基于AD5933的高精度生物阻抗測量方法*

摘要： 本文利用阻抗測量芯片AD5933，以單片機(jī)作為控制器，依據(jù)此芯片比例法測量原理、DFT解調(diào)原理結(jié)合軟件校準(zhǔn)和軟件補償?shù)乃惴?，實現(xiàn)了一種高精度生物阻抗測量方法。實驗結(jié)果表明，此方法有效提高精度，測量阻抗幅值的相對誤差小于0.5%，相位絕對誤差小于0.7°。

關(guān)鍵詞： 生物阻抗；比例測量；DFT數(shù)字解調(diào)；AD5933

　　*國家自然科學(xué)基金項目(No.60174032，60674111)
　　2008年4月29日收到本文修改稿。林凌，副教授，研究方向為生物醫(yī)學(xué)信號檢測與處理、生物醫(yī)學(xué)工程。

引言

　　生物電阻抗技術(shù)是利用生物組織與器官的電特性及其變化規(guī)律提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的檢測技術(shù)。其基本測量方式是通過體表電極向檢測對象施加安全的激勵電流，并使用體表電極檢測相應(yīng)的電壓變化，獲取相關(guān)信息。該方法具有無創(chuàng)、無害、廉價的優(yōu)點。目前針對生物阻抗測量系統(tǒng)的研究和文章很多，主要集中在對整個測量系統(tǒng)某組成部分的設(shè)計。顯然，這些研究和設(shè)計工作均在某一方面對生物阻抗測量系統(tǒng)的精度提高做出了貢獻(xiàn)，但是單一的方法對精度的提高有限，本文采用ADI公司的高度集成的阻抗測量芯片AD5933設(shè)計了一種精度高的阻抗測量方法，利用比例測量，DFT數(shù)字解調(diào)，軟件校準(zhǔn)和補償四項技術(shù)，整體上提高了系統(tǒng)的測量精度。

比例測量方法

　　對電阻的測量，通常使用伏安法，生物阻抗測量也是基于伏安法的原理。即已知一個元件的電阻等于此元件兩端的電壓降與流過其電流的比值，RX=UX/IX。然而在實際測量中往往使用比例測量的方法，在被測回路中串入采樣電阻RS，有IX=US/RS，因此：RX =UX/IX=RS×UX/US，這樣就把電阻的測量轉(zhuǎn)換成為兩電壓之比的測量，降低了對電壓源US的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的要求，測量結(jié)果的精確度只與參比電阻的精度有關(guān)。比例測量的具體電路非常簡單，如圖1所示，用一只運算放大器接成電壓并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)即可。

圖1　比例法測量電阻的原理圖

　　本文采用的阻抗測量芯片AD5933利用了上述比例測量的原理，測量電路如圖2所示。利用DDS產(chǎn)生的正弦交流信號作為激勵源以獲得阻抗的完整信息，待測阻抗可等效為電容和電導(dǎo)的并聯(lián)模式，即YX=GX+jCX=AX<φ。在理想狀態(tài)下不考慮放大器等電路引起的幅值和相位的變化，設(shè)激勵信號U1=U1msinwt，I=U1×YX，則響應(yīng)信號U2=-I×RS=-U1×YX×RS=-U1m×RS×AXsin(wt+j)，其中j被測電導(dǎo)的相位，AX為被測電導(dǎo)幅值，RS為參比電阻。只要將U2與U1做比較就可以得到待測阻抗的信息，避免了電壓源不穩(wěn)定帶來的誤差，測量結(jié)果的精度取決于參比電阻的精度。

圖2　AD5933比例法測量生物阻抗原理圖

DFT數(shù)字解調(diào)

　　上述響應(yīng)信號U2包含了阻抗的信息，與U1進(jìn)行比較可以獲得阻抗的信息，但是由于U2(調(diào)制信號)是U1(載波)經(jīng)過阻抗的調(diào)制得到的，U2中含有載頻信息，不利于后面的阻抗信息提取，所以需將對響應(yīng)信號U2解調(diào)，即去除載頻w，還原為零基帶信號。目前阻抗測量系統(tǒng)中常用的解調(diào)方式有硬件解調(diào)：整流濾波、開關(guān)解調(diào)、模擬乘法器、數(shù)字解調(diào)。模擬乘法器解調(diào)是常用的方法之一，它利用正交解調(diào)原理，具有電路簡單，測量速度快且適合于較高較寬的頻率范圍內(nèi)工作的優(yōu)點。
利用乘法器正交解調(diào)的過程描述如下：假設(shè)要將上述響應(yīng)信號解調(diào)，首先利用乘法器將響應(yīng)信號(U2=-U1m×RS×AXsin(wt+j))與一對正交本振(U1=U1msinwt，U3= U1mcoswt)相乘(本振信號要求與載波同頻同相，并且兩個本振信號嚴(yán)格正交)，然后利用積化和差公式將載頻與基頻分離，再通過濾波或積分運算去掉載頻，將信號變?yōu)榛l。

　　正交本振信號與上述響應(yīng)信號相乘，利用三角函數(shù)里的積化和差公式，得到兩路信號Uo1和Uo2，將載頻信號與基帶信號分離。

　　將上述兩路信號在周期T時間上做積分并求平均值去除載頻。

　　以上過程完成了正交解調(diào)，顯然Uo1，Uo2中已經(jīng)去除了載波，并且仍然包含被測電阻的實部和虛部信息，只要與電壓源幅值信息比較就可以得到被測阻抗的完整信息。
類似的，AD5933也是基于正交解調(diào)的原理，對ADC采樣數(shù)據(jù)做離散傅立葉變換(數(shù)字正交解調(diào))，也即1024個數(shù)組成的數(shù)字序列與正交向量相乘再求和的過程，如下式所示：
        (1)
　　利用DFT數(shù)字正交解調(diào)與利用乘法器正交解調(diào)相比的優(yōu)勢在于：正交解調(diào)方法要求本振和信號載波同頻同相，否則解調(diào)后的信號會產(chǎn)生頻差和相差，不利于信號恢復(fù)。利用模擬乘法器方法解調(diào)，很難實現(xiàn)載波同步，甚至還要增加模擬鎖相環(huán)電路，而DFT從算法上嚴(yán)格保證了本振和載波的同頻同相。其次正交解調(diào)要求兩個本振信號完全正交，否則恢復(fù)原信號時會產(chǎn)生虛假信號，DFT算法很好的保證兩個本振嚴(yán)格正交。DFT算法實現(xiàn)了數(shù)字鎖相的過程，保證了本振和載波的同頻同相，簡化了模擬電路，并且求和平均的過程抑制了噪聲，調(diào)高了信噪比。