CN108351341B - 数字膜片钳放大器 - Google Patents

Abstract

一种膜片钳放大器，其可以容易地制造，可以简单地重新配置以用于产品更新，并且可以在操作期间快速重新配置为不同的模式。一个示例可以提供膜片钳放大器，该膜片钳放大器可以通过使用数字电路系统实现补偿和其它电路中的一些或全部而容易地制造。可以使用分立或集成逻辑电路、诸如现场可编程门阵列或可编程逻辑阵列的可编程逻辑或其它固定或可配置逻辑电路或其组合来实现这些数字电路。当需要产品更新时，可以由用户或由制造商通过固件或软件更新来重新配置这些可编程逻辑电路。这些电路也可以快速重新配置，以允许在使用期间快速切换模式。

Description

数字膜片钳放大器

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年9月18日提交的美国专利申请号14/859，227的优先权，其通过引用并入本文。

背景技术

膜片钳放大器可以用于细胞和分子生物学，以测量和记录生物组织生成的电信号。当细胞被电压信号刺激时，生物组织可以允许小电流流过细胞壁或细胞膜。简而言之，可以使用膜片钳放大器来测量并记录由于电压输入而流过细胞的所得电流。典型地，电压输入是被称为命令信号的阶跃或其它函数，其可以经由与细胞接触的移液器被施加。然后可以测量并记录所得电流。

测量并记录这种所得细胞电流可能非常困难。例如，移液器可能具有当施加命令信号时可能生成大电流的杂散电容或寄生电容。这个大信号可能会压倒或淹没由细胞生成的期望的输出信号电流，从而使实际细胞电流的确定成为问题。类似地，移液器和细胞可能具有其它杂散或寄生电容和电阻，并且它们产生的电流信号可能类似地隐藏或掩盖感兴趣的电流，特别是掩盖细胞自身生成的电流。

解决方案是在这些膜片钳放大器中包含补偿这些不需要的信号的各种电路，从而留下期望的信号。但是这导致了膜片钳放大器具有极大的复杂性。已证明这些复杂的膜片钳放大器难以制造。而且，它们很专用以至于一旦制造出来，它们可能很难重新配置。例如，可能期望在产品更新或改进中重新配置一个或多个电路。目前的膜片钳放大器的复杂性可能会限制这样的重新配置。

而且，在装置使用期间，可能期望快速重新配置膜片钳放大器以便进行一组相关的测量。同样，现有膜片钳放大器的复杂性可能会减缓重新配置过程并限制采取此类相关测量的能力。

因此，需要可以容易地制造、可以简单地重新配置以用于产品更新并且可以在操作期间快速地重新配置成不同的模式的膜片钳放大器。

发明内容

因此，本发明的实施例可以提供可以容易地制造、可以简单地重新配置用于产品更新并且可以在操作期间快速地重新配置成不同的模式的膜片钳放大器。

本发明的说明性实施例可以通过使用数字电路系统实现膜片钳放大器中的补偿和其它电路的一些或全部来提供可以容易地制造的膜片钳放大器。这些数字电路可以使用分立或集成逻辑电路、诸如现场可编程门阵列或可编程逻辑阵列的可编程逻辑、微处理器或其它固定或可配置逻辑电路或其组合来实现。这些数字电路可以取代可能有数个限制和不期望的特性的复杂的模拟电路。例如，这些模拟电路可能需要手动调谐或调整数个电位器和其它可变分量。例如在运输期间，当膜片钳放大器受力时，这些调整可能会无意中发生改变或丢失。而且，电位器本身可能相对昂贵或由于缺乏对这些分量的当前需求而难以采购。用数字电路系统取代这种复杂的模拟电路系统可以提供更容易制造的膜片钳放大器。

更具体地说，本发明的实施例可以提供一种膜片钳放大器，其具有探头电路以接收可以被称为命令信号的输入信号、以接收由该命令信号得到的电流信号并将接收到的电流信号转换为电压。膜片钳放大器还可以包括一个或多个补偿电路以补偿包括膜片钳放大器的测量系统的各种非理想方面。膜片钳放大器可以具有其它电路来提升探头的增益、对输出滤波或执行其它功能。在本发明的各种实施例中，可以使用模拟电路系统来实现探头电路，而可以使用数字电路系统来实现一个或多个补偿电路和其它电路中的至少一个。模数转换器和数模转换器可以用于在探头电路与一个或多个补偿电路和其它电路之间转换信号。这些转换器可以位于接近探头，以减少模拟信号线路上的噪声耦合。

本发明的说明性实施例可以进一步提供可以简单地重新配置以用于产品更新的膜片钳放大器。在本发明的各种实施例中，可以使用可编程逻辑电路来实现一个或多个补偿电路和其它电路中的至少一个。可以由用户或由制造商通过固件或软件更新来重新配置这些可编程逻辑电路。特别是与重新配置涉及许多分离的增益电路、开关、电容器等的复杂模拟电路所需要的情况相比时，这可以提供简单的重新配置。

这种可配置性在膜片钳放大器的操作期间也可能是有利的。例如，本发明的说明性实施例可以提供可以在各种模式下操作的膜片钳放大器，各种模式可以包括电压钳模式和电流钳模式。如果膜片钳放大器可以快速连续地交替或从这些模式之一切换到另一个模式或在它们之间切换，这可能是有用的。同样，虽然这在传统的膜片钳放大器中可能难以实现，但是由说明性实施例提供的膜片钳放大器可以使用可编程逻辑实现在该模式切换中涉及的关键路径。这种可编程逻辑可以快速重新配置以允许模式之间的快速改变。

用于一个或多个补偿或其它电路的可编程逻辑或其它数字电路系统的使用也可以提供性能改进。例如，运算放大器可能产生非线性或非对称响应、时间延迟、过量噪声，并且它们可能具有带宽限制并受到温度漂移的影响。电容器可能表现出非理想的性质，例如泄漏和介电吸收。模拟开关可能具有相当大的导通电阻、非线性以及经受串扰。用可编程逻辑或其它数字电路取代这些分量可以提供具有改进性能的补偿和其它电路。

本发明的另一个说明性实施例可以提供具有探头的膜片钳放大器。探头可以接收命令信号，将命令信号提供给细胞，接收所得电流，将所得电流转换为输出电压，并提供输出电压。探头可以包括跨阻或其它类型的放大器。具体地，可以在跨阻放大器的第一输入端子处接收命令信号。跨阻放大器可以具有反馈，反馈被配置为使得跨阻放大器的第二输入端子上的电压遵循施加到第一输入端子的命令信号。然后可以将该电压提供给细胞。可以在第二输入端子处接收所得电流。电流可以流过跨阻抗放大器周围的反馈阻抗以生成电压，该电压可以提供作为输出。

在包含该膜片钳放大器的测量系统中可能会有数个寄生分量。这些寄生分量可能会生成信号，这些信号可能会掩盖细胞生成的期望的电流信号。这些寄生分量中的数个可能会产生可以由膜片钳放大器中的补偿电路补偿的信号分量。这些补偿电路中的一个或多个可以用可编程逻辑或其它数字电路系统来实现。本发明的具体实施例可以提供一种膜片钳放大器，其中这些补偿电路中的每一个都在可编程逻辑电路上实现。这些补偿电路中的每一个可以至少减少或减轻不需要的信号分量。可以通过提供抵消信号来进行每个补偿。这些抵消信号中的至少一些可以由数模转换器提供，该数模转换器转换来自可编程逻辑电路的抵消信号并将模拟信号提供给探头电路。

在本发明的这个和其它实施例中，这些补偿电路中的一个或多个可以包括用于调整抵消信号的大小和频率响应以使得抵消信号更准确地减少或减轻不想要的信号分量的电路系统。在这些实施例中，每个补偿电路可以包括用于调整大小的固定或可变增益电路以及用于调整抵消信号的频率响应的滤波器。应该注意的是，这些增益电路可以提供小于单位元素的增益，因此可以作为衰减器操作。这些抵消信号可以被添加到命令信号中，它们可以作为被添加到细胞电流的电流被注入，或者它们可以被添加到输出信号或输出信号的经放大或滤波的版本。

根据本发明的实施例的可以包括膜片钳电路的测量系统中的这些寄生分量可以包括移液器的电容、移液器的电阻、细胞的电容以及细胞的电阻。细胞的电阻、移液器的串联电阻和细胞的电容可以创建时间常数，该时间常数可以充当滤波器并且可以减缓施加到细胞的阶跃或其它电压的边缘。从细胞来看，移液器的串联电阻和细胞电阻可能是并联的。由于细胞电阻通常可能比串联电阻大得多，所以时间常数可以简化为取决于细胞电容和串联电阻。为了减少或减轻该滤波，本发明的实施例可以采用串联电阻预测电路。该电路可以接收阶跃或其它函数，添加过冲部分，并提供该和作为命令信号。过冲部分可以有助于减小由于细胞电容和串联电阻的时间常数而在细胞中可能看到的延迟响应。与其它补偿电路一样，串联电阻预测电路可以包括滤波器和增益级。具体而言，串联电阻预测电路可以包括用于提供过冲的高通滤波器。可以通过估计细胞电容和串联电阻来设置高通滤波器的频率响应。串联电阻预测电路还可以包括增益级。串联电阻预测电路可以是开环路径。也就是说，可以使用细胞电容和串联电阻的估计来生成添加到命令信号的预测信号。

串联电阻预测电路还可以用在校准例程中以确定串联电阻和细胞电容的估计值。例如，可以使用初始估计来设置串联电阻预测电路中滤波器的频率响应，该滤波器提供过冲信号以补偿由有限带宽导致的细胞看到的时间常数。可以找到补偿串联电阻和细胞电容的滤波效应所需的补偿量。具体而言，可以找到所需的过冲波形的峰值幅度和时间常数。由此，可以确定串联电阻和细胞电容的估计并将其用于串联电阻预测电路和其它地方。

串联电阻也可能导致降低提供给细胞的输入电压的电压降。具体而言，当细胞接收输入电压并开始导通时，电流可以流过串联电阻，从而降低细胞所见的电压。为了减少或减轻这一点，本发明的实施例可以采用串联电阻校正电路。该电路可以接收来自探头的输出，并向命令信号提供校正电压。具体而言，由于串联电阻的估计是已知的，所以随着探头输出增加，可以确定由于细胞电流流过串联电阻而在细胞中看到多少电压降。命令信号以及因此输入电压可以增加以补偿并帮助维持细胞所见的电压。由于探头的输出被用于生成探头的输入，所以串联电阻校正电路是闭环电路。为了防止该环路振荡，可以使用滞后滤波器来限制反馈环路的带宽。该校正电路还可以包括增益电路。

移液器可能具有与其关联的电容。当输入电压施加到移液器时，这个电容可能会汲取充电电流。因此，说明性实施例可以在输入处注入电流以补偿该充电电流。移液器补偿路径可以用于提供通过电容器耦合的电压以在输入节点处生成电压。移液器补偿路径可以包括与增益电路串联的低通滤波器。特别地，命令信号可以被移液器补偿路径接收。该信号可以被低通滤波，这实质上整合了命令信号。所得电压可以被调整增益，或者更具体地被衰减。然后可以通过电容器施加输出电压，该电容器实质上取得输出电压的导数并向输入提供电流。这个电流至少可以近似消除移液器电容汲取的电流。

在本发明的各种实施例中，可能期望将移液器电容建模为通过小电阻器彼此耦合的一系列并联电容器。在本发明的这些实施例中，移液器补偿路径可以包括并联路径，每个并联路径包括与一个或多个增益电路串联的低通滤波器的串联组合，以实现更高阶滤波器以更准确地补偿移液器电容。

以类似的方式，细胞可能具有与其关联的电容。当输入电压施加到移液器时，这个电容可能会汲取充电电流。因此，说明性实施例可以在输入处注入电流以补偿该细胞电容充电电流。全细胞补偿路径可以用于提供通过电容器耦合的电压以在输入节点处生成电流。全细胞补偿路径可以包括与增益电路串联的低通滤波器。具体而言，用于提供命令信号的阶跃或其它函数可以由全细胞补偿路径接收。该信号可以被低通滤波，这实质上整合了该阶跃或其它函数。所得电压可以被放大至少近似等于全细胞电容与用于耦合全细胞补偿路径的输出电压的耦合电容器的比率的量。命令信号本身然后可以被添加到该信号以生成全细胞补偿路径的输出电压。然后可以通过电容器施加输出电压，该电容器实质上取得输出电压的导数并向输入提供电流。然后该电流至少可以近似消除细胞电容所汲取的电流。

串联电阻和细胞电阻可能形成从移液器输入到地的路径。该电阻性路径因此可能创建生成泄漏电流的泄漏路径。相应地，本发明的实施例可以采用泄漏减除电路。泄漏电流可能会增加输出电压的幅度。因此，泄漏减除电路可以接收用于生成命令信号的阶跃或其它函数。该阶跃或其它函数可以被衰减并从输出电压中减除以补偿由泄漏电流引起的输出幅度的增加。

本发明的这些和其它实施例可以提供也可以使用可编程逻辑或其它数字电路系统来实现的其它电路。例如，可能期望对来自探头的输出信号提升或调整增益。还可能期望对探头的输出进行滤波。因此，可以在探头电路的输出处插入可以包括滤波器和可选的增益级的频率提升。在本发明的这些和其它实施例中，可能期望对输出信号进一步滤波。因此，可以使用可以实现为高阶贝塞尔或其它类型的滤波器的信号调节滤波器来对输出信号进行滤波。在本发明的各个实施例中该滤波器可以具有可调整的带宽。

本发明的各种实施例可以利用各种控制电路。这些控制电路可以包括微控制器或其它处理电路、主计算机或其它处理、控制或计算电路。在本发明的说明性实施例中，可以使用微控制器来控制诸如现场可编程门阵列的可编程逻辑。微控制器或可编程逻辑或其它地方的控制电路系统可以在启动、复位或其它适当时间加载用于可编程逻辑的配置数据。微控制器可以用于将增益设置、滤波器常数或其它值传送给可编程逻辑。在具体示例中，用户可以使用图形用户界面(GUI)将滤波器的带宽输入到主计算机中。微控制器可以从主机获取带宽值并计算所需的滤波器常数。滤波器常数然后可以被发送到可编程逻辑，然后该可编程逻辑可以配置滤波器。在本发明的这些和其它实施例中，可以使用双精度浮点数学来完成滤波器常数计算。

在上面的示例中，电压被强制施加到细胞上并测量所得电流。这可以被称为电压钳配置。在符合本发明的实施例的其它测试配置中，电流被强制施加到细胞中并且测量所得电压。这可以被称为电流钳配置。在本发明的这些实施例中，电路系统可以从上述电压钳配置重新配置为电流钳电路。也就是说，电流钳电路可以使用与上述示例中使用的相同的电路，但是重新连接到这种新的配置。

具体而言，可以接收命令波形并将其转换为电流。电流可以被强制施加到细胞中，并且可以调整所得电压的增益并将其提供作为输出。可以用环路补偿移液器电容，该环路调整输出电压的一部分的增益并通过电容器将其施加到求和节点。这种技术可以被称为电容中和。可以通过从所得输出信号中减除命令信号的一部分来补偿串联电阻。

在本发明的其它实施例中，可以将改变电流强制施加到细胞中，其中电流随时间改变，使得可以向样品提供作为时间的函数的期望电导。这可以被称为动态钳或电导钳配置。上面描述的用于电压钳电路(其可以被重新配置用于电流钳电路)的电路系统也可以被重新配置为电导钳，电导钳可以更一般地称为动态钳。本发明的这些实施例可以变化施加到样品的电流和电压条件。这可以被用来模仿一个细胞可能提供给相邻细胞或者由于其它原因的电流和电压条件。

在电导钳配置中，可以接收期望或目标电导波形并将其存储在存储器中。可以生成具有第一幅度的命令信号。命令信号可以用于生成进入样品中的电流。可以测量所得电压。由此可以计算出测量的电导。可以从存储器中读取目标电导值，其中目标电导值是下一时间点处的电导的目标值。测量的电导可以与目标电导进行比较。所测量的电导与目标电导之间的差异可以用于确定命令信号幅度的大小的改变。

本发明的各种实施例可以包含这里描述的这些和其它特征中的一个或多个。参考下面的详细描述和附图可以更好地理解本发明的本质和优点。

附图说明

图1例示说明了可以通过结合本发明的实施例而被改进的测量系统；

图2例示说明了根据本发明的实施例的测量系统中的寄生分量；

图3例示说明了根据本发明的实施例的测量系统的系统图；

图4例示说明了根据本发明的实施例的测量系统的另一系统图；

图5例示说明了根据本发明的实施例的测量系统的另一系统图；

图6例示说明了根据本发明的实施例的探头(headstage)；

图7例示说明了根据本发明的实施例的另一探头；

图8例示说明了根据本发明的实施例的探头和关联转换器的一部分；

图9例示说明了根据本发明的实施例的探头和关联转换器的一部分；

图10例示说明了根据本发明的实施例的另一探头；

图11例示说明了根据本发明的实施例的另一探头；

图12例示说明了根据本发明的实施例的波形生成器；

图13例示说明了根据本发明的实施例的另一波形生成器；

图14例示说明了根据本发明的实施例的串联电阻校正和预测电路；

图15例示说明了根据本发明的实施例的全细胞补偿电路(whole-cellcompensation circuit)；

图16例示说明了根据本发明的实施例的移液器补偿电路；

图17例示说明了根据本发明的实施例的输出调节和泄漏减除电路；

图18例示说明了根据本发明的实施例的电流钳电路；

图19例示说明了根据本发明的实施例的动态钳电路；和

图20是示出根据本发明的实施例的动态钳电路的操作的流程图。

具体实施方式

图1例示说明了可以通过结合本发明的实施例而被改进的测量系统。该图与其它包括的图一起用于说明的目的而示出，并不限制本发明的可能实施例和权利要求。

该图例示说明了可以用于表征细胞膜、样品或组织140的电响应的放大器电路110。具体而言，样品140的一个或多个细胞可以被放置在样品皿130中的浴槽132中。样品皿130可以是培养皿(Petri dish)或其它类型的样品皿。放大器110可以经由导体112和移液器120将电压V1提供给细胞样品140。电压V1可以相对于导体114施加在导体112上，导体114可以与浴槽132电接触。浴槽132和导体114可以电连接到地。

当施加信号电压V1时，可以由放大器110将所得电流I1提供给细胞样品140。提供的电流I1可以被转换为电压并且在线路116上被提供为输出VOUT。对于给定的输入电压V1的所得电压VOUT可以用于表征样品140中的细胞的电性质。

不幸的是，在实施这种测量系统时可能会出现一些复杂性。例如，样品140中的细胞的电阻可能非常高，因此任何所得电流I1可能非常小并且难以准确测量。这可能由移液器120和样品140中以及测量系统中的其它部分中的寄生分量的存在而进一步复杂化。例如，移液器120可能具有与其关联的电阻和电容。样品140中的细胞也可能具有与它们关联的电阻和电容。这些寄生分量可能在将电压V1施加到样品140之前使电压V1失真，从而降低任何所得测量的质量。这些寄生分量也可能会生成电流，这些电流可能会添加到I1或甚至淹没I1，从而进一步降低任何所得测量的质量。下图示出了这些寄生分量的示例。

图2例示说明了可能存在于根据本发明的实施例的测量系统中的寄生分量。在该图中，移液器120可能具有串联电阻RS。移液器120还可能具有接地的寄生电容CP。样品140可能具有接地或浴槽132的串联电阻RM和电容CM。

再次，这些寄生分量可能会在电压V1被施加到样品140时使电压V1失真。而且，这些寄生分量可能会生成电流，导致难以确定I1。因此，本发明的实施例可以使用补偿电路来补偿这些影响。例如，本发明的实施例可以提供补偿电路来调整电压V1，使得期望的电压被施加到样品140。本发明的这些和其它实施例还可以提供补偿电路来创建电流以消除由寄生分量生成的电流。

通常，这种补偿电路可以用模拟电路来实现。但是这些模拟电路可能有数个限制和不期望的特性。例如，运算放大器可能产生非线性或非对称响应、时间延迟、过量噪声，并且它们可能具有带宽限制并受温度漂移影响。电容器可能表现出非理想的性质，例如泄漏和介电吸收。模拟开关可能具有相当大的导通电阻、非线性以及经受串扰。

而且，这些模拟电路可能难以制造。例如，这些模拟电路可能需要手动调谐或调整数个电位器和其它可变分量。例如在运输期间，当膜片钳放大器受力时，这些调整可能会无意中发生改变或丢失。而且，电位器本身可能相对昂贵或由于缺乏对这些分量的当前需求而难以采购。

因此，本发明的实施例可以通过使用数字电路系统实现补偿和其它电路的一些或全部来提供可以容易地制造的膜片钳放大器。这些数字电路可以使用分立或集成逻辑电路、诸如现场可编程门阵列或可编程逻辑阵列的可编程逻辑或其它固定或可配置逻辑电路或其组合来实现。这些数字电路可以取代可能有数个限制和不期望的特性的那些复杂的模拟电路。用数字电路系统取代这种复杂的模拟电路系统可以提供更容易制造的膜片钳放大器。此外，这些可编程逻辑电路可以由用户或制造商通过固件或软件更新来重新配置。特别是与重新配置涉及许多分离的增益电路、开关、电容器等的复杂模拟电路所需的情况相比时，这可以提供简单的重新配置。下图示出了包含这些补偿电路的测量系统的示例。

图3例示说明了根据本发明的实施例的测量系统的系统图。该测量系统可以包括探头(headstage)310、FPGA 330、微控制器340和主计算机342。在这个示例中，可以由探头310和FPGA 330来实现诸如放大器110的放大器。

在这个系统中，FPGA 330可以向数模转换器326提供数字函数。数模转换器326可以将数字信号转换为模拟COMMAND信号。在本发明的这个和其它实施例中，数字函数和所得COMMAND信号可以是阶跃、脉冲、正弦波、斜坡、锯齿、三角波或其它不同或任意形状的函数。可以在放大器312的非反相输入处接收模拟COMMAND信号。放大器312可以被配置为跨阻放大器。放大器312可以驱动电压V1，使得其等于模拟命令信号。可以经由移液器120将电压V1施加到膜140。所得电流I1可以通过反馈阻抗ZF，从而生成电压VHS。可以通过模数转换器324将电压VHS转换成数字信号并将其提供给FPGA 330。

同样，寄生分量可能会降低细胞看到的信号V1的质量。相应地，FPGA 330可以提供预补偿的V1，使得由细胞看到的实际V1是期望的波形。而且，这个测量系统中的寄生分量可能会创建电流。这些电流可以由本发明的实施例补偿。在这个示例中，FPGA 330可以经由数模转换器320向电容器CPC提供移液器补偿信号VPC。相对于V1施加在电容器CPC处的电压可以生成电流以补偿由移液器电容CP生成的电流。类似地，FPGA 330可以经由数模转换器322将全细胞补偿信号VWC提供给电容器CWCC。相对于V1施加在电容器CWCC处的电压可以生成电流以补偿由样品140的膜电容生成的电流。

在这个示例中，FPGA 330可以由微控制器340控制。微控制器340可以用于在启动、复位或其它适当的时间将配置数据加载到FPGA 330中。微控制器340还可以用于将增益设置、常数或其它变量或值传送给FPGA 330。

主计算机342可以给测量系统提供用户界面。在具体示例中，用户可以使用图形用户界面将滤波器的带宽输入到主计算机342中。微控制器340可以从主机获取带宽值并计算所需的滤波器常数。滤波器常数然后可以从微控制器340被发送到FPGA 330，然后FPGA 330可以配置滤波器。

在这些示例中，可以使用模数转换器和数模转换器来转换探头电路与一个或多个补偿电路和其它电路之间的信号。这些转换器可以位于接近探头，以减少模拟信号线路上的噪声耦合。在具体示例中，探头310和转换器320-326在移液器120和样品140附近的第一箱体中或第一板上，而FPGA 330在第二远程箱体中或第二远程板上，其中一个或者多个电缆在两者之间传递数字信息。

在这个示例中，各种补偿路径可以被包括在FPGA 330中。在其它框图中，它们可以被示出为不同的电路。下图示出了示例。

图4例示说明了根据本发明的实施例的测量系统的另一系统图。在这个示例中，可以使用探头410、波形生成器420、串联电阻校正和预测430以及移液器补偿和全细胞补偿440来实现诸如放大器110的放大器。在本发明的各种实施例中，可以使用FPGA或其它可编程电路系统(例如FPGA 330)来实现波形生成器420、串联电阻校正和预测430以及移液器补偿和全细胞补偿440。

波形生成器420可以生成要施加到细胞膜的阶跃或其它函数VWF。同样，寄生分量可能会在生成的阶跃或其它函数到达细胞前降低它们的质量。因此，串联电阻校正和预测电路430可以调整该阶跃或其它函数VWF并生成COMMAND信号，COMMAND信号可以提供给探头410。

更具体地说，细胞可以看到与电阻器RS和RM并联的电容CM。由于膜的电阻RM可能较大，因此该并联组合可以简化为电容CM和电阻RS。这些分量可能有效地在细胞膜处创建时间常数，这可能具有使施加到细胞的阶跃或其它函数的前沿滚降的效果。为了补偿该滚降，可以通过串联电阻校正和预测电路系统430将提升或过冲添加到由波形生成器420生成的波形VWF中以生成COMMAND信号。

可以由探头410接收COMMAND信号，探头410可以接着生成到细胞的输入电压V1。阶跃波形V1可以生成通过移液器电容CP的电流。为了补偿通过电容CP的电流，移液器补偿和全细胞补偿440可以接收COMMAND信号和来自波形生成器420的阶跃函数VWF，并且在电容器CPC处生成电压VPC。类似地，细胞处施加的电压可以生成通过电容器CM的电流。为了补偿电容器CM中的电流，移液器补偿和全细胞补偿440也可以向电容器CWCC提供电压VWC。所得电流可以有助于减少或消除膜电容CM中的电流。

在该具体示例中，由于COMMAND信号以其它方式添加到输出信号VHS，所以探头410中的第二放大器412可以用于从放大器312的输出减除命令信号。在本发明的其它实施例中，例如可以在FPGA 330中数字地实现该减除功能。

图5例示说明了根据本发明的实施例的测量系统的另一系统图。在这个示例中，移液器补偿540和全细胞补偿550被示出为分离的电路。还包括频率提升560以及输出信号调节和泄漏减除570。在该示例中，可以使用探头510、波形生成器520、串联电阻校正和预测530、移液器补偿540、全细胞补偿550、频率提升560以及输出信号调节和泄漏减除570来实现诸如放大器110的放大器。在本发明的一个实施例中，可以使用诸如FPGA 330之类的数字电路系统来实现除探头510以外的这些电路。

如前所述，波形生成器520可以生成阶跃或其它函数VWF。可以通过串联电阻校正和预测530来接收波形VWF。串联电阻校正和预测530可以生成可以由探头510接收的COMMAND信号。探头510可以接收COMMAND信号并生成电压V1。电压V1可以施加到细胞，得到所得电流I1。电流I1可以流过反馈阻抗ZF，从而生成输出电压VHS。输出信号VHS可以通过频率提升560来放大以生成信号VBOOST。VBOOST信号可以被串联电阻校正和预测电路530接收。

移液器补偿540可以使用COMMAND信号来提供电压VPC。电压VPC可以生成可以至少减小或消除移液器电容CP中的电流的通过电容器CPC的电流。COMMAND信号还可以被提供给全细胞补偿550，全细胞补偿550还可以从波形生成器520接收输出VWF。全细胞补偿550可以生成电压VWC，电压VWC可以被施加到电容器CWCC。电压VWC可以在电容器CWCC中生成电流，该电流可以至少减小或补偿由膜处的电容CM生成的电流。

输出信号调节和泄漏减除570可以从频率提升560接收输出信号VBOOST并且可以对VBOOST进行滤波并将其提供为输出VOUT。输出信号调节和泄漏减除570还可以接收波形生成器520的输出并且可以补偿由串联电阻RS和细胞膜电阻RM的组合形成的泄漏路径。

如上所示，可以符合本发明的实施例的使用用于探头的各种配置。下图示出了示例。

图6例示说明了根据本发明的实施例的探头。如前所述，探头410可以接收COMMAND信号。这个COMMAND信号可以是具有过冲的阶跃或其它函数，其中过冲已被调整以补偿细胞样品处的RC时间常数。可以在放大器312的非反相输入处接收COMMAND信号。放大器312可以驱动电压V1以跟踪COMMAND信号。V1可以被细胞接收并且可以生成电流11。电流I1可以流过反馈阻抗ZF以在放大器412的非反相输入处创建信号。放大器412可以被配置为从所得电压中减除COMMAND信号并提供输出信号VHS。

移液器补偿路径可以向电容器CPC提供电压VPC，电容器CPC可以创建电流以补偿在移液器电容CP中流动的电流。全细胞补偿路径可以向电容器CWCC提供电压VWC，电容器CWCC可以创建电流以补偿在细胞电容CM中流动的电流。

图7例示说明了根据本发明的实施例的另一探头。在该示例中，第二放大器412可以被省略，并且命令信号可以从输出信号VHS被数字地减除。下图示出了这样做的示例。

图8例示说明了根据本发明的实施例的探头和关联转换器的一部分。在这个示例中，数字COMMAND信号可以被数模转换器326接收。数模转换器326可以将阶跃或其它函数提供给放大器312的非反相输入。放大器312可以将V1驱动至样品140，从而生成电流I1。电流I1可以生成阻抗ZF两端的电压，在这种情况下阻抗ZF可以是电阻。可以使用模拟频率提升或高通滤波器805来提升放大器805的输出。模数转换器324可以将模拟频率提升或高通滤波器805的输出信号转换为数字信号。求和节点730可以从模数转换器324的输出中减除命令信号，由此生成探头输出电压VHS。

再次，在这个示例中，反馈阻抗ZF可以是电阻性的。在本发明的其它实施例中，反馈阻抗ZF可以是电容性的。当ZF为电容性的时，反馈电容器ZF将对电流I1进行积分。为了提供输出电压，可以使用数字频率提升。下图示出了示例。

图9例示说明了根据本发明的实施例的探头和关联转换器的一部分。同样，COMMAND信号可以由数模转换器326接收。数模转换器326可以向放大器312的非反相输入提供阶跃或其它函数。放大器312可以驱动电压V1以遵循该阶跃或其它函数，由此生成电流I1。电流I1可以对作为反馈阻抗ZF的电容器进行充电，由此生成可以由模数转换器324转换的电压。可以在求和节点730处从模数转换器324的输出中减除命令信号。求和节点730的输出可以通过数字频率提升或高通滤波器810来区分以提供输出信号VHS。

图10例示说明了根据本发明的实施例的另一探头。在这个示例中，反馈分量ZF可以是电阻性的。如前所述，数模转换器326可以接收COMMAND1信号。数模转换器326可以提供衰减了因子“k”的输出，这向放大器312的非反相输入提供模拟COMMAND信号。如前所述，放大器312可以驱动V1以遵循命令信号。这可以接着生成可以流过阻抗ZF的电流I1，在模拟频率提升或高通滤波器805的输入处生成电压，阻抗ZF可以是电阻性的。可以在模数转换器324的输入处接收模拟频率提升或高通滤波器805的输出。可以将命令信号除以因子“k”并从模数转换器324的输出中减除以生成上电压VHS。

在这个示例中，衰减块可以提供0.1的衰减因子。这可以允许使用更大的动态信号作为COMMAND1信号。这可以提供以下益处：可以利用更多的数模转换器326的动态范围，并且数模转换器326的量化误差可以减小10倍。

如前所述，电容器CPC和CWCC可以接收电压以分别补偿电容CP和CM中的电流。

图11例示说明了根据本发明的实施例的另一探头。在这个示例中，反馈分量ZF可以是电容性的。代替使放大器312的输出通过模拟频率提升或高通滤波器805，可以通过模数转换器324将放大器312的输出转换为数字信号。模数转换器324的输出可以与COMMAND1信号的增益部分相加，其中增益可以近似为十分之一的衰减。该衰减可以与模拟COMMAND路径中的衰减相匹配，使得经衰减的COMMAND1信号的幅度与施加到放大器312的反相输入的模拟COMMAND信号的幅度相等，但是数字形式。然后可以通过数字频率提升或高通滤波器810来提升相加值，然后将其提供作为探头的输出。

可以以各种方式实现诸如以上所示的波形生成器的电路块。下图中示出了波形生成器的示例。

图12例示说明了根据本发明的实施例的波形生成器。在本发明的各种实施例中，该波形生成器可以用作例如波形生成器520的波形生成器。该波形生成器可以包括桶形移位器(barrel shifter)1110和查找表1120。桶形移位器1110可以由启用信号EN启用并且可以由时钟信号CLOCK提供时钟。桶形移位器可以充当为查找表1120提供输入的计数器。期望的阶跃或其它波形函数值可以存储在查找表1120中。

图13例示说明了根据本发明的实施例的另一波形生成器。在这个示例中，可以使用至少两个源来生成波形。第一个是外部输入1210，其可以从外部脉冲或函数生成器接收波形。该波形可以由模数转换器1220转换并提供给低通滤波器1230。低通滤波器可以对波形电压的高频边沿进行滤波并提供输出VWF。

可以用于生成波形的第二个源是波形生成器1240。生成器1240可以将输出提供给低通滤波器1230，其可以再次提供波形输出VWF。

再次，这些波形生成器可以为细胞提供阶跃或其它函数。然而，在细胞处，该信号可以通过包括细胞的电容CM和移液器的串联电阻RS的RC时间常数来进行滤波。为了补偿这一点，可以将过冲添加到该阶跃或其它函数。这种补偿过冲可以由预测电路来执行。而且，当细胞传导电流时，可能在串联电阻RS两端生成电压。为了补偿这种电压降，可以增加阶跃或其它函数的幅度。可以由校正电路来执行该第二补偿。下图示出了可以提供两种功能的串联电阻校正和预测电路。

图14例示说明了根据本发明的实施例的串联电阻校正和预测电路。可以将串联电阻校正和预测电路用作串联电阻校正和预测530以及用作本发明的其它实施例中的其它串联电阻校正和预测电路。

可以在求和节点1310处从波形生成器接收阶跃或其它函数VWF。该波形还可以被高通滤波器1320滤波，高通滤波器1320可以生成波形生成器的过冲版本。滤波器1320的输出可以通过增益级1330并且在求和节点1310处被选择性地添加。该路径可以由开关1340禁用。由滤波器1320生成的VWF的过冲版本可以补偿细胞处的RC时间常数。

再次，当电流开始在细胞中流动时，可能在串联电阻RS两端出现电压。该电压可能会降低细胞处看到的电压。因此，本发明的实施例可以使用细胞电流的测量来增加细胞处施加的电压，使得细胞处施加的电压可以保持至少近似恒定。在该示例中，可以通过块1350调整输出信号VBOOST的增益并且通过滤波器1360对其进行滤波，输出信号VBOOST应当与细胞电流成比例。可以通过求和节点1310来添加该电压以创建命令输出信号。该路径可以由开关1370禁用。

应该注意，这里包括的每个补偿路径用于提供具有特定波形和幅度的电压。相应地，每个补偿路径可以包括滤波器和增益级。因此，预测路径可以包括滤波器1320和增益级1330，而校正路径可以包括滤波器1360和增益级1350。

串联电阻预测电路还可以用在校准例程中以确定串联电阻和细胞电容的估计值。例如，可以使用初始估计来设置滤波器1320的频率响应。这些设置可以提供用于补偿由有限带宽导致的细胞看到的时间常数的过冲信号的大小和持续时间。可以通过变化这些估计直到滤波效应无效来找到补偿串联电阻RS和细胞电容CM的滤波效应所需的补偿量。具体而言，可以找到补偿细胞时间常数所需的过冲波形的峰值幅度和时间常数。由此，可以确定串联电阻和细胞电容的估计并将其用于串联电阻预测电路和其它地方。

应该注意，串联电阻校正路径本质上是闭环的。也就是说，实时使用细胞电流的测量来调整所施加的COMMAND信号和所得V1。相比之下，预测电路是开环的，因为它接收或确定设置并使用所述设置进行反馈调整的后续测量。

再次，当输入电压施加到细胞时，电流可能在细胞电容中流动。这种电容性电流可能不合需要，并可能掩盖真正的细胞电流。因此，本发明的实施例可以包括全细胞补偿电路以补偿或至少减小该细胞电容电流。下图示出了示例。

图15例示说明了根据本发明的实施例的全细胞补偿电路。用于提供命令信号的阶跃或其它函数可以由该全细胞补偿路径接收。该信号可以被低通滤波，这实质上整合了该阶跃或其它函数。所得电压可以调整了全细胞电容与用于耦合全细胞补偿路径的输出电压的耦合电容器的比率的增益。命令信号本身然后可以被添加到该信号以生成全细胞补偿路径的输出电压。然后可以通过电容器施加输出电压，该电容器实质上取得输出电压的导数并向输入提供电流。这个电流至少可以近似消除了细胞电容所汲取的电流。

具体地，可以在低通滤波器1410处接收波形生成器输出信号VWF。可以由增益级1420接收低通滤波器1410的输出。该输出可以在求和节点1430处被添加到COMMAND信号并且被提供给数模转换器322。如上所示，数模转换器322可以生成可以被提供给电容器CWCC的波形VWC。

同样，当输入电压施加到细胞时，电流也可能在移液器电容中流动。这个电流也可能不合需要，并可能掩盖真正的细胞电流。因此，本发明的实施例可以包括移液器补偿电路以补偿或至少减小该移液器电容电流。下图示出了示例。

图16例示说明了根据本发明的实施例的移液器补偿电路。COMMAND信号可以被移液器补偿路径接收。该信号可以被低通滤波，这实质上整合了COMMAND信号。所得电压可以被调整增益，或者更具体地，被衰减。然后可以通过电容器施加输出电压，该电容器实质上取得输出电压的导数并向输入提供电流。这个电流至少可以近似消除了移液器电容所汲取的电流。

具体地说，可以由低通滤波器1510接收COMMAND信号。可以通过增益级1520调整滤波器1510的输出的增益或衰减滤波器1510的输出。增益级1520的输出可以由数模转换器320进行转换。如上所示，数模转换器320可以将输出电压VPC提供给电容器CPC。在本发明的各种实施例中，移液器电容可以更好地近似为其间具有较小的电阻的两个或三个单独的电容器。在这种情况下，可能会包含一个以上滤波器和增益级系列。在该示例中，还可以包括包含滤波器1530以及增益级1540和1550的第二滤波器和增益级。可以在求和节点1560处将这个附加级的输出与增益级1520的输出相加。在本发明的其它实施例中，为了更好地补偿移液器电容，可以包括低通滤波器和增益级的进一步串联组合。

RS作为RM的串联组合可以提供从V1到地的泄漏路径。该泄漏路径可以被补偿以减少该电流可能导致的结果误差。而且，可能需要对输出信号进行滤波。因此，本发明的实施例可以采用输出调节和泄漏减除电路。下图示出了示例。

图17例示说明了根据本发明的实施例的输出调节和泄漏减除电路。该输出调节和泄漏减除电路可以用作输出信号调节和泄漏减除电路570，或者用作本发明的其它实施例中的输出信号调节和泄漏减除电路。

在这个示例中，可以由增益块1610和1620调整波形生成器的输出VWF的增益或衰减波形生成器的输出VWF，并且在求和节点1630处将其与VBOOST相加。求和节点1630的输出可以由滤波器1640滤波，并保存到磁盘或由数模转换器1650提供作为模拟信号，或者既保存到磁盘又由数模转换器1650提供作为模拟信号。泄漏补偿路径可以由开关1660禁用。低通滤波器1640可以是贝塞尔滤波器(Bessel filter)或其它类型的滤波器。低通滤波器1640可以具有可变带宽。

在上面的示例中，电压被强制施加到细胞上并测量所得电流。再次，这可以被称为电压钳配置。在符合本发明的实施例的其它测试配置中，电流被强制施加到细胞中并且测量所得电压。这可以被称为电流钳配置。下图示出了示例。

图18例示说明了根据本发明的实施例的电流钳电路。此处示出的电路可以与上述示例中使用的电路相同，但重新连接到此新配置。例如，放大器1710可以是与放大器312相同的放大器。在本发明的具体实施例中，放大器312可以内部重新配置为使其反相和非反相输入反转。类似地，放大器1712可以是重新连接成这种新配置的放大器412。

在这种配置中，与上述示例中的电压命令相比，DAC 1724可以生成电流命令。DAC1724可以生成可以由放大器1712及其周围电阻器转换成电流的电压。也就是说，可以生成ZF两端的电压，从而生成期望的I1。然后这个I1被强制施加到输出端子中并进入细胞。然后可以测量所得电压。

具体地，可以通过模数转换器1754接收并转换命令波形。可替换地，可以从磁盘读取命令波形。所选命令波形可以是求和节点1752的输出并且可以由低通滤波器1750进行滤波。低通滤波器1750的输出可以由数模转换器1724(命令DAC)进行转换，并且被提供给放大器1712。在上面的示例中，命令DAC 1724可以是与DAC 326相同的DAC。在本发明的其它实施例中，DAC 1724和DAC 326可以是不同的DAC。这可以帮助允许从上面所示的电压钳模式到这里所示的电流钳模式中的操作的快速改变。

可以在ZF两端生成电压，ZF可以是放大器312周围的相同ZF但被重新连接。ZF两端强制施加的电压可以生成电流，该电流可以作为电流11被强制施加到求和节点中并进入细胞。所得电压可以由放大器1710缓冲，由增益块1714调整增益，并且在由低通滤波器1732滤波之前由模数转换器1726进行转换。低通滤波器1732可以与上述示例中的低通滤波器1640相同。然后可以存储滤波器1732的输出并通过数模转换器1734将其转换为可以使用示波器观察的模拟电压。

在先前的配置中，在将电压强制施加到细胞上并且测量所得电流的电压钳配置中，电容器CWC可以用于消除样品的全细胞电容。在该电流钳配置中，可能期望测量细胞的全细胞电容，所以这种消除可能不是期望的。但简单地将CWC从电路中断开可能并不可行。可以使用开关、继电器或微电子机械(MEM)开关，但是由于CWC的值较小，所引入的电容引起的误差可能会使得使用这样的分量不合意。

因此，本发明的实施例可以在数模转换器1722的输出处向CWC电容器提供信号，使得CWC两端的净电压或差分电压不改变。当CWC两端的电压在电流钳模式下不变时，没有电流流过CWC。通过这种方式，CWC电容可以实际上断开。具体地，可以由放大器1710接收输出端子处的电压并且由模拟增益块1714调整输出端子处的电压的增益。这可以通过模数转换器1726转换成数字信号。然后这可以通过数模转换器1722被重新转换为模拟信号，并且被模拟增益块1716所衰减。这可以在电容器CWC的第一端子处生成几乎复制在CWC的第二端子处的信号的电压，CWC的第二端子连接到输出端子和放大器1710的非反相输入。这样，电容器CWC两端的电压不会改变(即它具有零交流电压)，并且CWC不会向输出端子提供输入电流。在本发明的其它实施例中，可以由数模转换器1722的输入处的数字增益块取代模拟增益块1716。

可以使用被称为电容中和的技术来补偿移液器电容CP。也就是说，增益级1718和DAC 1720可以用于生成消除或中和CP的负电容。具体来说，来自ADC 1726的输出信号可以被增益块1718用0与1之间的值来调整增益并且被DAC 1720进行转换。然后，DAC 1720可以向电容CMJ提供模拟电压。电容器CMJ两端的电压阶跃再次生成进入求和节点的电流尖峰。这种电流尖峰(同样，这里的尖峰是指数衰减的电流的快速边缘)可以补偿由移液器电容CP引起的进入细胞中的电流的减缓或滚降。在重新连接到这种新配置之后，DAC 1722和1720可以是与DAC 322和320相同的DAC。

串联电阻RS可以生成与添加到实际输出电压的输入电流成比例的电压。因此，本发明的实施例可以从要补偿的输出电压中减除输入命令的一部分。具体而言，增益块1740可以生成用于生成要输入到细胞和RS的电流的电压的一部分。在求和节点1730处从ADC1726的输出中减除该电压以补偿由于RS的存在而造成的ADC 1726的输出处的电压增加。

在本发明的这个实施例中，通过增益块1718、DAC 1720、放大器1710、增益块1714和ADC 1726形成反馈环路。因此，这个环路可能会振荡。因此，本发明的实施例可以调整这些环路分量中的一个或多个的频率响应以避免振荡条件。

通过在该电流钳配置和上述电压钳配置中利用许多相同的电路，由本发明的实施例提供的测试电路可以以快速方式在两个模式之间交替。这可以允许被称为不连续电压钳的技术。这可以具有从测量中移除串联电阻RS的效果，并可以导致更可靠的系统。

在本发明的其它实施例中，可能期望向细胞提供电导。这可以用于模仿可能从相邻细胞施加到细胞或者由于其它原因的电流和电压条件。以这种方式，本发明的实施例可以模仿由邻近细胞提供的信号并测量结果。上面示出的用于电压钳电路和电流钳电路的电路系统可以被重新配置为电导钳电路，其更好地已知为动态钳电路。特别地，来自上面的放大器、DAC和滤波器、增益级以及其它电路可以与附加电路系统一起重复使用以生成时变命令信号。下图示出了这种电路。

图19例示说明了根据本发明的实施例的动态钳电路。如前所述，可以将数字命令信号提供给DAC 1724。DAC 1724可以驱动放大器1712。放大器1712可以提供等于或成比例于阻抗ZF两端的命令电压的电压，以生成进入样品的命令电流I1。所得电压可以由放大器1710缓冲，由块1714调整增益，并且由模数转换器1726转换为数字信号。模数转换器1726的输出可以通过低通滤波器1732进行滤波，并且结果可以如前所述在DAC 1734处被记录或观察。

命令电流的幅度和低通滤波器1732的输出处的所得电压可以用于确定测量的电导，命令电流的幅度是提供给DAC 1724的命令电压除以阻抗ZF的幅度。可以从存储器1910读取下一个时间点的目标电导值。可以通过比较块1920将所测量的电导与目标电导进行比较以生成比较或误差信号。误差信号可以用于由计算块1930生成命令信号的新幅度。

图20是例示说明根据本发明的实施例的动态钳电路的操作的流程图。在动作2010中，命令信号的幅度被改变。第一次通过这个环路，反馈条件可能还没有建立。因此，初始命令幅度可以从存储器中读取、基于过去的结果确定或者以其它方式确定。根据该命令信号幅度，可以在动作2020中生成进入样品的电流。可以在动作2030中测量所得电压。由此，可以在动作2040中计算测量值。

在动作2050中，可以从存储器读取目标电导值。目标电导值可以用于下一个时间点。在动作2060中可以将测量的电导值与该目标电导进行比较。根据这些值的差异，可以确定误差信号。在动作2070中可以基于误差信号确定新的命令幅度。可以在动作2080中递增时间。当环路返回到动作2010时，命令幅度可能会改变。

在本发明的各种实施例中，可以以不同的方式基于误差信号来确定新的命令幅度。在本发明的一个实施例中，命令信号的幅度改变是将测量的电导改变等于误差信号的量所需的幅度改变。在本发明的一个实施例中，这可以通过与误差信号相关的多个步骤改变命令信号来确定。

可以通过利用样品的典型电流-电压关系来确定相关性。也就是说，通过了解样品的典型电流-电压关系，可以确定需要进入细胞的电流改变多少以实现电导的期望改变的结果。对于电导中的给定误差信号，可以近似估计样品电流中所需的改变，并且可以相应地改变命令信号。

在本发明的另一个实施例中，生成命令信号的信号的时钟速率可以足够快，使得通过每个时间段递增或递减一次，命令信号的改变可以跟踪目标电导的改变。在每个时间段(可以是一个或多个FPGA时钟周期)中，当电导要增加时，命令信号可以一个一个位递增，而当电导要减小时，命令信号递减一个位。也就是说，当误差信号为正时，命令信号可以一个一个位递增，而当误差信号为负时，命令信号可以递减一个位。

在本发明的另一个实施例中，如果误差信号的大小大于第一阈值，则命令信号可以按需递增或递减两个位。这可以扩展到任何数量的阈值和任意数量的位。

已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的实施例的以上描述。其目的不是穷尽的或将本发明限制为所描述的精确形式，并且鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。实施例被选择和描述来最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其它技术人员能够以各种实施例和适合于预期的特定用途的各种修改来最佳地利用本发明。因此，可以理解的是，本发明旨在覆盖所附权利要求范围内的所有修改和等同物。

Claims (18)

1.一种电子装置，包括：

存储器，用于存储用于数字波形的信息；

数字波形生成器，用于接收存储的信息并使用所述存储的信息生成所述数字波形，其中所述数字波形生成器是同步数字硬件电路；

串联电阻补偿电路，用于接收来自所述数字波形生成器的所述数字波形并提供数字命令信号，其中所述串联电阻补偿电路是同步数字硬件电路；

第一数模转换器，用于将来自所述串联电阻补偿电路的所述数字命令信号转换为模拟命令信号；

移液器补偿和全细胞补偿电路，用于接收来自所述串联电阻补偿电路的所述数字命令信号和来自所述数字波形生成器的所述数字波形并提供数字移液器补偿信号和数字全细胞补偿信号，其中所述移液器补偿和全细胞补偿电路包括同步数字硬件电路；

第二数模转换器，用于将来自所述移液器补偿和全细胞补偿电路的所述数字移液器补偿信号转换为模拟移液器补偿信号；

第三数模转换器，用于将来自所述移液器补偿和全细胞补偿电路的所述数字全细胞补偿信号转换成模拟全细胞补偿信号；以及

第一模拟电路，用于接收所述模拟命令信号、所述模拟移液器补偿信号和所述模拟全细胞补偿信号并将模拟探头输出信号提供给第一模数转换器，

其中所述串联电阻补偿电路还接收来自所述第一模数转换器的数字探头输出信号，并且

其中在现场可编程门阵列上实现所述数字波形生成器、所述串联电阻补偿电路以及所述移液器补偿和全细胞补偿电路。

2.根据权利要求1所述的电子装置，其中所述串联电阻补偿电路实现第一算法以预测和补偿细胞的串联电阻；以及

所述移液器补偿和全细胞补偿电路实现第二算法以补偿移液器的电容并补偿所述细胞的电容。

3.根据权利要求2所述的电子装置，其中所述第一模拟电路是包含第一放大器的探头电路，所述第一放大器具有经耦合以接收所述模拟命令信号的非反相输入以及经耦合以经由第一电容器接收所述模拟移液器补偿信号并经由第二电容器接收所述模拟全细胞补偿信号的反相输入。

4.根据权利要求3所述的电子装置，进一步包括耦合在所述探头电路的所述第一放大器的反相输入与输出之间的第一阻抗。

5.根据权利要求1所述的电子装置，其中所述串联电阻补偿电路包括第一滤波器和第一增益级，并且所述移液器补偿和全细胞补偿电路包括第二滤波器和第二增益级。

6.根据权利要求1所述的电子装置，其中所述串联电阻补偿电路实现第一算法以预测和补偿细胞的串联电阻，以及所述移液器补偿和全细胞补偿电路实现第二算法以补偿移液器的电容并实现第三算法以补偿所述细胞的电容。

7.一种电子装置，包括：

存储器，用于存储用于数字波形的信息；

数字波形生成器，用于接收存储的信息并使用所述存储的信息生成所述数字波形，其中所述数字波形生成器是同步数字硬件电路；

处理电路，用于接收所述数字波形并生成数字命令信号，其中所述处理电路包括同步数字硬件电路；

第一数模转换器，用于将所述数字命令信号转换为模拟命令信号；

第一模拟电路，用于接收所述模拟命令信号并在第一端子处提供第一模拟电压，其中所述第一模拟电压生成第一模拟电流，所述第一模拟电路还用于基于所述第一模拟电流提供模拟探头输出；

第一模数转换器，用于接收所述模拟探头输出并将所述模拟探头输出数字化以生成数字探头输出；

所述处理电路用于处理所述数字探头输出并生成数字移液器补偿信号；以及

第二数模转换器，用于将所述数字移液器补偿信号转换为模拟移液器补偿信号并将所述模拟移液器补偿信号提供给所述第一端子，

其中在现场可编程门阵列上实现所述数字波形生成器和所述处理电路。

8.根据权利要求7所述的电子装置，其中所述第一端子经配置以将所述第一模拟电压提供到移液器，并且其中所述移液器与细胞接触。

9.根据权利要求7所述的电子装置，其中所述处理电路还生成数字全细胞补偿信号，并且其中所述电子装置还包括第三数模转换器以将所述数字全细胞补偿信号转换为模拟全细胞补偿信号并将所述模拟全细胞补偿信号提供给所述第一端子。

10.根据权利要求9所述的电子装置，其中所述模拟移液器补偿信号通过第一电容器被提供到所述第一端子并且所述模拟全细胞补偿信号通过第二电容器被提供到所述第一端子。

11.根据权利要求7所述的电子装置，其中所述现场可编程门阵列由微控制器控制并且其中所述微控制器由主计算机控制。

12.根据权利要求7所述的电子装置，其中所述处理电路包括：

串联电阻补偿电路，用于向所述第一数模转换器提供所述数字命令信号并用于实现第一算法以预测和补偿细胞的串联电阻；以及

移液器补偿电路，用于向所述第二数模转换器提供所述数字移液器补偿信号并用于实现第二算法以补偿移液器的电容。

13.根据权利要求9所述的电子装置，其中所述处理电路包括：

串联电阻补偿电路，用于向所述第一数模转换器提供所述数字命令信号并用于实现第一算法以预测和补偿细胞的串联电阻；

移液器补偿电路，用于向所述第二数模转换器提供所述数字移液器补偿信号并用于实现第二算法以补偿移液器的电容；以及

全细胞补偿电路，用于向所述第三数模转换器提供所述数字全细胞补偿信号并用于实现第三算法以补偿所述细胞的电容。

14.一种电子装置，包括：

第一放大器，具有耦合到第一端子的第一输入，以及第二输出；

第一阻抗，耦合在所述第一放大器的第一输入和所述第一放大器的输出之间；

第一模数转换器，具有耦合到所述第一放大器的输出的输入；

处理电路，耦合到所述第一模数转换器的输出，所述处理电路包括：

存储器，用于存储用于数字波形的信息；

数字波形生成器，用于接收存储的信息并使用所述存储的信息生成所述数字波形，其中所述数字波形生成器是同步数字硬件电路；

串联电阻补偿电路，具有用于接收所述数字波形的输入并包括第一滤波器和第一增益级，其中所述串联电阻补偿电路是同步数字硬件电路；

移液器补偿电路，具有用于接收来自所述串联电阻补偿电路的输出的输入并包括第二滤波器和第二增益级，其中所述移液器补偿电路是同步数字硬件电路；和

全细胞补偿电路，具有用于接收所述数字波形的输入并包括第三滤波器和第三增益级，其中所述全细胞补偿电路是同步数字硬件电路；

第一数模转换器，具有耦合到所述处理电路中的所述串联电阻补偿电路的输出的输入和耦合到所述第一放大器的第二输入的输出；以及

第二数模转换器，具有耦合到所述处理电路中的移液器补偿电路的输出的输入和耦合到所述第一端子的输出，

其中在现场可编程门阵列上实现所述数字波形生成器、所述串联电阻补偿电路、所述移液器补偿电路和全细胞补偿电路。

15.根据权利要求14所述的电子装置，其中所述第一放大器的第一输入是反相输入，并且所述第一放大器的第二输入是非反相输入。

16.根据权利要求15所述的电子装置，其中所述第二数模转换器的输出经由第一电容器耦合到所述第一端子。

17.根据权利要求16所述的电子装置，进一步包括第三数模转换器，所述第三数模转换器具有耦合到所述全细胞补偿电路的输出的输入，其中所述第三数模转换器的输出经由第二电容器耦合到所述第一端子。

18.根据权利要求14所述的电子装置，其中所述串联电阻补偿电路实现第一算法以预测和补偿细胞的串联电阻，所述移液器补偿电路实现第二算法以补偿移液器的电容并且所述全细胞补偿电路实现第三算法以补偿所述细胞的电容。

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