生物電阻抗測量系統(tǒng)中弱信號檢測技術研究--弱信號檢測調(diào)理單元設計與實現(xiàn)

生物電阻抗測量系統(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量方法、高速數(shù)據(jù)實時處理方法、阻抗圖像重建方法等。高速高精度電阻抗測量方法中，信號采集系統(tǒng)的前端信號檢測調(diào)理是影響信號采集速度和精度的關鍵因素。因此，如何設計微弱信號檢測調(diào)理系統(tǒng)成為生物電阻抗測量系統(tǒng)的重點之一。

本章主要介紹微弱信號檢測調(diào)理單元的設計。包括各個模塊的設計思想和設計原理，給出各個模塊的實際設計電路圖。本章最后通過對PCB功能板進行實驗測試，達到預期的增益調(diào)理能力和共模抑制能力，說明本文設計的檢測電路合理可行，調(diào)理單元對信號進行了有效改善。

4.1弱信號檢測調(diào)理系統(tǒng)總體設計

4.1.1系統(tǒng)要求

信號檢測調(diào)理單元是生物電阻抗測量系統(tǒng)的前端，所要檢測的信號是微弱信號，即弱電流信號或者弱電壓信號。由于所設計的激勵源是電壓源，因此本文所設計的調(diào)理單元是以電壓輸入的。根據(jù)生物電阻抗測量系統(tǒng)的特殊性，信號檢測調(diào)理單元必須滿足以下指標：

1、系統(tǒng)輸入阻抗大于1M.

2、信號檢測功能板能檢測到mV級微弱信號。
3、信號的有效帶寬50MHz，前端處理模塊的有效帶寬應大于250MHz.

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

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

4.1.2系統(tǒng)總體設計

由于生物醫(yī)學信號的特殊性，傳感器的輸出信號通常都很微弱，并且淹沒在強噪聲背景中，因而通常需要經(jīng)過一定的預處理才能進行有效而準確的變換，這種對信號的前端調(diào)理過程稱為弱信號預處理過程，信號檢測預處理包括放大、濾波、電氣隔離以及為傳感器提供激勵電壓或者電流等。

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

在生物電阻抗測量系統(tǒng)中，ADC的前端設計是重要的一環(huán)，為了保證整個模擬通道中的信號不失真地傳遞給ADC，本文主要基于以下關鍵點考慮弱信號檢測預處理電路的總體設計。

1、阻抗匹配。

在系統(tǒng)中，若有信號傳遞時，最好情況是由信號的發(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。

在電源激勵信號測量中，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，信號檢測放大器的輸入端總會存在比有用信號大幾十倍的直流信號，這樣就限制了共模抑制比的提高。

3、可控增益。

在系統(tǒng)中，因為固定增益將使得大信號進入非線性工作區(qū)且可能導致放大信號超出數(shù)據(jù)采集的量程范圍而出現(xiàn)信號被削平的現(xiàn)象，或者使得小信號放大不足，不能使放大信號達到或接近數(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計，使放大通道增益可控。

4、輸入失調(diào)電壓。

一般兩個輸入端電壓差為零（兩輸入端短接地）時，其輸出都不為零。如果在任意一個輸入端加上一個大小和方向合適的直流電壓，便可人為地使輸出為零，這個外加的直流電壓即運放的失調(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）的1/f噪聲，會引起運放工作點漂移；電阻、半導體結間噪聲受溫度、頻率影響。

由于模數(shù)轉換器的轉換速率、分辨率、失真度以及輸入通道、輸入結構、電源要求方面的差異，從而使設計特定的ADC前端時，必須考慮阻抗匹配、電荷注入、噪聲抑制、輸出精度和輸出驅動能力等諸多因素。

本文設計的前端弱信號檢測預處理電路包括：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。

由于源端信號幅度變化范圍較大，因此設計了衰減電路；射隨電路是為了有效的實現(xiàn)源端與處理端的隔離，選用ADA4871芯片?？删幊踢\放實現(xiàn)信號的放大與衰減，可由FPGA進行編程控制，采用TI公司的PGA870芯片。ADC前端調(diào)理采用差分方式，時鐘設計采用ICS8430芯片。

4.2弱信號檢測調(diào)理模塊設計

4.2.1阻抗匹配電路模塊

阻抗匹配電路設計是弱信號檢測預處理的前端設計，是整個系統(tǒng)的最前端。通過阻抗匹配電路進行初步的調(diào)理，保證前端輸入的生物信號的完整性。由于前端電源激勵信號的輸出阻抗的不確定性，不能保證其和信號處理端信號傳輸阻抗的50Ω相匹配，因此必須在前端加入一個阻抗匹配電路使其輸入阻抗與電源激勵信號的輸出阻抗相匹配，實現(xiàn)輸出端與信號處理端的信號傳輸阻抗相匹配。

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型電路時針對具有確定輸入阻抗的系統(tǒng)而設計的，因此不能使用這兩種典型電路。

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

4.2.1.2衰減電路設計

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信號考慮，本文設計的衰減電路如圖4.3所示。

根據(jù)激勵信號的特點，衰減網(wǎng)絡的輸入阻抗要求達到1M.本文設計的衰減電路有一定的靈活性，在電阻R 1后端串一個0的電阻R 2，以方便在工程中根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)。由于實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上分別并上一個補償電容C 1和C 2。

該設計有如下推導：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

由于電源激勵信號的信號強度非常微弱，容易受到噪聲的污染，因此增加一級射隨電路保證信號具有較強的驅動能力，以保證不因為驅動能力弱而使信號被衰減。