生物電阻抗測量系統(tǒng)中弱信號檢測技術(shù)研究--正交雙激勵(lì)信號檢測方法

數(shù)字集成電路的飛速發(fā)展，特別是數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，對中頻信號直接進(jìn)行數(shù)字化處理成為了可能。取樣保持電路直接取樣中頻信號，通常要求取樣保持電路的取樣率是中頻信號頻率的3倍以上，以保證中頻信號的每一個(gè)周期內(nèi)至少采集3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，只有這樣才能不失真的計(jì)算出被測矢量信號的幅度和相位。

數(shù)字處理方法能夠有效提高檢波電路的抗干擾能力，同時(shí)減小了體積和成本。本文的方法是在A/D變換之后用數(shù)字濾波技術(shù)提取矢量信號的幅度和相位。

利用數(shù)字相敏檢波算法鑒幅鑒相計(jì)算相位*和幅值A(chǔ) *的原理如圖3.4所示：

3.2.3單激勵(lì)數(shù)字相敏檢波誤差分析

數(shù)字相敏檢波算法對于有源器件帶來的高斯噪聲和諧波噪聲、AD采樣帶來的量化噪聲以及信號中夾雜的與信號不相關(guān)的隨機(jī)噪聲有很好的抑制作用，這樣可以在很大程度上減小系統(tǒng)的測量誤差，這是DPSD算法的優(yōu)點(diǎn)，但是通過對系統(tǒng)的誤差做整體分析知，DPSD算法中，誤差主要來自濾波環(huán)節(jié)。

由DPSD算法可知，在對y1（ n ）和y2 （ n ）進(jìn)行濾波時(shí)，采用的是周期累加方式，即

其中N為累加的點(diǎn)數(shù)，一般為一個(gè)周期或者周期的整數(shù)倍內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，Xi為待濾波的信號。圖3.5（a）和圖3.5（b）分別為單位正弦波的0ω在不同取值下累加一個(gè)周期和兩個(gè)周期的誤差分布情況，其中0 / cω= f f是采樣頻率和被采信號頻率之比。

如圖3.8所示，在累加一個(gè)周期的情況下，就算采樣頻率是信號頻率的10倍，最后的累加值也有將近10%的誤差，而此時(shí)對于生物電阻抗測量系統(tǒng)而言，ADC的采樣率要達(dá)到激勵(lì)信號頻率的20倍；累加兩個(gè)周期時(shí)，誤差有所減小，在采樣頻率是信號頻率的10倍時(shí)，有將近4%的誤差，并且圖3.5（a）和圖3.5（b）中所示的各個(gè)采樣頻率和被采信號頻率比值處的誤差不一定就是此比值下累加造成的最大誤差，圖中所示只是標(biāo)準(zhǔn)正弦波從零點(diǎn)開始累加的結(jié)果。生物電阻抗測量系統(tǒng)中測量的是及其微弱的信號，用這樣的方法去測量生物電阻抗將得到很糟糕的數(shù)據(jù)，且不利于測量帶寬的擴(kuò)展。

3.3正交雙激勵(lì)數(shù)字相敏檢波方法

3.3.1正交雙激勵(lì)數(shù)字相敏檢波原理

數(shù)字相敏檢波技術(shù)能夠有效提取被測信號的幅度和相位，隨著累積周期的增加，系統(tǒng)的整體誤差將減小。但是隨著周期的增加，檢波的時(shí)間也跟著會增加，以這種方式檢波時(shí)，將系統(tǒng)整體誤差減小是以時(shí)間為代價(jià)換來的。為解決單激勵(lì)DPSD存在較大系統(tǒng)誤差的缺點(diǎn)，本文提出一種正交雙激勵(lì)數(shù)字相敏檢波方法（D-DPSD），其測量原理如圖3.6所示。