膜片钳放大器设计

3.3 微电流采集放大与阻容补偿

膜片钳放大器最主要的部分是电流的采集、I-V转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，仅为几个皮安，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，本文选用ADI公司生产的高精度、低功耗、满摆幅放大器AD8627，它是单运放、具有极低的偏置电流（最大1pA）；用5V-26V单电源供电或±2.5V-±13V电压供电；最大失调电压为500μV。图4给出了电路的具体实现方法。
 

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，因此给箝制电压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，导通输出电压产生动态误差，同时可能使放大器饱和，导致不能正常工作，为校正这些误差，必须采取相应的补偿措施。图5给出了阻容补偿电路的电路图，该电路中的放大器均采用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60μV、偏置电流为2nA，噪声低，能够满足设计要求。

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10Vc'之和经过两个电阻组成的1/10衰减电路实现的。A6输出的电压经一个电位器后进入跟随器。然后通过1pF的电容实现快电容补偿，其中电位器可以实现补偿的调节，使电路灵活方便，慢电容补偿信号是Vc'经过由A3、A4和A5组成的状态变量环而获得，预测注入电流在Rs上产生的误差电压V2也由状态变量环得到，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'，从而实现超量充电作用，同时，慢电容的补偿电路还实现串联电阻误差的预测，从电流检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5中，分别通过各自的电流注入电容器与电极入端相连。
 

3.4 液晶显示模块

本系统选择北京青云公司生产的图形液晶模块LCM3202401，它具有320×320的点阵，采用SED1335作为控制器，可以实现图形和本文两种显示方式，液晶模块直接通过ADuC841进行控制，控制接口电路在图6中给出。
 

SED1335具有很强大的功能，MPU访问SED1335时不需要判断它是否"忙"，SED1335随时准备接收MPU的访问并在内部时序下及时地把MPU发来的指令、数据传输就位。SED1335控制器包括接口部分、内部控制部分和驱动部分。控制部分可以管理64K显示RAM，管理内置的字符发生器及外扩的字符发生器CGRAM或EXCGROM。SED1335将64K显示RAM分成文本显示特性、图形显示特性、SED1335管理内置字符发生器CGROM几种显示特性区。SED1335有13条指令，多数指令带有参数，参数值由用户根据所控制的液晶显示模块的需要自行设置。

液晶可以比较方便地实现文字和波形的显示。文字显示时用字模生成工具生成要显示的文字字模，给定显示区的首地址和光标的移动方式就可以方便地实现显示。波形的显示需要对数据进行变换和处理，由于液晶为320行，所以大量显示的数字为320，因此首先要把采集的数据变换到该范围内，并且显示时还应对数据进行一些处理以及前后数据的比较才能实现完整波形的显示。

3.5 按键模块及菜单界面

快捷的按键、友好的菜单极大的方便了系统的操作，系统中提供了三个按键，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）便可以完成所需要的操作。

本系统采用的是独立式按键，直接用I/O接口线构成单个按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线，且其工作状态不会影响其他I/O接口线的工作状态，控制接口线分别用P1.2，P1.3和P1.4进行控制，按键输入为高电平有效。

在使用过程当中，每个按键和液晶菜单相联系，本系统目前设计是一个按键对应一个功能，进一步的设计将实现单一按键上实现不同的功能，这样简单的独立式按键电路便不能满足设计需要，必须使用软按键轮询技术，软按键轮询技术是将菜单和按键组合在一起的用户界面新技术，该技术使得用户可以在单一的功能键上进行多种选择，也就是说，每个按键可以和一个命令菜单或参数菜单相联系，用户可以通过按合适的按键来选择所需要的命令，也就是采用按键嵌套的方法来使同一按键实现不同的功能。