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新型膜片钳放大器系统分析设计

时间:2012-08-04 10:12来源:网络 作者:未知 阅读:

引言

  膜片钳是细胞膜离子通道电流检测的重要工具。膜片钳放大器部分的体积都比较大,价格也比较昂贵,一般在几万到几十万之间,更重要的是,由于模拟采集系统和PC机直接相连,所以PC机带来的干扰非常大。
 

  为了解决上述问题,我们研究了一种新型的膜片钳放大器。本系统分为上位机和下位机两个部分,下位机是一个单片机为控制核心的采集系统,可以单独工作完成微电流信号的采集、放大、电容和电阻的补偿以及波形的显示和数据的存储。另外下位机还可以和上位机进行通讯,通讯是采用红外传输的方式实现的,用串口驱动红外发射器实现上位机和下位机的通讯。上位机主要完成把下位机传输的信号进行处理和分析。

  系统结构

  为了实现信号的采集、显示以及传输,系统具有以下的几个基本功能:

  ·离子通道电流的采集和放大

  ·钳位电压发生器

  ·电阻电容补偿

  ·模拟信号到数字信号的转换

  ·人机界面

  ·系统和PC机通讯

  为实现上述功能要求,系统主要分为微电流的采集和放大、钳位电压发生器、电阻电容补偿电路、ADμC841控制核心、液晶显示模块LCM3202401及按键控制、系统和PC机之间通讯六个主要模块。图1给出了系统的功能框图。

  

 膜片钳放大器系统功能框图

 

  图1 膜片钳放大器系统功能框图

  由图1可知,经过电极得到的离子通道电流信号经过微电流采集和放大,同时进行电阻和电容的补偿以后进入单片机的A/D转换部分把模拟信号数字化,采集到的信号同时送到液晶显示器进行显示。另外也可以实现采集信号的存储和传输。按键模块可以友好、方便的实现多种操作功能的控制。

  系统硬件设计

  控制模块—单片机系统ADmC841

  ADmsC841 是ADI公司新近推出一款单片机,它的内部集成了8052微处理器的内核,并提供了很大的存储空间。此外,该芯片还集成了许多的外围部件。其中精确、高速的8通道12位模数转换(其转换速率最高可达420Ksps),可以方便地实现与前级传感器的接口;UART、SPI、I2C通讯接口、时间间隔计数器以及看门狗定时器和电源监视器等,这些模块可以便捷地实现与其他单片机或PC机(此时需电平转换电路)通讯,还可以有效地保障单片机电源的正常工作和程序的正常运行。

  钳位电压发生器

  监测细胞膜离子通道电流有电压钳位和电流钳位两种方法,我们采用的是电压钳位的方法,即在I-V 转换器的同相输入端接入一个钳位电压,把细胞膜电位钳制在一个固定的电压值。这个电压的幅值在几十到几百 mV 范围内,脉冲时间10~50ms。图2 给出了钳位电压发生器的电路。电路中采用的是555 构成多谐振荡的方式来实现方波的发生。555 直接产生的方波信号幅值接近电源电压,而所用的钳位电压应该是一个电压幅值在几百个毫伏左右的信号,所以要对555 产生的信号进行幅度的调节。555 产生的方波信号经过电阻R3 和稳压管D1后在D1 两端输出稳定的2.4V 电压,再在这个电压两端并上电位器R4,从它的滑动端取出电压作为钳位电压。这样可以对钳位电压进行灵活的调节,得到需要的幅度。产生的方波的周期可通过调节电位器R2 在14ms~154ms 之间变化。

  

钳位电压发生电路

 

  图2 钳位电压发生电路

(责任编辑:泉水)
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