CN101889863A - 一种用于生物电信号采集的高性能直流放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于生物电信号采集的高性能直流放大装置，包括顺序连接的输入保护/滤波电路、输入缓冲电路、仪表放大电路、RC低通滤波电路和模数转换及外围电路以及CPU，输入保护/滤波电路采集生物电信号后输入至输入缓冲电路后，再顺序经仪表放大电路、RC低通滤波电路和模数转换及外围电路；由CPU控制模数转换及外围电路工作；本发明首先对生物电信号进行阻抗转换，然后再对该信号进行放大后对共模信号进行抑制，再滤除高频噪声，由单端转差分放大器对信号进行二次放大，模数转换后信号的噪声、共模抑制比等指标均达到很高的水平，且基线十分稳定，信号输入动态范围大、不易饱和，同时需要的器件少，提高了装置的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子测控技术类领域，具体涉及的是微弱生物电信号检测领域，尤其是涉及的是用于生物电信号采集的高性能直流放大装置。
背景技术
目前微弱生物电信号检测，都在强背景干扰和存在病人极化电压的情况下进行。人体表面生物电信号仅为毫伏级，而极化电压往往可达到数百毫伏。空间耦合到人体的50/60HZ工频干扰更可能高达数十伏。另外病人是一个非常复杂的信号源，其等效输出阻抗、极化电压常常处于变化状态。如何准确、快速的获得干净的生物电信号，不是一件容易的事情。目前普遍采用的比较复杂的交流放大电路结构，包括缓冲，仪表放大，时间常数电路，多阶低通滤波，二级放大、模拟开关、差分电平偏移，模数转换等多级放大电路结构。由于此类放大电路存在电容隔直，属于交流放大装置。由于生物电信号都非常微弱，往往需要放大数百倍以上，才能满足模数转换和记录的需要。由于电极与人体皮肤接触，存在极化电压，为了避免放大器饱和，因此普遍放大器的第一级增益都比较小，需要用阻容电路隔离极化电压后利用第二级放大器再进行放大。由于存在时间常数电路，在病人状况不稳定时(如肌肉收缩，电极移动等)，导联上产生的干扰电压较大，此干扰电压会造成第一级放大器输出饱和，进而对电容进行充电。若此时病人状况恢复稳定(病人极化电压达到比较小的正常值)，然尔隔直电容上的电荷需要非常长的时间才能释放完毕，此期间是无法进行ECG信号采集的，在临床上造成了严重的基线漂移。这类交流放大装置存在以下问题：
1、信号动态范围小；交流放大装置的电路，一般增益高达数百倍至数千倍，假设总增益取一典型值1000倍，放大电路的电源电压以±5V计算，动态范围仅为±5mV，再考虑到一般运放的非轨至轨特性与失调、温飘等因素。动态范围将会更低，而临床上病人的心电信号幅度完全可能超过±5mV，对幅度大的心电信号，此电路将造成截止失真。因此难以满足实际临床测试的需要。
2、放大电路一般包括缓冲级，三运放仪表放大级，RC时间常数电路级，低通滤波电路级，主增益级等多重环节，布线复杂，每一环节都会增加噪声，因此系统噪声水平难以控制，一般而言等效输入噪声水平达到15uVpp以上。其次所用器件较多，印刷电路板微弱信号走线普遍很长，因此容易受空间干扰源辐射的影响。抗干扰能力不理想。
3、由于放大器增益大，信号动态范围小，因此临床应用中，一个微小的信号扰动(如病人肌肉收缩，电极移动)，将非常容易导致放大器饱和。由于时间常数电路的影响，基线恢复将需要非常长的时间。这在临床心电检测领域是致命的缺陷，医生将难以忍受长时间的基线飘移带来放大器饱和与基线漂移的问题。
4、起搏(PACE)脉冲检测问题。此问题也是由于交流架构的特性引起。PACE信号可能会很大(极限情况下将达到700mVpp)，由于交流放大电路的动态范围小，将导致其运放输出饱和，加上时间常数电路充放电的影响，基线将因此产生很大的漂移。因此交流放大架构难以有效检测到PACE信号。
5、丢失信号源直流成分以及接近直流信号的交流信号。由于RC时间常数电路参数固定(时间常数典型值为3.2秒)，因此0.05HZ以下的交流信号将被交流放大电路丢弃，无法反应含有信号源重要信息的低频信号，在ECG测试领域会带来ST段异常等影响，难以为医生提供准确不失真的波形。
6、电源电压高，不利于低功耗。此类交流放大装置为了保证动态范围和增益，往往采取比较高的电源电压，对板卡功耗控制不利，与低功耗低电压的业内发展趋势相违背。
发明内容
本发明的目的提供一种采集高性能生物电信号的的装置，其能有效解决现有的技术难题，还可以大大简化生物电前端电路的设计，在达到很高的性能的同时又可以保持适中的生产成本。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于生物电信号采集的高性能直流放大装置，其特征在于：包括顺序连接的输入保护/滤波电路10、输入缓冲电路20、仪表放大电路30、RC低通滤波电路40和模数转换及外围电路50以及CPU60，输入保护/滤波电路10采集生物电信号后输入至输入缓冲电路20后，再顺序经仪表放大电路30、RC低通滤波电路40和模数转换及外围电路50；由CPU60控制模数转换及外围电路50工作。工作时首先对生物电信号进行阻抗转换，然后对生物电信号进行放大后对共模信号进行抑制，再经滤波网络滤除信号高频噪声，由单端转差分放大器对生物电信号进行第二次放大，并对放大后的生物电信号进行模数转换得到不失真的生物电信号。
所述输入保护/滤波电路滤波电路10由气体放电管，限流电阻，滤波电容，双二极管组成，其中气体放电管的两端分别连着导联输入和浮地，限流电阻一端与导联输入端相连，另一端与输入缓冲电路20的同相输入端相联；滤波电容的一端与输入缓冲电路20同相端相连，另一端与浮地相连，双二极管的中心抽头端与缓冲放大器的同相输入端相连，另两端分别与正负电源相连。
所述输入缓冲电路20，由一个低噪声单运放构成，单运放为电压跟随器形式，同相端与保护/滤波电路滤波电路10中的限流电阻相连，反相端接输出端并与仪表放大电路30的输入级相连。
所述仪表放大电路30的同相输入端都分别接各自支路的缓冲输出端。仪表放大器的输出端接RC低通滤波电路40，仪表放大电路30的REF端接浮地，仪表放大电路30把输入的差分信号转化成单端信号。
所述RC滤波电路40，由一个电阻与一个电容构成一阶的低通滤波。电阻一端与仪表放大器的输出端相连，另一端连接滤波电容。滤波电容的另一端接浮地。滤波电容与电阻的公共端接8通道数据选择器的输入端。
所述的模数转换及外围电路包括模数转换器U20，模数转换器U20的VREFN接负电源AVSS脚，VREFP接电压参考U19的输出端；模数转换器U20的数字信号输出端连接着CPU的数据输入接口。
所述模数转换器的数字信号输出端连接着CPU60的数据输入接口。模拟开关U22的输入端与RC滤波电路40的输出端相连，模拟开关U22的输出端与单端转差分运放U18的输入端相连。模拟开关的控制口线与微处理器U21的I/O口线相连接。在不改变信号绝对电压范围的情况下，U18把信号动态范围增大到2倍。有助于提高系统分辨率。信号经过电路U18后，由单端信号转换成差分信号，再经过一级差分RC低通滤波电路后，送入ADC进行模数转换。ADS1258U20在CPU程序控制下，把需要的模拟信号转换成24bit的数字信号，数据通过SPI口输入到CPU。CPU电路U21，采用SPI口与ADS1258进行通讯。转换完成的数据，在CPU内部完成进一步的处理后，通过串行口(或并行口，USB口)传至上位机，至此，已完成了心电信号的直流放大以及高速数据采集、处理。
微处理器的PA10/12，16，17，18，30端口作为与模数转换器U20的通讯接口，PA0/PA1作为与上位机通讯的USART口。PB19作为PWM输出接口。
由于本发明采用了以上技术方案，本发明具有以下的优点：
1、高性能，噪声、共模抑制比等关键指标均可以达到很高的水平(抗极化电压±600mV，共模抑制比高达121dB，噪声低至12.5uVpp，)且基线十分稳定。
2、直流放大架构，无时间常数电路，出生物电信号速度快。
3、信号输入动态范围大，不易饱和。
4、器件少，可靠性高。
5、支持完善的起搏脉冲检测。
本发明电路结构简单且具有极高的生物信号采集性能，电路高度集成化，有利于板卡小型化，可广泛用于心电，脑电，肌电等各种生物电检测仪器和各种测控系统，经济和社会效益显著。
附图说明
图1是本发明的一种电路结构原理示意图；
图2是本发明的另一种电路结构原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的对本发明作进一步的详细说明：
如图1和图2所示，一种用于生物电信号采集的高性能直流放大装置，包括输入保护/滤波电路10、输入缓冲电路20、仪表放大电路30、RC低通滤波电路40和模数转换及外围电路50以及CPU60，输入保护/滤波电路10采集生物电信号后输入至输入缓冲电路20后，再顺序仪表放大电路30、RC低通滤波电路40和模数转换及外围电路50；由CPU60控制模数转换及外围电路50工作。
其中输入保护&滤波电路滤波电路10共有九路，Z1～Z9，每路由1个气体放电管，1个限流电阻，1个滤波电容，1个双二极管组成。限流电阻一端与导联输入端相连，另一端与输入缓冲U1的同相输入端相联。滤波电容的一端与输入缓冲U1同相端相连，另一端与浮地相连。双二极管的中心抽头端与缓冲放大器U1的同相输入端相连，另两端分别与正负电源相连。
由于体表生物电信号十分微弱，生物电信号导联与人体接触电阻以及信号源内阻常常很大，为了有效获取心电信号，需要设置输入缓冲电路20，共有九路，每一路由一个低噪声单运放构成，此运放具极低的噪声和偏置电流，满足低噪声放大和阻抗转换的要求。本发明在缓冲电路20中采用了CMOS输入级的运放，连接成电压跟随器形式，可大大提高心电检测电路的输入阻抗，直流输入阻抗高达100Gohm以上，可最大限度地获取生物电信号。
仪表放大电路30共有8路，缓冲后的生物电信号，经过仪表放大器30后，共模干扰被大大抑制。其中每个仪表放大器的反相输入端都接RA支路的缓冲U2输出端。每个仪表放大器的同相输入端都分别接各自支路的缓冲输出端。仪表放大器的输出端VOUT接RC滤波网络的电阻，仪表放大器的REF端接浮地。此仪表放大器是第一个增益级，增益较小，保证可采集到极化电压而不出现饱和。共模信号的抑制(如50/60HZ工频干扰)主要在这一级完成。仪表放大器把输入的差分信号转化成单端信号，送到RC滤波级进一步进行处理。本实施例中采用AD8221单片仪表放大器，可对低频(1KHz以下)共模信号抑制100dB以上，在中高频100KHZ点仍有70dB的抑制能力，而大部分仪放对此频点的共模信号仅有40dB抑制能力。经过此电路处理后，可获得干净的心电信号。
RC滤波电路40共有8路，每一路由一个电阻与一个电容构成一阶的低通滤波，此级低通滤波的-3dB截止频率设置为450HZ；生物电信号被低通滤波后，送入8通道数据选择器。
模数转换及外围电路50，由8通道选择(或模拟开关)、单端转差分放大电路U18，电压参考U19，高速高分辨率ADC构成。在图1的实施例中，模数转换器U20已经集成了8通道选择器。模数转换器为高速Delta-Sigma型结构ADC，多通道切换采样率可达23.7Ksps，满足多通道生物电信号采集的需求。精度可达24bit，可大大降低系统的噪声水平。其等效输入噪声仅为12uVrms，可以保证系统的等效输入噪声水平在12.5uVpp以下。心电信号通过数据选择器后，送入单端转差分放大电路U18进一步进行处理，在不改变信号绝对电压范围的情况下，U18把信号动态范围增大到2倍。有助于提高系统分辨率。信号经过电路U18后，由单端信号转换成差分信号，再经过一级防混叠差分RC低通滤波电路后，送入ADC进行模数转换。ADS1258在CPU程序控制下，把需要的模拟信号转换成24bit的数字信号，数据通过SPI口输入到CPU。在CPU内部完成进一步的处理后，通过串行口(或并行口，USB口)传至上位机，至此，已完成了心电信号的直流放大以及高速数据采集、处理。
如图2中模数转换器的数字信号输出端连接着CPU60的数据输入接口，模拟开关U22的输入端与RC滤波电路40的输出端相连，模拟开关U22的输出端与单端转差分运放U18的输入端相连。模拟开关的控制口线与微处理器U21的I/O口线相连接。由于本发明模拟增益环节很少，运放、仪放均为低噪声器件，因此可在模拟通道上采用简单的一阶RC低通滤波。滤波后的信号被8通道选择器选择后，送入U20单端转差分电路进行第二级增益放大(通道选择器由ADS1258集成，需要扫描的通道还可通过配置BITS CHID[4:0]进行选择)；放大后的信号为差分信号，动态范围为放大前的2倍，由ADC对其进行模数转换。
CPU60包括一个微控制器U21，微控制器U21通过串口，并口或USB口接受用户要求的指令，并控制模数转换和数据采集过程。数据采集开始后，微控制器U21通过SPI口将数据采集控制指令发送到8通道选择器U20，选择相应的通道，并开始模数转换。微控制器U21通过SPI口将转换完成的数据取出并存入随机读写存储器(RAM)，通道选择器U21选择下一通道并开始模数转换。本发明首先对生物电信号进行阻抗转换，然后对生物电信号进行放大后对共模信号进行抑制，再经滤波网络滤除信号高频噪声，由单端转差分放大器对生物电信号进行第二次放大，并对放大后的生物电信号进行模数转换，得到不失真的生物电信号。
Claims (8)
1.一种用于生物电信号采集的高性能直流放大装置，其特征在于：包括顺序连接的输入保护/滤波电路(10)、输入缓冲电路(20)、仪表放大电路(30)、RC低通滤波电路(40)和模数转换及外围电路(50)以及CPU(60)，输入保护/滤波电路(10)采集生物电信号后输入至输入缓冲电路(20)后，再顺序经仪表放大电路(30)、RC低通滤波电路(40)和模数转换及外围电路(50)；由CPU(60)控制模数转换及外围电路(50)工作后输出不失真的生物电信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于生物电信号采集的高性能直流放大装置，其特征在于：所述输入保护/滤波电路滤波电路(10)由气体放电管，限流电阻，滤波电容，双二极管组成，其中气体放电管的两端分别连着导联输入端和浮地，限流电阻一端与导联输入端相连，另一端与输入缓冲电路(20)的同相输入端相联；滤波电容的一端与输入缓冲电路(20)同相端相连，另一端与浮地相连，双二极管的中心抽头端与缓冲放大器的同相输入端相连，另两端分别与正负电源相连。
3.根据权利要求1所述的一种用于生物电信号采集的高性能直流放大装置，其特征在于：所述输入缓冲电路(20)，由一个低噪声单运放构成，单运放为电压跟随器形式，同相端与保护/滤波电路滤波电路(10)中的限流电阻相连，反相端接输出端并与仪表放大电路(30)的输入级相连。
4.根据权利要求1所述的一种用于生物电信号采集的高性能直流放大装置，其特征在于：所述仪表放大电路(30)的同相输入端都分别接各自支路的缓冲输出端；仪表放大器的输出端接RC低通滤波电路(40)，仪表放大电路(30)的REF端接浮地，仪表放大电路(30)把输入的差分信号转化成单端信号。
5.根据权利要求1所述的一种用于生物电信号采集的高性能直流放大装置，其特征在于：所述RC滤波电路(40)，由一个电阻与一个电容构成一阶的低通滤波，电阻一端与仪表放大器的输出端相连，另一端连接滤波电容；滤波电容的另一端接浮地，滤波电容与电阻的公共端接8通道数据选择器的输入端。
6.根据权利要求1所述的一种用于生物电信号采集的高性能直流放大装置，其特征在于：所述的模数转换及外围电路(50)包括模数转换器U20，模数转换器U20的VREFN接负电源AVSS脚，VREFP接电压参考U19的输出端；模数转换器U20的数字信号输出端连接着CPU(60)的数据输入接口。
7.根据权利要求1所述的一种用于生物电信号采集的高性能直流放大装置，其特征在于：模数转换及外围电路(50)中的模拟开关的输入端与RC滤波电路(40)的输出端相连，模拟开关的输出端与单端转差分运放的输入端相连；模拟开关的控制口线与微处理器的I/O口线相连接。
8.根据权利要求1所述的一种用于生物电信号采集的高性能直流放大装置，其特征在于：CPU(60)包括一微处理器及外围电路，其中微处理器的PA10/12，16，17，18，30端口作为与模数转换器U20的通讯接口，PA0/PA1作为与上位机通讯的USART口，PB19作为PWM输出接口。
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