還可以和上位機(jī)進(jìn)行通訊，通訊是采用紅外傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)的，用串口驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射器實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通訊。上位機(jī)主要完成把下位機(jī)傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行處理和分析。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、顯示以及傳輸，系統(tǒng)具有以下的幾個(gè)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(bǔ)償
·模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換
·人機(jī)界面
·系統(tǒng)和PC機(jī)通訊

    為實(shí)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(bǔ)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(jī)之間通訊六個(gè)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(guò)電極得到的離子通道電流信號(hào)經(jīng)過(guò)微電流采集和放大，同時(shí)進(jìn)行電阻和電容的補(bǔ)償以后進(jìn)入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換部分把模擬信號(hào)數(shù)字化，采集到的信號(hào)同時(shí)送到液晶顯示器進(jìn)行顯示。另外也可以實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的存儲(chǔ)和傳輸。按鍵模塊可以友好、方便的實(shí)現(xiàn)多種操作功能的控制。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制模塊—單片機(jī)系統(tǒng)ADmC841

    ADmsC841是ADI公司新近推出一款單片機(jī)，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(chǔ)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(dá)420Ksps)，可以方便地實(shí)現(xiàn)與前級(jí)傳感器的接口；UART、SPI、I2C通訊接口、時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器以及看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)視器等，這些模塊可以便捷地實(shí)現(xiàn)與其他單片機(jī)或PC機(jī)(此時(shí)需電平轉(zhuǎn)換電路)通訊，還可以有效地保障單片機(jī)電源的正常工作和程序的正常運(yùn)行。

鉗位電壓發(fā)生器

    監(jiān)測(cè)細(xì)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(gè)鉗位電壓，把細(xì)胞膜電位鉗制在一個(gè)固定的電壓值。這個(gè)電壓的幅值在幾十到幾百mV 范圍內(nèi)，脈沖時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)方波的發(fā)生。555 直接產(chǎn)生的方波信號(hào)幅值接近電源電壓，而所用的鉗位電壓應(yīng)該是一個(gè)電壓幅值在幾百個(gè)毫伏左右的信號(hào)，所以要對(duì)555 產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行幅度的調(diào)節(jié)。555 產(chǎn)生的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)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(gè)電壓兩端并上電位器R4，從它的滑動(dòng)端取出電壓作為鉗位電壓。這樣可以對(duì)鉗位電壓進(jìn)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(guò)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(bǔ)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(bǔ)償電路。由于測(cè)量的是電流信號(hào)，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(gè)pA ，所以對(duì)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(dāng)使用膜片鉗放大器對(duì)細(xì)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(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(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(dǎo)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(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(gè)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(jì)的要求。

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(hào)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(xiàn)。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(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(hào)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(yù)測(cè)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(duì)應(yīng)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(bǔ)償電路還實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電阻誤差的預(yù)測(cè)，從電流監(jiān)測(cè)輸出端輸出的電壓經(jīng)A1后又經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)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(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(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(guò)ADmC841進(jìn)行控制。

按鍵模塊及菜單界面

    在系統(tǒng)中，提供三個(gè)按鍵，對(duì)應(yīng)于液晶顯示屏上的相關(guān)菜單。每一級(jí)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(tǒng)采用的是獨(dú)立式按鍵，直接用I/O口線構(gòu)成單個(gè)按鍵電路。每個(gè)按鍵單獨(dú)占有一根I/O口線，且其工作狀態(tài)不會(huì)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(guò)程當(dāng)中，每個(gè)按鍵和液晶菜單相聯(lián)系，系統(tǒng)目前的設(shè)計(jì)是一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)功能。 

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)軟件主要是完成單片機(jī)對(duì)模擬信號(hào)的采集、存儲(chǔ)，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(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要分為測(cè)量模塊、打印模塊和無(wú)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(duì)系統(tǒng)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(shù)據(jù)的回放、實(shí)時(shí)采樣顯示和紅外線傳輸三個(gè)部分。

結(jié)語(yǔ)

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

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