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 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的暫態充電電流和Rs上的壓降，其充電電流通過電阻 Rf，導致輸出電壓產生動態誤差，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，能夠很好的滿足設計的要求。

　　圖4 阻容補償電路

　　其中電極電位Vp是串聯電阻補償信號V1與修正后的控制電壓10 Vc之和經過兩個電阻組成的十分之一衰減電路實現。A6輸出的電壓經一個電位器后進入跟隨器，然后通過一個1pF的電容實現快電容補償。其中電位器可以實現補償調節，使電路靈活方便。慢電容補償信號是由Vc經過由A3，A4和A5所組成的狀態變量環而獲得。預測注入電流在Rs上所產生的誤差電壓V2也是由狀態變量環得到，并與控制電壓Vc通過 A2相加。由于正反饋的作用，由A2經過狀態變量環，產生與Vc相對應的過沖電壓Vc，從而產生超量充電作用。同時，慢電容的補償電路還實現串聯電阻誤差的預測，從電流監測輸出端輸出的電壓經A1后又經過預測電路的同步調節實現了串聯電阻的補償?？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

　　在系統中，提供三個按鍵，對應于液晶顯示屏上的相關菜單。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。

　　本系統采用的是獨立式按鍵，直接用I/O口線構成單個按鍵電路。每個按鍵單獨占有一根I/O口線，且其工作狀態不會影響其他I/O口線的工作狀態?？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系，系統目前的設計是一個按鍵對應一個功能

　　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、打印模塊和無線傳輸模塊。系統采用中文菜單友好用戶界面，便于操作。開機后首先對系統進行初始化，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。功能菜單有原有數據的回放、實時采樣顯示和紅外線傳輸三個部分。

　　結語

　　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。