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多功能细胞生理自动分析仪电路设计

作　者: 朱斯
导　师: 王平
学　校: 浙江大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 细胞传感器集成芯片微弱信号检测锁相放大器
分类号: TP212.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本论文主要论述了基于实验室自主研究的胞外电生理监测集成芯片的多功能细胞生理自动分析仪的硬件设计与固件编写。我们的仪器需要对微电极阵列传感器(microelectrode array,MEA),光寻址电位传感器(light-addressable potemiometric sensor,LAPS)和叉指型细胞-阻抗传感器(interdigitated sensor,IDA)三种传感器的输出信号进行检测。由于细胞输出的生理电信号十分微弱,在检测中采用了锁相放大技术来完成微弱电流的检测,仪器中分别采用了模拟锁相和ASIC+MCU的数字锁相放大技术。LAPS传感器电路检测主要采用了模拟锁相放大。在模拟锁相放大器中,我们采用了DDS技术来完成了频率可调高精度双路正交信号源。采用低偏置电流运放构成微电流采样系统,并分析了微弱电流采样技术。对于锁相放大器的核心部分——相敏检测电路使用高精度调制解调器完成乘法解调后利用低通滤波器滤出所需的直流信号。然后使用以高精度的Σ-△ADC来完成信号由模拟到数字的转换。最后通过单片机将采集到的数据通过串口或者USB接口发送给上位机分析和显示,上位机也可通过串口或USB接口对单片机发送控制命令,设置刺激频率范围,频率步进等。对于LAPS传感器的输出检测我们还设计了专门的由高性能DAC和高速大电流缓冲放大器组成偏压稍描电路。在又指型细胞-阻抗传感器信号检测中采用了ASIC+MCU的数字锁相放大技术。以ADI公司的AD5933集成阻抗转换芯片为核心,结合细胞-阻抗传感器需要微弱电压刺激的特点设计了专门的电压衰减电路。对于信号的放大则采用了与LAPS电路相似的微弱电流采样技术。MCU采用了TI公司生产的MSP430单片机来完成整个系统的控制及与PC机的通讯。系统的固件编写采用了μC/OS-Ⅱ实时操作系统,在其基础上完成了DDS、ADC、DAC等外围器件的驱动编写和多任务下整个系统的数据采集、传送、通讯工作。最后完成对了硬件系统的测试,结果表明达到了系统要求指标。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
目次  8-10
1 第一章绪论  10-12
  1.1 细胞传感器简介  10
  1.2 细胞传感器发展状况  10-12
2 第二章多功能细胞生理参数自动分析仪介绍  12-16
  2.1 细胞生理检测集成芯片  12-13
  2.2 基于集成芯片的多功能细胞生理参数分析仪器  13-14
  2.3 课题任务和论文工作  14-16
3 第三章 LAPS检测系统  16-59
  3.1 光寻址电位传感器简介  16-19
    3.1.1 LAPS在生物信号测量中的应用  17-19
  3.2 LAPS检测系统电路设计  19-45
    3.2.1 锁相放大器简介  19-20
    3.2.2 锁相放大器工作原理及分类  20-22
    3.2.3 系统主控单元  22-25
    3.2.4 信号发生器  25-31
    3.2.5 低通滤波  31-34
    3.2.6 常用I-V转换电路  34-38
    3.2.7 电压信号放大  38-40
    3.2.8 相敏检测和低通滤波  40-42
    3.2.9 ADC采集电路设计  42-44
    3.2.10 偏压扫描电路  44-45
  3.3 通讯电路设计  45-53
    3.3.1 串口通讯  46
    3.3.2 USB通讯  46-53
  3.4 系统固件设计  53-59
    3.4.1 前后台软件设计方法的弊端  53
    3.4.2 μC/OS-II简介  53-55
    3.4.3 μC/OS-II多任务调度实现机制分析  55-57
    3.4.4 基于μC/OS-II的系统固件设计  57-59
4 第四章 ECIS检测系统  59-74
  4.1 ECIS系统简介  59
  4.2 ECIS测量原理  59-62
    4.2.1 细胞膜等效模型  60-62
  4.3 ECIS检测电路设计  62-74
    4.3.1 AD5933芯片简介  62-64
    4.3.2 AD5933纯数字化带来的问题  64-66
    4.3.3 AD5933应用电路  66-67
    4.3.4 衰减及输出偏置电路设计  67-69
    4.3.5 输入偏置电路  69-70
    4.3.6 AD5933程控操作  70-74
5 第五章系统性能测试  74-89
  5.1 LAPS系统测试  74-80
    5.1.1 DDS频率输出精度  74-75
    5.1.2 锁相放大器性能测试  75-76
    5.1.3 偏压的稳定性测试  76-78
    5.1.4 LAPS传感器特性测试  78-80
  5.2 ECIS系统测试  80-89
    5.2.1 纯电阻测试  80-82
    5.2.3 阻容网络测试  82-85
    5.2.4 系统稳定性测试  85-86
    5.2.5 IDA传感器特性测试  86-89
6 第六章总结与展望  89-91
  6.1 总结  89-90
  6.2 展望  90-91
参考文献  91-94
作者简历  94

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