用Microchip智能傳感器方案構建高性能的生物電信號

　　自1903年愛因多芬發(fā)明了心電圖儀，百年來隨著電子技術的飛速發(fā)展，人們開發(fā)了大量行之有效的方法來采集和分析心電（ECG），腦電（EEG），肌電（EMG），胃電（EGG）等人體生物電信號，為醫(yī)生的診斷提供了大量有意義的參考數(shù)據(jù)。

　　在這些生物電信號采集分析系統(tǒng)中，信號的隔離設計必不可少，它一方面能夠防止被測人員觸電[1]。另一方面切斷了系統(tǒng)前后端的電氣連接，降低電磁干擾對信號的影響[1][3]。但是目前的生物信號系統(tǒng)中往往采用成本高，耗電多，體積大的傳統(tǒng)的模擬隔離的方法，造成相關儀器成本高，無法便攜化和家用化。

　　本文闡述了一種用Microchip智能傳感器解決方案，將具有信號處理能力和模擬功能的DSC器件放在隔離前端的模塊內(nèi)，在模塊內(nèi)的隔離系統(tǒng)之前對模擬信號進行數(shù)字處理（包括采樣和濾波處理），變傳統(tǒng)的隔離模擬信號為隔離數(shù)字信號的方法。這種方法具有以下優(yōu)勢：

　　1、 隔離電路不再傳遞容易失真的模擬信號，改為傳遞抗噪性能較強的數(shù)字信號，且縮短了模擬信號傳遞的路徑，可以大大提高生物電信號采集系統(tǒng)的信噪比。

　　2、 由于將具有數(shù)字信號處理能力的器件放在隔離前端，系統(tǒng)用過采樣和數(shù)字濾波的方法取代模擬低通濾波器和工頻陷波器，降低了電路的復雜程度、功耗和成本。

　　3、 在多路采集系統(tǒng)中傳統(tǒng)方法需要和信號路數(shù)相同的模擬隔離電路，而采用智能傳感器方案則只需一個數(shù)字隔離通道。成倍的降低了功耗和成本。

　　4、 采用數(shù)字隔離電路，降低所需電壓和電流，實現(xiàn)便攜化并降低了成本。

　　5、 無需主計算機系統(tǒng)干預信號的采樣和濾波過程，分擔了中央處理器的工作負擔，降低了軟件開發(fā)的總體難度。

　　6、 數(shù)字隔離方法省去了過去系統(tǒng)人工挑選配對光耦和調整工作點的過程，節(jié)約了大量的人力，適于批量生產(chǎn)。

　　傳統(tǒng)設計方法

　　傳統(tǒng)生物電信號采集系統(tǒng)一般具有如圖1所示的結構。

圖1 傳統(tǒng)生物電信號采集系統(tǒng)框圖

　　其中的模擬隔離放大器通常采用圖2所示電路，由普通數(shù)字光耦構成。

圖2利用兩只光耦的一致性構成的模擬隔離放大器

　　光耦VT1和VT2是經(jīng)過人工挑選，電流傳輸比一致性較好的普通光耦。這樣生產(chǎn)者不但需用人工從一批光耦中尋找電流傳輸比接近的兩只配對使用。另外，由于很難找到兩只電流傳輸比在整個工作范圍都相等的普通光耦，不一樣的電流傳輸比，將帶來信號協(xié)波失真。該方法還需要高達正負10V以上的電源電壓為模擬電路供電，極不利于產(chǎn)品向低電壓，低功耗和電池供電的便攜化方向發(fā)展。

　　如果采用各大公司生產(chǎn)的集成模擬隔離放大器（如AD20，ISO124[1] [4]）能夠有效降低信號的協(xié)波失真。但由于這類器件往往采用高頻調制的方法實現(xiàn)隔離，內(nèi)部結構復雜，成本很高，且需要較高的正負雙電源電壓供電，增大了系統(tǒng)的總功耗；另外為了防止高頻調制信號造成結果的混疊現(xiàn)象，必須在這類隔離放大器之后增加模擬有源低通濾波器濾波。

　　綜上，開發(fā)一種能夠同時解決失真度和功耗問題的隔離方法是下一代的便攜式生物電信號儀器的必然要求。

　　基于數(shù)字隔離的生物電信號采集模塊

　　總體設計思路

　　本文提出圖3所示的，采用隔離數(shù)字信號的方法代替隔離模擬信號的方法。將具有模數(shù)轉換功能和數(shù)字信號處理能力的DSC放到隔離前端，直接對模擬信號采樣和進行數(shù)字濾波，再傳遞經(jīng)過處理的數(shù)字信號的方法。

圖3 基于DSC和數(shù)字隔離的新型生物電信號采集系統(tǒng)