基于单片机的新型膜片钳放大器系统

　　膜片钳放大器的最主要部分就是电流的采集、I-V变换和放大以及各种补偿电路。由于测量的是电流信号，所以要首先把电流转换为电压。由于细胞膜离子通道电流非常微弱，仅为几个 pA ，所以对电流电压转换部分所用放大器的性能要求比较高，要求它具有很高的输入阻抗和很低的偏置电流。为满足上面的要求，笔者选用ADI公司的高精度、低功耗、轨-轨放大器AD8627。它具有极低的偏置电流，最大只有1pA;用5~26V的单电源供电或±2.5到±13V均可;最大的失调电压为 500mV。图3中给出了具体电路。

　　图3 电流电压转换电路

　　当使用膜片钳放大器对细胞膜离子通道电流进行记录时，由于电极输入端存在杂散的电极电容Cp、细胞膜电容 Cm和电极输入端至细胞膜之间的串联电阻Rs;若钳制电压Vc端施加阶跃电压时，必将引起Cp、Cm的暂态充电电流和Rs上的压降，其充电电流通过电阻 Rf，导致输出电压产生动态误差，同时可能使放大器饱和，以致不能正常工作，为校正这些误差必须采用相应的补偿措施。图4示出阻容补偿电路的电路图。本电路中的放大器均采用的是ADI公司的OP4177 ，OP4177内部集成了四个运放，采用5V供电，可以和电路的其他部分统一供电，它的失调电压为 60mV、偏置电流为2nA，噪声很低，能够很好的满足设计的要求。

　　图4 阻容补偿电路

　　其中电极电位Vp是串联电阻补偿信号V1与修正后的控制电压10 Vc之和经过两个电阻组成的十分之一衰减电路实现。A6输出的电压经一个电位器后进入跟随器，然后通过一个1pF的电容实现快电容补偿。其中电位器可以实现补偿调节，使电路灵活方便。慢电容补偿信号是由Vc经过由A3，A4和A5所组成的状态变量环而获得。预测注入电流在Rs上所产生的误差电压V2也是由状态变量环得到，并与控制电压Vc通过 A2相加。由于正反馈的作用，由A2经过状态变量环，产生与Vc相对应的过冲电压Vc，从而产生超量充电作用。同时，慢电容的补偿电路还实现串联电阻误差的预测，从电流监测输出端输出的电压经A1后又经过预测电路的同步调节实现了串联电阻的补偿。快电容和慢电容补偿电路均示于图4中，分别通过各自的电流注入电容器与电极入端相连。

　　液晶显示模块

　　本系统选择北京青云公司的图形液晶LCM3202401，它具有320240的点阵，采用SED1335作为控制器，可以实现图形和文本两种显示方式。液晶模块直接通过ADmC841进行控制。

　　按键模块及菜单界面

　　在系统中，提供三个按键，对应于液晶显示屏上的相关菜单。每一级菜单提供给使用者简单的提示，方便使用，因而只需要在菜单的提示下按一键(有A、B、C三个键)便可完成所需要的操作。

　　本系统采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路。每个按键单独占有一根I/O口线，且其工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。控制口线分别用p1.2、p1.3和p1.4进行控制，按键输入为高电平有效。由于在使用过程当中，每个按键和液晶菜单相联系，系统目前的设计是一个按键对应一个功能

　　系统软件设计

　　本系统软件主要是完成单片机对模拟信号的采集、存储，原有数据的回放，系统和PC机的通讯并且控制液晶和按键实现人机交互，方便操作。系统软件设计采用模块化结构，主要分为测量模块、打印模块和无线传输模块。系统采用中文菜单友好用户界面，便于操作。开机后首先对系统进行初始化，然后显示主菜单，显示完主菜单延时5秒后显示各功能菜单。功能菜单有原有数据的回放、实时采样显示和红外线传输三个部分。

　　结语

　　本设计的电路适用于微电流信号的采集，一定程度上克服了现有膜片嵌系统体积大、价格昂贵的缺点，并且通过使用无线通讯的方式消弱了由于测量和PC机直接连接带来的干扰。