生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)中弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究--弱信號(hào)檢測(cè)調(diào)理單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(一)

生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)包括電阻抗成像優(yōu)化電極配置方案、高速高精度電阻抗測(cè)量方法、高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理方法、阻抗圖像重建方法等。高速高精度電阻抗測(cè)量方法中，信號(hào)采集系統(tǒng)的前端信號(hào)檢測(cè)調(diào)理是影響信號(hào)采集速度和精度的關(guān)鍵因素。因此，如何設(shè)計(jì)微弱信號(hào)檢測(cè)調(diào)理系統(tǒng)成為生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)的重點(diǎn)之一。

本章主要介紹微弱信號(hào)檢測(cè)調(diào)理單元的設(shè)計(jì)。包括各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)原理，給出各個(gè)模塊的實(shí)際設(shè)計(jì)電路圖。本章最后通過對(duì)PCB功能板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，達(dá)到預(yù)期的增益調(diào)理能力和共模抑制能力，說明本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路合理可行，調(diào)理單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行了有效改善。

4.1弱信號(hào)檢測(cè)調(diào)理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4.1.1系統(tǒng)要求

信號(hào)檢測(cè)調(diào)理單元是生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)的前端，所要檢測(cè)的信號(hào)是微弱信號(hào)，即弱電流信號(hào)或者弱電壓信號(hào)。由于所設(shè)計(jì)的激勵(lì)源是電壓源，因此本文所設(shè)計(jì)的調(diào)理單元是以電壓輸入的。根據(jù)生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)的特殊性，信號(hào)檢測(cè)調(diào)理單元必須滿足以下指標(biāo)：

1、系統(tǒng)輸入阻抗大于1M.

2、信號(hào)檢測(cè)功能板能檢測(cè)到mV級(jí)微弱信號(hào)。
3、信號(hào)的有效帶寬50MHz，前端處理模塊的有效帶寬應(yīng)大于250MHz.

4、調(diào)理單元的輸出信號(hào)無雜散動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到50dB以上。
5、在共模噪聲抑制方面，調(diào)理單元將信號(hào)共模抑制比提高8dB.

6、系統(tǒng)的信號(hào)增益可控方面，信號(hào)增益控制范圍達(dá)到-11.5dB至+20dB.

4.1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

由于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特殊性，傳感器的輸出信號(hào)通常都很微弱，并且淹沒在強(qiáng)噪聲背景中，因而通常需要經(jīng)過一定的預(yù)處理才能進(jìn)行有效而準(zhǔn)確的變換，這種對(duì)信號(hào)的前端調(diào)理過程稱為弱信號(hào)預(yù)處理過程，信號(hào)檢測(cè)預(yù)處理包括放大、濾波、電氣隔離以及為傳感器提供激勵(lì)電壓或者電流等。

前端調(diào)理電路的性能對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的影響，如果前置電路的信噪比、漂移和噪聲性能很差的話，那么被測(cè)信號(hào)在進(jìn)入ADC之前就會(huì)混入很大的噪聲，即便采用高精度和低噪聲的ADC也沒有意義了。

在生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)中，ADC的前端設(shè)計(jì)是重要的一環(huán)，為了保證整個(gè)模擬通道中的信號(hào)不失真地傳遞給ADC，本文主要基于以下關(guān)鍵點(diǎn)考慮弱信號(hào)檢測(cè)預(yù)處理電路的總體設(shè)計(jì)。

1、阻抗匹配。

在系統(tǒng)中，若有信號(hào)傳遞時(shí)，最好情況是由信號(hào)的發(fā)出端起，在能量損失最小的情形下，能順利傳到接收端，而且接收端將其完全吸收而不作任何反射[19]。

2、共模抑制比。

在電源激勵(lì)信號(hào)測(cè)量中，由于電極在人體表面的安放部位不同使得電極與皮膚間的接觸也不同，導(dǎo)致在放大器的輸入端有幾毫伏以上的直流電壓，加上人體表面各部位還存在一定的電位差，信號(hào)檢測(cè)放大器的輸入端總會(huì)存在比有用信號(hào)大幾十倍的直流信號(hào)，這樣就限制了共模抑制比的提高。

3、可控增益。

在系統(tǒng)中，因?yàn)楣潭ㄔ鲆鎸⑹沟么笮盘?hào)進(jìn)入非線性工作區(qū)且可能導(dǎo)致放大信號(hào)超出數(shù)據(jù)采集的量程范圍而出現(xiàn)信號(hào)被削平的現(xiàn)象，或者使得小信號(hào)放大不足，不能使放大信號(hào)達(dá)到或接近數(shù)據(jù)采集的量程范圍而產(chǎn)生較大的量化誤差。因此采用可編程增益放大器設(shè)計(jì)，使放大通道增益可控。

4、輸入失調(diào)電壓。

一般兩個(gè)輸入端電壓差為零（兩輸入端短接地）時(shí)，其輸出都不為零。如果在任意一個(gè)輸入端加上一個(gè)大小和方向合適的直流電壓，便可人為地使輸出為零，這個(gè)外加的直流電壓即運(yùn)放的失調(diào)電壓。

5、輸入噪聲。

輸入噪聲分電壓噪聲和電流噪聲。低頻范圍（生理信號(hào)）的1/f噪聲，會(huì)引起運(yùn)放工作點(diǎn)漂移；電阻、半導(dǎo)體結(jié)間噪聲受溫度、頻率影響。

由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率、分辨率、失真度以及輸入通道、輸入結(jié)構(gòu)、電源要求方面的差異，從而使設(shè)計(jì)特定的ADC前端時(shí)，必須考慮阻抗匹配、電荷注入、噪聲抑制、輸出精度和輸出驅(qū)動(dòng)能力等諸多因素。

本文設(shè)計(jì)的前端弱信號(hào)檢測(cè)預(yù)處理電路包括：衰減匹配電路、射隨、可編程增益放大、ADC前端調(diào)理電路。其系統(tǒng)框圖如圖4.1所示。

由于源端信號(hào)幅度變化范圍較大，因此設(shè)計(jì)了衰減電路；射隨電路是為了有效的實(shí)現(xiàn)源端與處理端的隔離，選用ADA4871芯片。可編程運(yùn)放實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大與衰減，可由FPGA進(jìn)行編程控制，采用TI公司的PGA870芯片。ADC前端調(diào)理采用差分方式，時(shí)鐘設(shè)計(jì)采用ICS8430芯片。

4.2弱信號(hào)檢測(cè)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

4.2.1阻抗匹配電路模塊

阻抗匹配電路設(shè)計(jì)是弱信號(hào)檢測(cè)預(yù)處理的前端設(shè)計(jì)，是整個(gè)系統(tǒng)的最前端。通過阻抗匹配電路進(jìn)行初步的調(diào)理，保證前端輸入的生物信號(hào)的完整性。由于前端電源激勵(lì)信號(hào)的輸出阻抗的不確定性，不能保證其和信號(hào)處理端信號(hào)傳輸阻抗的50Ω相匹配，因此必須在前端加入一個(gè)阻抗匹配電路使其輸入阻抗與電源激勵(lì)信號(hào)的輸出阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)輸出端與信號(hào)處理端的信號(hào)傳輸阻抗相匹配。

4.2.1.1衰減電路分析

典型的衰減匹配電路有π型電路和T型電路，如圖4.2所示。為保持輸入輸出的阻抗相等，電路呈對(duì)稱形式，因此，不管是π型還是T型衰減電路，R2和R3都取相同的值。但本系統(tǒng)中輸入阻抗不確定，而π型電路和T型電路時(shí)針對(duì)具有確定輸入阻抗的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，因此不能使用這兩種典型電路。

基于生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)特性考慮，衰減電路設(shè)計(jì)要有靈活性，能匹配一定范圍內(nèi)的輸入阻抗。設(shè)計(jì)時(shí)考慮：1、加入0電阻以備工程中調(diào)節(jié)；2、適當(dāng)增加冗余布線，以懸空不焊接的方式冗余備用；3、加入適當(dāng)?shù)碾娙?，以作為在輸入頻率變高時(shí)，電阻阻抗變化的補(bǔ)償。

4.2.1.2衰減電路設(shè)計(jì)

為解決常用衰減電路難以匹配不確定性輸入阻抗的問題，基于生物電特性和激勵(lì)信號(hào)考慮，本文設(shè)計(jì)的衰減電路如圖4.3所示。

根據(jù)激勵(lì)信號(hào)的特點(diǎn)，衰減網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗要求達(dá)到1M.本文設(shè)計(jì)的衰減電路有一定的靈活性，在電阻R 1后端串一個(gè)0的電阻R 2，以方便在工程中根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)。由于實(shí)際中電阻都有一定的寄生電容，為保證衰減通道的頻帶平坦性，電阻R 1和R 3上分別并上一個(gè)補(bǔ)償電容C 1和C 2。

該設(shè)計(jì)有如下推導(dǎo)：由于圖中C 3、R 4、C 4、R 5都不焊接，故該電路等效于C 1 //R 1串上C 2 //R 3。由頻域分析，電容阻抗為1/ jωC.于是有：

從（4.2）中可以看出，輸出與輸入保持同頻同相，這樣就達(dá)到了衰減要求和頻帶平坦性的要求。

取R 3 =400k歐，則C 2 =18pF

由于R3C2 =R1C1

所以R 1 =600k歐姆，C 1 =12pF

4.2.2射隨模塊

由于電源激勵(lì)信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度非常微弱，容易受到噪聲的污染，因此增加一級(jí)射隨電路保證信號(hào)具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，以保證不因?yàn)轵?qū)動(dòng)能力弱而使信號(hào)被衰減。

4.2.2.1射隨電路設(shè)計(jì)分析

射隨電路主要功能是保持輸入信號(hào)的幅頻特性，即保持信號(hào)幅度和頻率不變。但是在射隨前端須保證信號(hào)的完整性且信號(hào)具有較小的衰減，在射隨的輸出端與輸入端保持幅度和頻率的一致并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，因此射隨電路必須具有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗。射隨電路的設(shè)計(jì)，是基于以下考慮設(shè)計(jì)的：

1.完成射隨功能。使輸入信號(hào)通過電路保持信號(hào)完整性。
2.確保性能指標(biāo)完全實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本依據(jù)是系統(tǒng)所要達(dá)到的性能指標(biāo)，因此系統(tǒng)性能指標(biāo)需首先得到保證。如輸入阻抗大于1M等。
3.模塊設(shè)計(jì)的靈活性。電源激勵(lì)信號(hào)非常微弱，而且動(dòng)態(tài)范圍較大。場(chǎng)效應(yīng)放大電路模塊設(shè)計(jì)需具有適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)。
4.安全可靠性。有足夠的抗干擾能力，要保證在規(guī)定的工作環(huán)境下，系統(tǒng)能穩(wěn)定，可靠地工作。保證系統(tǒng)精度能符合要求。
5.信號(hào)頻率考慮。射隨電路的頻帶必須大于250MHz. 6.經(jīng)濟(jì)性原則。在遵循以上設(shè)計(jì)原則的條件下，在器件選擇上盡量以完成相同的功能的基礎(chǔ)上選擇那些價(jià)格相對(duì)來說比較低一些的器件為標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以有效地降低生產(chǎn)成本，為產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)打下良好的基礎(chǔ)。

4.2.2.2 ADA4817芯片的應(yīng)用

ADA4817是一款穩(wěn)定的單位增益放大器，它提供超高速電壓反饋，場(chǎng)效應(yīng)輸入。該放大器能獲得超低噪聲和高輸入阻抗。ADA4817輸出0.1Vpp時(shí)，信號(hào)有效帶寬1050MHz，滿足頻帶要求。

ADA4817從模擬設(shè)備上引出一條新的低失真引出線，相比于傳統(tǒng)的引出線，該低失真引出線有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。一是能改善二次諧波失真性能，它能物理隔離放大器的輸入管腳和負(fù)電接入管腳電路。二是布局簡(jiǎn)單，它能提高倒相輸入，允許緊密的布局和輕易的布局，幫助減小寄生增益和穩(wěn)定性增長(zhǎng)。

寬泛的帶寬和較低的噪聲使之成為放大器的理想選擇，特別是在高速采集信號(hào)檢測(cè)預(yù)處理的應(yīng)用。

ADA4817各管腳描述如表4.1所示：

ADA4817各參數(shù)的最大絕對(duì)定額值如表4.2所示：

4.2.2.3射隨放大電路設(shè)計(jì)

場(chǎng)效應(yīng)放大器廣泛用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，射隨電路采用ADA4817芯片。本文設(shè)計(jì)該電路主要完成射隨電路功能。

射隨電路設(shè)計(jì)方案如圖4.4所示。