生物电阻抗测量系统中弱信号检测技术研究--弱信号检测调理单元设计与实现(一)

admin

生物电阻抗测量系统包括电阻抗成像优化电极配置方案、高速高精度电阻抗测量方法、高速数据实时处理方法、阻抗图像重建方法等。高速高精度电阻抗测量方法中，信号采集系统的前端信号检测调理是影响信号采集速度和精度的关键因素。因此，如何设计微弱信号检测调理系统成为生物电阻抗测量系统的重点之一。
       
        本章主要介绍微弱信号检测调理单元的设计。包括各个模块的设计思想和设计原理，给出各个模块的实际设计电路图。本章最后通过对PCB功能板进行实验测试，达到预期的增益调理能力和共模抑制能力，说明本文设计的检测电路合理可行，调理单元对信号进行了有效改善。
       
        4.1弱信号检测调理系统总体设计
        4.1.1系统要求
        信号检测调理单元是生物电阻抗测量系统的前端，所要检测的信号是微弱信号，即弱电流信号或者弱电压信号。由于所设计的激励源是电压源，因此本文所设计的调理单元是以电压输入的。根据生物电阻抗测量系统的特殊性，信号检测调理单元必须满足以下指标：
         
        1、系统输入阻抗大于1M.
        2、信号检测功能板能检测到mV级微弱信号。
        3、信号的有效带宽50MHz，前端处理模块的有效带宽应大于250MHz.
        4、调理单元的输出信号无杂散动态范围达到50dB以上。
        5、在共模噪声抑制方面，调理单元将信号共模抑制比提高8dB.
        6、系统的信号增益可控方面，信号增益控制范围达到-11.5dB至+20dB.
         
        4.1.2系统总体设计
        由于生物医学信号的特殊性，传感器的输出信号通常都很微弱，并且淹没在强噪声背景中，因而通常需要经过一定的预处理才能进行有效而准确的变换，这种对信号的前端调理过程称为弱信号预处理过程，信号检测预处理包括放大、滤波、电气隔离以及为传感器提供激励电压或者电流等。
       
        前端调理电路的性能对整个测量系统的性能有着至关重要的影响，如果前置电路的信噪比、漂移和噪声性能很差的话，那么被测信号在进入ADC之前就会混入很大的噪声，即便采用高精度和低噪声的ADC也没有意义了。
       
        在生物电阻抗测量系统中，ADC的前端设计是重要的一环，为了保证整个模拟通道中的信号不失真地传递给ADC，本文主要基于以下关键点考虑弱信号检测预处理电路的总体设计。
       
        1、阻抗匹配。
        在系统中，若有信号传递时，最好情况是由信号的发出端起，在能量损失最小的情形下，能顺利传到接收端，而且接收端将其完全吸收而不作任何反射[19]。
       
        2、共模抑制比。
        在电源激励信号测量中，由于电极在人体表面的安放部位不同使得电极与皮肤间的接触也不同，导致在放大器的输入端有几毫伏以上的直流电压，加上人体表面各部位还存在一定的电位差，信号检测放大器的输入端总会存在比有用信号大几十倍的直流信号，这样就限制了共模抑制比的提高。
       
        3、可控增益。
        在系统中，因为固定增益将使得大信号进入非线性工作区且可能导致放大信号超出数据采集的量程范围而出现信号被削平的现象，或者使得小信号放大不足，不能使放大信号达到或接近数据采集的量程范围而产生较大的量化误差。因此采用可编程增益放大器设计，使放大通道增益可控。
       
        4、输入失调电压。
        一般两个输入端电压差为零（两输入端短接地）时，其输出都不为零。如果在任意一个输入端加上一个大小和方向合适的直流电压，便可人为地使输出为零，这个外加的直流电压即运放的失调电压。
       
        5、输入噪声。
        输入噪声分电压噪声和电流噪声。低频范围（生理信号）的1/f噪声，会引起运放工作点漂移；电阻、半导体结间噪声受温度、频率影响。
       
        由于模数转换器的转换速率、分辨率、失真度以及输入通道、输入结构、电源要求方面的差异，从而使设计特定的ADC前端时，必须考虑阻抗匹配、电荷注入、噪声抑制、输出精度和输出驱动能力等诸多因素。
       
        本文设计的前端弱信号检测预处理电路包括：衰减匹配电路、射随、可编程增益放大、ADC前端调理电路。其系统框图如图4.1所示。
       
       
       
        由于源端信号幅度变化范围较大，因此设计了衰减电路；射随电路是为了有效的实现源端与处理端的隔离，选用ADA4871芯片。可编程运放实现信号的放大与衰减，可由FPGA进行编程控制，采用TI公司的PGA870芯片。ADC前端调理采用差分方式，时钟设计采用ICS8430芯片。
         
        4.2弱信号检测调理模块设计
        4.2.1阻抗匹配电路模块
        阻抗匹配电路设计是弱信号检测预处理的前端设计，是整个系统的最前端。通过阻抗匹配电路进行初步的调理，保证前端输入的生物信号的完整性。由于前端电源激励信号的输出阻抗的不确定性，不能保证其和信号处理端信号传输阻抗的50Ω相匹配，因此必须在前端加入一个阻抗匹配电路使其输入阻抗与电源激励信号的输出阻抗相匹配，实现输出端与信号处理端的信号传输阻抗相匹配。
       
        4.2.1.1衰减电路分析
        典型的衰减匹配电路有π型电路和T型电路，如图4.2所示。为保持输入输出的阻抗相等，电路呈对称形式，因此，不管是π型还是T型衰减电路，R2和R3都取相同的值。但本系统中输入阻抗不确定，而π型电路和T型电路时针对具有确定输入阻抗的系统而设计的，因此不能使用这两种典型电路。
         
       
       
       
        基于生物电阻抗测量系统特性考虑，衰减电路设计要有灵活性，能匹配一定范围内的输入阻抗。设计时考虑：1、加入0电阻以备工程中调节；2、适当增加冗余布线，以悬空不焊接的方式冗余备用；3、加入适当的电容，以作为在输入频率变高时，电阻阻抗变化的补偿。
        4.2.1.2衰减电路设计
        为解决常用衰减电路难以匹配不确定性输入阻抗的问题，基于生物电特性和激励信号考虑，本文设计的衰减电路如图4.3所示。
         
       
         
        根据激励信号的特点，衰减网络的输入阻抗要求达到1M.本文设计的衰减电路有一定的灵活性，在电阻R 1后端串一个0的电阻R 2，以方便在工程中根据实际情况调节。由于实际中电阻都有一定的寄生电容，为保证衰减通道的频带平坦性，电阻R 1和R 3上分别并上一个补偿电容C 1和C 2。
       
        该设计有如下推导：由于图中C 3、R 4、C 4、R 5都不焊接，故该电路等效于C 1 //R 1串上C 2 //R 3。由频域分析，电容阻抗为1/ jωC.于是有：
       
         
        从（4.2）中可以看出，输出与输入保持同频同相，这样就达到了衰减要求和频带平坦性的要求。
       
        取R 3 =400k欧，则C 2 =18pF
        由于R3C2 =R1C1
        所以R 1 =600k欧姆，C 1 =12pF
       
        4.2.2射随模块
        由于电源激励信号的信号强度非常微弱，容易受到噪声的污染，因此增加一级射随电路保证信号具有较强的驱动能力，以保证不因为驱动能力弱而使信号被衰减。
         
        4.2.2.1射随电路设计分析
        射随电路主要功能是保持输入信号的幅频特性，即保持信号幅度和频率不变。但是在射随前端须保证信号的完整性且信号具有较小的衰减，在射随的输出端与输入端保持幅度和频率的一致并且具有较强的驱动能力，因此射随电路必须具有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗。射随电路的设计，是基于以下考虑设计的：
         
        1.完成射随功能。使输入信号通过电路保持信号完整性。
        2.确保性能指标完全实现。系统设计的根本依据是系统所要达到的性能指标，因此系统性能指标需首先得到保证。如输入阻抗大于1M等。
        3.模块设计的灵活性。电源激励信号非常微弱，而且动态范围较大。场效应放大电路模块设计需具有适应动态范围大的特点。
        4.安全可靠性。有足够的抗干扰能力，要保证在规定的工作环境下，系统能稳定，可靠地工作。保证系统精度能符合要求。
        5.信号频率考虑。射随电路的频带必须大于250MHz. 6.经济性原则。在遵循以上设计原则的条件下，在器件选择上尽量以完成相同的功能的基础上选择那些价格相对来说比较低一些的器件为标准，这样可以有效地降低生产成本，为产品进入市场打下良好的基础。
       
        4.2.2.2 ADA4817芯片的应用
        ADA4817是一款稳定的单位增益放大器，它提供超高速电压反馈，场效应输入。该放大器能获得超低噪声和高输入阻抗。ADA4817输出0.1Vpp时，信号有效带宽1050MHz，满足频带要求。
       
        ADA4817从模拟设备上引出一条新的低失真引出线，相比于传统的引出线，该低失真引出线有两个优势。一是能改善二次谐波失真性能，它能物理隔离放大器的输入管脚和负电接入管脚电路。二是布局简单，它能提高倒相输入，允许紧密的布局和轻易的布局，帮助减小寄生增益和稳定性增长。
       
        宽泛的带宽和较低的噪声使之成为放大器的理想选择，特别是在高速采集信号检测预处理的应用。
       
        ADA4817各管脚描述如表4.1所示：
       
       
        ADA4817各参数的最大绝对定额值如表4.2所示：
       
       
       
        4.2.2.3射随放大电路设计
        场效应放大器广泛用于数据采集系统，射随电路采用ADA4817芯片。本文设计该电路主要完成射随电路功能。
       
        射随电路设计方案如图4.4所示。