用于醫(yī)療的幅相測量電路的實(shí)現(xiàn)

 研究證明，神經(jīng)肌肉疾病患者的局部阻抗幅值和相位較正常人有所變化，通過測量神經(jīng)肌肉疾病患者的局部阻抗參數(shù)可定量分析其病情的發(fā)展情況[1，2]。在局部阻抗信息提取的過程中，幅相測量是整個(gè)評估系統(tǒng)的關(guān)鍵。幅相測量的設(shè)計(jì)方法有多種，普遍采用的是相敏解調(diào)原理[3，4]，該方法不僅需要分別設(shè)計(jì)幅相測量電路，還要精確控制兩路信號(hào)的相位和幅值，增加了設(shè)計(jì)難度和電路的復(fù)雜性。ADI公司AD8302芯片的推出，為相位和幅度測量帶來了很大方便，越來越多地被應(yīng)用到鑒相、鑒幅領(lǐng)域[5，6]，它是首款能同時(shí)測量相位和幅值的單片集成芯片，使電路設(shè)計(jì)簡潔易行。

　　本文依據(jù)神經(jīng)肌肉疾病評估系統(tǒng)功能需求，設(shè)計(jì)了基于AD8302的幅相測量電路，給出了電路原理圖，詳細(xì)論述了在50 kHz頻率下，電路的設(shè)計(jì)方法，并分析驗(yàn)證了電路的輸出性能，通過與額定值的比較，驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與精確度大小。

　　1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
 

　　神經(jīng)肌肉疾病評估系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖1所示。MCU通過串行端口SPI控制直接數(shù)字頻率合成器(DDS)產(chǎn)生正弦交流激勵(lì)信號(hào)(本文采用阻抗最為敏感的50 kHz頻率)，通過電極作用于患者的局部區(qū)域，同時(shí)提取出含有阻抗信息的測量信號(hào)，幅相測量電路作為神經(jīng)肌肉疾病評估系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，提取測量信號(hào)的幅值和相位信息，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，最后結(jié)果送入MCU進(jìn)行處理和顯示。

　　2 基于AD8302的幅相測量電路原理與設(shè)計(jì)

　　2.1 AD8302測量特點(diǎn)[7]

　　AD8302是ADI公司推出的一款完全單片集成的RF IC，可同時(shí)測量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)的兩個(gè)獨(dú)立輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差。它內(nèi)置兩個(gè)精密匹配的寬帶對數(shù)放大器、一個(gè)寬帶線性乘法器/鑒相器、1.8 V精密參考電壓源，以及模擬輸出比例運(yùn)算電路。輸出可提供在±30 dB的范圍內(nèi)的幅度測量，斜率為30 mV/dB;相位測量范圍為0～180°，斜率為10 mV/度。當(dāng)AD8302工作在默認(rèn)的測量模式下，幅度比和相位差測量在低頻時(shí)的表達(dá)為：

　　幅度比、相位差的理想輸出特性曲線如圖2、圖3所示。

　　2.2 幅相測量電路設(shè)計(jì)

　　AD8302主要有測量、控制和電平比較3種工作方式，本文用其測量模式，接口電路如圖4所示。

　　當(dāng)芯片的輸出引腳Vmag和Vphs直接與芯片反饋設(shè)置輸入端MSET和PSET相連時(shí)，芯片測量模式即工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上。其中R1、R2為AD8302提供50 Ω的匹配阻抗，C1、C4、C5、C6為輸入信號(hào)的耦合電容，記為Cc，C2、C8對輸出的直流電壓起到濾波的作用。在設(shè)計(jì)過程中，為了方便驗(yàn)證幅相測量電路的可靠性，本文采用兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)不同大小的電壓信號(hào)，且大小都在AD8302允許的輸入范圍內(nèi)，將兩個(gè)信號(hào)分別與VINA和VINB引腳相連，改變兩個(gè)引腳輸入信號(hào)的大小，得到不同的幅度比，以不同的直流電壓信號(hào)形式從Vmag輸出。相位測量時(shí)，測量電路如圖5所示。

　　節(jié)點(diǎn)1的電勢為V1，設(shè)節(jié)點(diǎn)2的電勢為V2，則：

　　雖然數(shù)據(jù)手冊中介紹AD8302測量信號(hào)范圍是低頻到2.7 GHz，也對應(yīng)給出了接口電路中各元件的參考值，其中Cc=1 nF，但是數(shù)據(jù)手冊上的測量信號(hào)一般都在900 MHz以上，這在輸入信號(hào)頻率低至50 kHz時(shí)并不適用。圖6為Cc=1 nF，50 kHz正弦交流信號(hào)輸入時(shí)，利用上述驗(yàn)證方法得出的AD8302幅值和相位的輸出特性曲線，從圖6中可以看出，測量值與理論值相差較大。

　　AD8302內(nèi)部兩個(gè)解調(diào)對數(shù)放大器負(fù)責(zé)檢測接收信號(hào)，能夠準(zhǔn)確檢測到的最低頻率主要是由INPA和OFSA以及INPB和OFSB兩對引腳上的匹配網(wǎng)絡(luò)上的高通轉(zhuǎn)折頻率決定的[8]，它們的關(guān)系可表示為：

　　其中R=R1=R2=51 Ω。設(shè)高通轉(zhuǎn)折頻率fmin為3.12 kHz，則Cc=1 μF，這使得在頻率低至50 kHz時(shí)，輸入信號(hào)基本保持完好。同時(shí)提高C2、C8的值以減小Vmag和Vphs兩引腳輸出的直流電壓的波紋，具體參數(shù)值如表1所示。

　　3 幅相測量電路的性能分析

　　針對AD8302輸出響應(yīng)的“線性”特征，本文用斜率和截距來描述幅相測量電路的性能。通過對實(shí)際檢測到的輸出電壓與輸入信號(hào)關(guān)系曲線的中段最線性部分執(zhí)行線性回歸運(yùn)算來確定斜率和截距兩個(gè)值，斜率用mV/dB或mV/°表示，截距為回歸直線外延與水平軸的交點(diǎn)。然后將測量得到的各個(gè)電壓值與線性回歸運(yùn)算所預(yù)測到的電壓值進(jìn)行比較，來確定電路的法則一致性。其中，線性回歸運(yùn)算采用最小二乘估計(jì)法[9]。

 分析結(jié)果(f=50 kHz)如表2、表3所示，通過對比AD8302的額定斜率和截距可知設(shè)計(jì)電路的性能與額定值比較接近。

　　幅值、相位測量輸出和法則一致性分別如圖7和圖8所示。從輸出特性曲線上看，測量值與理論值基本吻合;由法則一致性分析得到，在±20 dB范圍內(nèi)，幅值測量精度在±0.5 dB以內(nèi)，在±90°范圍內(nèi)，相位測量精度為小于±0.9°。

　　本文利用AD8302單片集成特性設(shè)計(jì)的幅相測量電路結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、有利于便攜式生物儀器的使用。同時(shí)本文設(shè)計(jì)的幅相測量電路克服了神經(jīng)肌肉疾病評估系統(tǒng)中鑒相、鑒幅的難題，在一定的測量范圍內(nèi)，幅相測量精度分別在±0.5 dB和±0.9°以內(nèi)，為整個(gè)系統(tǒng)的精確性測量打下了良好的基礎(chǔ)。