專利名稱：一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電子測控技術類領域，具體涉及的是微弱生物電信號檢測領域， 尤其是涉及的是用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置。
背景技術：
目前微弱生物電信號檢測，都在強背景干擾和存在病人極化電壓的情況下進行。 人體表面生物電信號僅為毫伏級，而極化電壓往往可達到數百毫伏。空間耦合到人體的 50/60HZ工頻干擾更可能高達數十伏。另外病人是一個非常復雜的信號源，其等效輸出阻 抗、極化電壓常常處于變化狀態。如何準確、快速的獲得干凈的生物電信號，不是一件容易 的事情。目前普遍采用的比較復雜的交流放大電路結構，包括緩沖，儀表放大，時間常數電 路，多階低通濾波，二級放大、模擬開關、差分電平偏移，模數轉換等多級放大電路結構。由 于此類放大電路存在電容隔直，屬于交流放大裝置。由于生物電信號都非常微弱，往往需 要放大數百倍以上，才能滿足模數轉換和記錄的需要。由于電極與人體皮膚接觸，存在極 化電壓，為了避免放大器飽和，因此普遍放大器的第一級增益都比較小，需要用阻容電路隔 離極化電壓后利用第二級放大器再進行放大。由于存在時間常數電路，在病人狀況不穩定 時(如肌肉收縮，電極移動等)，導聯上產生的干擾電壓較大，此干擾電壓會造成第一級放 大器輸出飽和，進而對電容進行充電。若此時病人狀況恢復穩定(病人極化電壓達到比較 小的正常值)，然爾隔直電容上的電荷需要非常長的時間才能釋放完畢，此期間是無法進行 ECG信號采集的，在臨床上造成了嚴重的基線漂移。這類交流放大裝置存在以下問題1、信號動態范圍小；交流放大裝置的電路，一般增益高達數百倍至數千倍，假設總 增益取一典型值1000倍，放大電路的電源電壓以士5V計算，動態范圍僅為士5mV，再考慮到 一般運放的非軌至軌特性與失調、溫飄等因素。動態范圍將會更低，而臨床上病人的心電信 號幅度完全可能超過士5mV，對幅度大的心電信號，此電路將造成截止失真。因此難以滿足 實際臨床測試的需要。2、放大電路一般包括緩沖級，三運放儀表放大級，RC時間常數電路級，低通濾波電 路級，主增益級等多重環節，布線復雜，每一環節都會增加噪聲，因此系統噪聲水平難以控 制，一般而言等效輸入噪聲水平達到15uVpp以上。其次所用器件較多，印刷電路板微弱信 號走線普遍很長，因此容易受空間干擾源輻射的影響。抗干擾能力不理想。3、由于放大器增益大，信號動態范圍小，因此臨床應用中，一個微小的信號擾動 (如病人肌肉收縮，電極移動)，將非常容易導致放大器飽和。由于時間常數電路的影響，基 線恢復將需要非常長的時間。這在臨床心電檢測領域是致命的缺陷，醫生將難以忍受長時 間的基線飄移帶來放大器飽和與基線漂移的問題。4、起搏(PACE)脈沖檢測問題。此問題也是由于交流架構的特性引起。PACE信號 可能會很大(極限情況下將達到700mVpp)，由于交流放大電路的動態范圍小，將導致其運 放輸出飽和，加上時間常數電路充放電的影響，基線將因此產生很大的漂移。因此交流放大 架構難以有效檢測到PACE信號。
5、丟失信號源直流成分以及接近直流信號的交流信號。由于RC時間常數電路參 數固定(時間常數典型值為3. 2秒)，因此0. 05HZ以下的交流信號將被交流放大電路丟棄， 無法反應含有信號源重要信息的低頻信號，在ECG測試領域會帶來ST段異常等影響，難以 為醫生提供準確不失真的波形。6、電源電壓高，不利于低功耗。此類交流放大裝置為了保證動態范圍和增益，往往 采取比較高的電源電壓，對板卡功耗控制不利，與低功耗低電壓的業內發展趨勢相違背。
發明內容
本發明的目的提供一種采集高性能生物電信號的的裝置，其能有效解決現有的技 術難題，還可以大大簡化生物電前端電路的設計，在達到很高的性能的同時又可以保持適 中的生產成本。本發明是通過以下技術方案實現的一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置，其特征在于包括順序連接的 輸入保護/濾波電路10、輸入緩沖電路20、儀表放大電路30、RC低通濾波電路40和模數轉 換及外圍電路50以及CPTO0，輸入保護/濾波電路10采集生物電信號后輸入至輸入緩沖 電路20后，再順序經儀表放大電路30、RC低通濾波電路40和模數轉換及外圍電路50 ；由 CPU60控制模數轉換及外圍電路50工作。工作時首先對生物電信號進行阻抗轉換，然后對 生物電信號進行放大后對共模信號進行抑制，再經濾波網絡濾除信號高頻噪聲，由單端轉 差分放大器對生物電信號進行第二次放大，并對放大后的生物電信號進行模數轉換得到不 失真的生物電信號。所述輸入保護/濾波電路濾波電路10由氣體放電管，限流電阻，濾波電容，雙二極 管組成，其中氣體放電管的兩端分別連著導聯輸入和浮地，限流電阻一端與導聯輸入端相 連，另一端與輸入緩沖電路20的同相輸入端相聯；濾波電容的一端與輸入緩沖電路20同相 端相連，另一端與浮地相連，雙二極管的中心抽頭端與緩沖放大器的同相輸入端相連，另兩 端分別與正負電源相連。所述輸入緩沖電路20，由一個低噪聲單運放構成，單運放為電壓跟隨器形式，同相 端與保護/濾波電路濾波電路10中的限流電阻相連，反相端接輸出端并與儀表放大電路30 的輸入級相連。所述儀表放大電路30的同相輸入端都分別接各自支路的緩沖輸出端。儀表放大 器的輸出端接RC低通濾波電路40，儀表放大電路30的REF端接浮地，儀表放大電路30把 輸入的差分信號轉化成單端信號。所述RC濾波電路40，由一個電阻與一個電容構成一階的低通濾波。電阻一端與儀 表放大器的輸出端相連，另一端連接濾波電容。濾波電容的另一端接浮地。濾波電容與電 阻的公共端接8通道數據選擇器的輸入端。所述的模數轉換及外圍電路包括模數轉換器U20，模數轉換器U20的VREFN接負 電源AVSS腳，VREFP接電壓參考U19的輸出端；模數轉換器U20的數字信號輸出端連接著 CPU的數據輸入接口。所述模數轉換器的數字信號輸出端連接著CPU60的數據輸入接口。模擬開關U22 的輸入端與RC濾波電路40的輸出端相連，模擬開關U22的輸出端與單端轉差分運放U18的輸入端相連。模擬開關的控制口線與微處理器U21的I/O 口線相連接。在不改變信號絕 對電壓范圍的情況下，U18把信號動態范圍增大到2倍。有助于提高系統分辨率。信號經 過電路U18后，由單端信號轉換成差分信號，再經過一級差分RC低通濾波電路后，送入ADC 進行模數轉換。ADS1258U20在CPU程序控制下，把需要的模擬信號轉換成24bit的數字信 號，數據通過SPI 口輸入到CPU。CPU電路U21，采用SPI 口與ADS1258進行通訊。轉換完成 的數據，在CPU內部完成進一步的處理后，通過串行口(或并行口，USB 口)傳至上位機，至 此，已完成了心電信號的直流放大以及高速數據采集、處理。微處理器的PA10/12，16，17，18,30端口作為與模數轉換器U20的通訊接口，PAO/ PAl作為與上位機通訊的USART 口。PB19作為PWM輸出接口。由于本發明采用了以上技術方案，本發明具有以下的優點1、高性能，噪聲、共模抑制比等關鍵指標均可以達到很高的水平(抗極化電壓 士600mV，共模抑制比高達121dB，噪聲低至12. 5uVpp，)且基線十分穩定。2、直流放大架構，無時間常數電路，出生物電信號速度快。3、信號輸入動態范圍大，不易飽和。4、器件少，可靠性高。5、支持完善的起搏脈沖檢測。本發明電路結構簡單且具有極高的生物信號采集性能，電路高度集成化，有利于 板卡小型化，可廣泛用于心電，腦電，肌電等各種生物電檢測儀器和各種測控系統，經濟和 社會效益顯著。
圖1是本發明的一種電路結構原理示意圖；圖2是本發明的另一種電路結構原理示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖所示的對本發明作進一步的詳細說明如圖1和圖2所示，一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置，包括輸入保 護/濾波電路10、輸入緩沖電路20、儀表放大電路30、RC低通濾波電路40和模數轉換及外 圍電路50以及CPTO0，輸入保護/濾波電路10采集生物電信號后輸入至輸入緩沖電路20 后，再順序儀表放大電路30、RC低通濾波電路40和模數轉換及外圍電路50 ；由CPU60控制 模數轉換及外圍電路50工作。其中輸入保護&濾波電路濾波電路10共有九路，Zl Z9，每路由1個氣體放電管， 1個限流電阻，1個濾波電容，1個雙二極管組成。限流電阻一端與導聯輸入端相連，另一端 與輸入緩沖Ul的同相輸入端相聯。濾波電容的一端與輸入緩沖Ul同相端相連，另一端與 浮地相連。雙二極管的中心抽頭端與緩沖放大器Ul的同相輸入端相連，另兩端分別與正負 電源相連。由于體表生物電信號十分微弱，生物電信號導聯與人體接觸電阻以及信號源內阻 常常很大，為了有效獲取心電信號，需要設置輸入緩沖電路20，共有九路，每一路由一個低 噪聲單運放構成，此運放具極低的噪聲和偏置電流，滿足低噪聲放大和阻抗轉換的要求。本
5發明在緩沖電路20中采用了 CMOS輸入級的運放，連接成電壓跟隨器形式，可大大提高心電 檢測電路的輸入阻抗，直流輸入阻抗高達IOOGohm以上，可最大限度地獲取生物電信號。儀表放大電路30共有8路，緩沖后的生物電信號，經過儀表放大器30后，共模干 擾被大大抑制。其中每個儀表放大器的反相輸入端都接RA支路的緩沖U2輸出端。每個儀 表放大器的同相輸入端都分別接各自支路的緩沖輸出端。儀表放大器的輸出端VOUT接RC 濾波網絡的電阻，儀表放大器的REF端接浮地。此儀表放大器是第一個增益級，增益較小， 保證可采集到極化電壓而不出現飽和。共模信號的抑制(如50/60HZ工頻干擾)主要在這 一級完成。儀表放大器把輸入的差分信號轉化成單端信號，送到RC濾波級進一步進行處 理。本實施例中采用AD8221單片儀表放大器，可對低頻(IKHz以下)共模信號抑制IOOdB 以上，在中高頻100KHZ點仍有70dB的抑制能力，而大部分儀放對此頻點的共模信號僅有 40dB抑制能力。經過此電路處理后，可獲得干凈的心電信號。RC濾波電路40共有8路，每一路由一個電阻與一個電容構成一階的低通濾波，此 級低通濾波的_3dB截止頻率設置為450HZ ；生物電信號被低通濾波后，送入8通道數據選 擇器。模數轉換及外圍電路50，由8通道選擇(或模擬開關)、單端轉差分放大電路U18， 電壓參考U19，高速高分辨率ADC構成。在圖1的實施例中，模數轉換器U20已經集成了 8通 道選擇器。模數轉換器為高速Delta-Sigma型結構ADC，多通道切換采樣率可達23. 7Ksps, 滿足多通道生物電信號采集的需求。精度可達24bit，可大大降低系統的噪聲水平。其等效 輸入噪聲僅為12uVrms，可以保證系統的等效輸入噪聲水平在12. 5uVpp以下。心電信號通 過數據選擇器后，送入單端轉差分放大電路U18進一步進行處理，在不改變信號絕對電壓 范圍的情況下，U18把信號動態范圍增大到2倍。有助于提高系統分辨率。信號經過電路 U18后，由單端信號轉換成差分信號，再經過一級防混疊差分RC低通濾波電路后，送入ADC 進行模數轉換。ADS1258在CPU程序控制下，把需要的模擬信號轉換成24bit的數字信號， 數據通過SPI 口輸入到CPU。在CPU內部完成進一步的處理后，通過串行口(或并行口，USB 口)傳至上位機，至此，已完成了心電信號的直流放大以及高速數據采集、處理。如圖2中模數轉換器的數字信號輸出端連接著CPTOO的數據輸入接口，模擬開關 U22的輸入端與RC濾波電路40的輸出端相連，模擬開關U22的輸出端與單端轉差分運放 U18的輸入端相連。模擬開關的控制口線與微處理器U21的I/O 口線相連接。由于本發明 模擬增益環節很少，運放、儀放均為低噪聲器件，因此可在模擬通道上采用簡單的一階RC 低通濾波。濾波后的信號被8通道選擇器選擇后，送入U20單端轉差分電路進行第二級增 益放大(通道選擇器由ADS1258集成，需要掃描的通道還可通過配置BITS CHID [4:0]進行 選擇)；放大后的信號為差分信號，動態范圍為放大前的2倍，由ADC對其進行模數轉換。CPU60包括一個微控制器U21，微控制器U21通過串口，并口或USB 口接受用戶要 求的指令，并控制模數轉換和數據采集過程。數據采集開始后，微控制器U21通過SPI 口將 數據采集控制指令發送到8通道選擇器U20，選擇相應的通道，并開始模數轉換。微控制器 U21通過SPI 口將轉換完成的數據取出并存入隨機讀寫存儲器(RAM)，通道選擇器U21選擇 下一通道并開始模數轉換。本發明首先對生物電信號進行阻抗轉換，然后對生物電信號進 行放大后對共模信號進行抑制，再經濾波網絡濾除信號高頻噪聲，由單端轉差分放大器對 生物電信號進行第二次放大，并對放大后的生物電信號進行模數轉換，得到不失真的生物電信號。
權利要求
一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置，其特征在于包括順序連接的輸入保護/濾波電路(10)、輸入緩沖電路(20)、儀表放大電路(30)、RC低通濾波電路(40)和模數轉換及外圍電路(50)以及CPU(60)，輸入保護/濾波電路(10)采集生物電信號后輸入至輸入緩沖電路(20)后，再順序經儀表放大電路(30)、RC低通濾波電路(40)和模數轉換及外圍電路(50)；由CPU(60)控制模數轉換及外圍電路(50)工作后輸出不失真的生物電信號。
2.根據權利要求1所述的一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置，其特征在 于所述輸入保護/濾波電路濾波電路(10)由氣體放電管，限流電阻，濾波電容，雙二極管 組成，其中氣體放電管的兩端分別連著導聯輸入端和浮地，限流電阻一端與導聯輸入端相 連，另一端與輸入緩沖電路(20)的同相輸入端相聯；濾波電容的一端與輸入緩沖電路(20) 同相端相連，另一端與浮地相連，雙二極管的中心抽頭端與緩沖放大器的同相輸入端相連， 另兩端分別與正負電源相連。
3.根據權利要求1所述的一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置，其特征在 于所述輸入緩沖電路(20)，由一個低噪聲單運放構成，單運放為電壓跟隨器形式，同相端 與保護/濾波電路濾波電路(10)中的限流電阻相連，反相端接輸出端并與儀表放大電路 (30)的輸入級相連。
4.根據權利要求1所述的一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置，其特征在 于所述儀表放大電路(30)的同相輸入端都分別接各自支路的緩沖輸出端；儀表放大器的 輸出端接RC低通濾波電路(40)，儀表放大電路(30)的REF端接浮地，儀表放大電路(30) 把輸入的差分信號轉化成單端信號。
5.根據權利要求1所述的一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置，其特征在 于所述RC濾波電路(40)，由一個電阻與一個電容構成一階的低通濾波，電阻一端與儀表 放大器的輸出端相連，另一端連接濾波電容；濾波電容的另一端接浮地，濾波電容與電阻的 公共端接8通道數據選擇器的輸入端。
6.根據權利要求1所述的一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置，其特征在 于所述的模數轉換及外圍電路(50)包括模數轉換器U20，模數轉換器U20的VREFN接負 電源AVSS腳，VREFP接電壓參考U19的輸出端；模數轉換器U20的數字信號輸出端連接著 CPU (60)的數據輸入接口。
7.根據權利要求1所述的一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置，其特征在 于模數轉換及外圍電路(50)中的模擬開關的輸入端與RC濾波電路(40)的輸出端相連， 模擬開關的輸出端與單端轉差分運放的輸入端相連；模擬開關的控制口線與微處理器的 I/O 口線相連接。
8.根據權利要求1所述的一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置，其特征在 于CPU(60)包括一微處理器及外圍電路，其中微處理器的PA10/12，16，17，18，30端口作為 與模數轉換器U20的通訊接口，PA0/PA1作為與上位機通訊的USART 口，PB19作為PWM輸出接口。
全文摘要
本發明公開了一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置，包括順序連接的輸入保護/濾波電路、輸入緩沖電路、儀表放大電路、RC低通濾波電路和模數轉換及外圍電路以及CPU，輸入保護/濾波電路采集生物電信號后輸入至輸入緩沖電路后，再順序經儀表放大電路、RC低通濾波電路和模數轉換及外圍電路；由CPU控制模數轉換及外圍電路工作；本發明首先對生物電信號進行阻抗轉換，然后再對該信號進行放大后對共模信號進行抑制，再濾除高頻噪聲，由單端轉差分放大器對信號進行二次放大，模數轉換后信號的噪聲、共模抑制比等指標均達到很高的水平，且基線十分穩定，信號輸入動態范圍大、不易飽和，同時需要的器件少，提高了裝置的可靠性。
文檔編號A61B5/0428GK101889863SQ20091010738
公開日2010年11月24日 申請日期2009年5月21日 優先權日2009年5月21日
發明者向小飛, 孔令峰, 胡尋橋, 邱四海 申請人:深圳市理邦精密儀器股份有限公司