新型膜片鉗放大器系統(tǒng)分析設計

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)結構

　　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，經過電極得到的離子通道電流信號經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，它的內部集成了8052微處理器的內核，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)轉換(其轉換速率最高可達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，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 構成多諧振蕩的方式來實現(xiàn)方波的發(fā)生。555 直接產生的方波信號幅值接近電源電壓，而所用的鉗位電壓應該是一個電壓幅值在幾百個毫伏左右的信號，所以要對555 產生的信號進行幅度的調節(jié)。555 產生的方波信號經過電阻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節(jié)，得到需要的幅度。產生的方波的周期可通過調節(jié)電位器R2 在14ms~154ms 之間變化。

　　圖2 鉗位電壓發(fā)生電路