CN109001278B - 微电极放大器自动负电容补偿方法 - Google Patents

微电极放大器自动负电容补偿方法 Download PDF

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Abstract

微电极放大器自动负电容补偿方法，包括如下步骤：通过微电极放大器电路获取采样率、极阻、获取分布电容；计算补偿系数；模数转换器采集新样点并存储为；判断是否成功采集到新样数据，若是，则获取采样数据值，根据负电容补偿公式计算负电容补偿值；保存当前样点，并通过数字接口输出负电容补偿后的信号。本发明能够降低电路干扰与信号失真造成的误差，通过方法实现负电容补偿。

Description

微电极放大器自动负电容补偿方法
技术领域
本发明属于生物仪器技术领域，尤其涉及微电极放大器自动负电容补偿方法。
背景技术
微电极是指尖端很细的电极探针。它可以用于胞内测量，也可以用于胞外测量。对于细胞内测量，通常采用玻璃微电极，内部灌注盐溶液(如饱和的KCL或NaCL)，与电极夹持器的金属接触点之间构成盐桥，从而构成电路的一部分。玻璃微电极尖端用特制仪器拉制得非常细(直径一般不超过1μm)，这样细的针尖刺入植物细胞膜后，质膜很快就能够在针尖刺入处愈合，从而避免细胞膜受到破坏，且容易获得一个比较稳定的膜电势差。
最简单的玻璃微电极可用来测量细胞膜内外的电势差。这时需要两个电极，一个是测量电极(该测量电极的电阻简称“极阻”)，尖端细小，插入细胞内，另一个是参比电极，尖端稍大，安放在细胞外。两电极间的电势差由静电计测量，经放大器放大后由记录仪记录。
由于微电极系统功能上的复杂性，因此此类的品的系统结构复杂，操作复杂，且性能不稳定，生产工艺繁多且对电子器件的要求高价格高，存在较由于电子器件的误及温漂引入的测量误差。
由于无论ADC或是DAC，电路都存在电路噪声(包括电路系统噪声和外部干扰)，也就是说对于同一电路其先后两次的二分法求解都会是不同的结果。由于外部干扰的存在，会造成二分法求解的过程会进入到死循环分支，造成程序假死的情况。例在如下信号输入的情况下，其线本身就是变化的，很可能使一般的二分法死循环。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出微电极放大器自动负电容补偿方法。
微电极放大器自动负电容补偿方法，包括如下步骤：
S1：通过微电极放大器电路获取采样率T、极阻R、获取分布电容C；
S2：计算补偿系数K；
S3：ADC采集新样点并存储为X(n-1)；
S4：判断是否成功采集到新样数据，若是，则获取采样数据值X(N)，执行S5；若否，则重复S4；
S5：根据负电容补偿公式计算负电容补偿值Y(n)；
S6:保存当前样点，并通过数字接口输出负电容补偿后的信号。
进一步的，所述负电容补偿公式为：
Figure BDA0001700516350000021
(n>＝2)T为采样率，R为微电极电阻，C为分布电容，X(n-1)为前一模数采样值，X(n)为新模数采样值。
进一步的，所述微电极放大器电路包括微电极输入电路、采样电阻、信号跟随器、第一信号调理电路、第二信号调理电路、第三信号调理电路、第四信号调理电路、加法器、第一数模转换单元、第二数模转换单元、第三数模转换单元、模数转换单元、处理器、单刀开关、接口单元；所述接口单元包括用于回零信号输出的回零输出接口、用于补偿后的信号输出的输出接口、用于极阻值输出的数字接口。
所述采样电阻第一端接单刀双掷开关静触点；所述采样电阻第二端、微电极输入电路输出端与信号跟随电路输入端相连；所述信号跟随电路输出端与单刀开关第一动触点、加法器第一输入端相连。
所述加法器输出端接微电极放大器系统回零输出接口、第二信号调理电路输入端；第二信号调理电路输出端通过模数转换单元与处理器相连，用于回零输出信号的量化采集；
所述处理器第一输出端通过第一数模转换单元与第一信号调理电路输入端；第一信号调理电路输出端与加法器第二输入端相连。
所述处理器第二输出端通过第二模数转换单元与第三信号处理电路输入端相连，第三信号调理电路输出端与单刀开关第二动触点相连，用于与预设激励信号叠加。
所述处理器第三输出端通过第三数模转换单元与第四信号调理电路输入端相连；第四信号调理电路输出端接输出接口单元。
进一步的，所述数字接口包括依次相连的数模转换单元、信号调理电路、输出接口。
本发明的有益效果在于：降低电路干扰与信号失真造成的误差，实现负电容补偿。
附图说明
图1是微电极放大器自动负电容补偿方法的流程图；
图2是原始信号失真与还原示意图；
图3是微电极放大器电路图。
具体实施方式
为使发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供微电极放大器自动负电容补偿方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：S1：通过微电极放大器电路获取采样率T、极阻R、获取分布电容C；S2：计算补偿系数K；S3：模数转换器采集新样点并存储为X(n-1)；S4：判断是否成功采集到新样数据，若是，则获取采样数据值X(N)，执行S5；若否，则重复S4；S5：根据负电容补偿公式计算负电容补偿值Y(n)；S6：保存当前样点，并通过数字接口输出负电容补偿后的信号。
如图3所示，微电极放大器电路包括微电极输入电路、采样电阻、信号跟随器、第一信号调理电路、第二信号调理电路、第三信号调理电路、第四信号调理电路、加法器、第一数模转换单元、第二数模转换单元、第三数模转换单元、模数转换单元、处理器、单刀开关、接口单元；所述接口单元包括用于回零信号输出的回零输出接口、用于补偿后的信号输出的输出接口、用于极阻值输出的数字接口。
所述采样电阻第一端接单刀双掷开关静触点；所述采样电阻第二端、微电极输入电路输出端与信号跟随电路输入端相连；所述信号跟随电路输出端与单刀开关第一动触点、加法器第一输入端相连。加法器输出端接微电极放大器系统回零输出接口、第二信号调理电路输入端；第二信号调理电路输出端通过模数转换单元与处理器相连，用于回零输出信号的量化采集。处理器第一输出端通过第一数模转换单元与第一信号调理电路输入端；第一信号调理电路输出端与加法器第二输入端相连。处理器第二输出端通过第二模数转换单元与第三信号处理电路输入端相连，第三信号调理电路输出端与单刀开关第二动触点相连。处理器第三输出端通过第三数模转换单元与第四信号调理电路输入端相连；第四信号调理电路输出端接输出接口单元。
第一信号调理电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一运算放大器、第一电容、第二电容、第一电源；所述第一电阻第一端与第一数模转换电路输出端相连；第一电阻第二端接第一运算放大器同向输入端、第一电容第一端；所述第一电容第二端接地；所述第二电阻第一端接第一数模转换电路参考电压输出端，所述第二电阻第二端接第一运算放大器反向输入端、第三电阻第一端、第二电容第一端；所述第三电阻第二端、第二电容第二端接第一运算放大器输出端、信号调理电路输出端。
第二信号调理电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第三电容、第二运算放大器；第二信号调理电路参考电压输入端通过第四电阻分别与第二运算放大器同向输入端、第八电阻第一端、第三电容第一端相连；所述第八电阻第二端、第三电容第二端接地；所述加法器输出端通过第六电阻接第二运算放大器反向输入端、第七电阻第一端；所述第七电阻第二端接第二运算放大器输出端、模数转换单元输入端。
第三信号调理电路包括第八电阻、第九电阻、第十电阻、第三运算放大器、第四电容、第五电容；所述第二数模转换电路输出端通过第八电阻接第八电阻接第四电容第一端、第三运算放大器同向输入端；所述第四电容第二端接地；第三信号调理电路参考电压输入端通过第九电阻接第三运算放大器反向输入端、第十电阻第一端、第五电容第一端；所述第十电阻第二端、第五电容第二端接第三运算放大器输出端；所述第三运算放大器输出端接单刀开关第二动触点相连。第四信号调理电路采用与第一信号调理电路相同电路。
单刀双置开关置于a端，此时为正常的采集模式，当需要进行信号采集时需要保持在此状态。经过第二信号调理电路后，信号变为ADC可以正常采集的信号，在MCU采集器中将得到的信号经过“负电容补偿方法”即可通过数字接口将负电容补偿后的最终信号输出。
如图2所示，负电容补偿方法的根本是要补偿由于极阻与分布电容构成的RC失真，所引起的高频损失。用户随时会更换耗材，其电阻会随应用在1M欧姆到50M欧姆甚至更大的区间内变化。通过测量得到的极阻与测量得到的分布电容作为参数，利用其逆向传递函数进行信号的逆向还原。对各频点上被衰减的幅度进行合补偿。还原后的信号V3会近似于V1信号。
Figure BDA0001700516350000041
即：
Figure BDA0001700516350000042
设V3＝V2×K；V3＝V1，则补偿系数K＝RCs+1，(s＝jw)。利用z变换：
Figure BDA0001700516350000043
T为采样率，代入S域传递函数中。通过z变换把s域的传递函数转化成时域的差分方程，得出负电容补偿公式：
Figure BDA0001700516350000044
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

Claims (3)

1.微电极放大器自动负电容补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过微电极放大器电路获取采样率T、极阻R、获取分布电容C；
S2：计算补偿系数K；
S3：模数转换器采集前一模数采样值并存储为X(n-1)；
S4：判断是否成功采集到前一模数采样值，若是，则获取新模数采样值X(n)，执行步骤S5；若否，则重复步骤S4；
S5：根据负电容补偿公式计算负电容补偿值Y(n)；
S6:保存当前样点，并通过数字接口输出负电容补偿后的信号；
其中，所述负电容补偿公式为：
Figure FDA0002693171500000011
T为采样率，R为极阻 ，C为分布电容，X(n-1)为前一模数采样值，X(n)为新模数采样值。
2.根据权利要求1所述微电极放大器自动负电容补偿方法，其特征在于，所述微电极放大器电路包括微电极输入电路、采样电阻、信号跟随器、第一信号调理电路、第二信号调理电路、第三信号调理电路、第四信号调理电路、加法器、第一数模转换单元、第二数模转换单元、第三数模转换单元、模数转换单元、处理器、单刀开关、接口单元；所述接口单元包括用于回零信号输出的回零输出接口、用于补偿后的信号输出的输出接口、用于极阻值输出的数字接口；
所述采样电阻第一端接单刀开关静触点；所述采样电阻第二端、微电极输入电路输出端与信号跟随器输入端相连；所述信号跟随器输出端与单刀开关第一动触点、加法器第一输入端相连；
所述加法器输出端接微电极放大器系统回零输出接口、第二信号调理电路输入端；第二信号调理电路输出端通过模数转换单元与处理器相连，用于回零输出信号的量化采集；
所述处理器第一输出端通过第一数模转换单元与第一信号调理电路输入端相连 ；第一信号调理电路输出端与加法器第二输入端相连；
所述处理器第二输出端通过第二数模转换单元与第三信号调理电路输入端相连，第三信号调理电路输出端与单刀开关第二动触点相连，用于与预设激励信号叠加；
所述处理器第三输出端通过第三数模转换单元与第四信号调理电路输入端相连；第四信号调理电路输出端接补偿后的信号输出的输出接口。
3.根据权利要求1所述微电极放大器自动负电容补偿方法，其特征在于，所述数字接口包括依次相连的数模转换单元、信号调理电路、输出接口。
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