CN101997515B - 一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置，包括顺序连接的输入缓冲电路、差分滤波电路、数据选择器、同相并联放大电路及模数转换电路，输入缓冲电路首先对生物电信号进行阻抗转换，然后经差分滤波电路进行低通滤波后的生物信号通过数据选择器、同相并联放大电路，对生物电信号进行放大并对共模信号进行抑制，再通过抗混叠滤波网络滤除信号高频带外的生物信号的噪声，放大后的信号经模数转换电路进行模数转换后输出。本发明的噪声、共模抑制比可达很高的指标，且基线十分稳定、信号输入动态范围大，不易饱和；可靠性高，能支持完善的PACE检测，同时电路简单、成本低，可用于各种生物电检测仪器和系统，经济效益显著。

Description

一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置

技术领域

本发明涉及一种采集生物电信号的装置，尤其涉及的是全差分同相并联放大的生物电信号采集装置。

背景技术

众所周知，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，由于强干扰(特别是工频干扰)的影响，需要采用仪表放大器。而生物电信号都非常微弱，往往需要放大数百倍以上。当电极与人体皮肤接触，存在极化电压，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进行放大。由于存在时间常数电路，因此在病人极化电压比较大，造成第一级输出饱和时，会对电容进行充电，假设此时病人状况稳定(病人上极化电压达到比较小的正常值)，则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。因此交流装置出信号的速度较慢，而且基线容易漂移，基线恢复慢。传统的交流放大有如下缺点：信号动态范围小；电路十分复杂、噪声大；放大器饱和与基线恢复慢(基线漂移)的问题。起搏(PACE)脉冲检测问题。还有抗扰能力不佳，丢失信号直流成分以及接近直流信号的交流信号的问题。

为解决以上问题，业界多采用带仪表放大器的直流放大电路装置，但是，传统的直流放大装置但仍存在以下不足：

电路仍比较复杂，且放大环节众多，对于控制系统噪声不利；抑制共模干扰的能力差。同时采用的仪表放大器后的信号都是单端信号，对于空间偶合到仪表放大器之后信号线上的共模干扰无法排除。

成本高昂，仪表放大器普遍价格不菲，若采用三运放搭建仪表放大器，一方面成本仍比本文的同相并联放大器结构高，另一方面，三运放搭建的仪表放大器，共模抑制比受限于匹配电阻精度，难以提高，一般60dB已经相当不错。

总之，采用传统的直流放大电路装置，难以同时回避成本高和共模抑制比不理想的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种低成本高性能的全差分同相并联放大器装置，其能大大简化了生物电前端电路的设计；既可以达到很高的性能，又可以保持较低的成本。

本发明是通过以下技术方案实施的：

一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置，其特征在于：包括顺序连接的输入缓冲电路、差分滤波电路、数据选择器、同相并联放大电路及模数转换电路，输入缓冲电路首先对生物电信号进行阻抗转换，然后经差分滤波电路进行低通滤波后的生物信号通过数据选择器、同相并联放大电路，对生物电信号进行放大并对共模信号进行抑制，再通过抗混叠滤波网络滤除信号高频带外的生物信号的噪声，放大后的信号经模数转换电路进行模数转换后输出。

所述输入缓冲电路共有九路，即U1～U9；每一路由一个低噪声单运放构成，单运放的接成电压跟随器形式，同相端与电路的限流电阻相连，反相端接输出端并与差分滤波电路的输入级相连。

差分滤波电路共有8路，每一路由两个电阻与一个电容构成一阶的差分低通滤波；电阻一端与缓冲电路的输出端相连，另一端连接滤波电容，电阻另一端还与数据选择器的输入级相连，滤波电容的另一端接浮地；滤波电容两端都分别与滤波电阻相连。

所述数据选择器为高分辨率模数转换器内部集成的模拟开关，可配置为8选一差分输入差分输出模式，8个差分输入端分别接I导、II导、V1～V6导的差分滤波输出端。

所述差分同相并联放大电路为一路，电路主体由双运放U10、U11，电阻R19～R23，电容C9构成，其中U10的同相端与数据选择器的正相输出MUXP相连；U11的同相端与数据选择器的负相输出MUXN相连；U10、U11的反相输入端都接与电阻R19相连；U10、U11的反相端分别经过电阻R20、R21与U10、U11输出端相连；U10、U11的输出端分别与滤波网络的电阻R22、R23一端相连，R22，R23的另一端分别与滤波电容C9相连；与C9相连R22、R23的一端还分别与模数转换器的正输入端IN+、负输入端IN-相连。

模数转换器的IN+、IN-分别与R22，R23相连；模数转换器的数字信号输出端通过SPI口或LVDS口与微处理器相连。

由于本发明采用了以上技术方案，本发明的噪声，共模抑制比均可以达到很高的指标，且基线十分稳定；出生物电信号速度快。信号输入动态范围大，不容易饱和。可靠性高，还能支持完善的PACE(起搏脉冲)检测。其成本远低于采用集成仪放的经典直流放大装置。同时电路结构简单，高度集成化，有利于板卡小型化。产品易制易销，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是本发明的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明：

参见图1，本同相并联差分直流放大电路装置，包括输入缓冲器、全差分RC滤波电路、通道选择器、同相并联差分放大电路、模数转换电路，输入缓冲电路首先对生物电信号进行阻抗转换，然后经差分滤波电路进行低通滤波后的生物信号通过数据选择器、同相并联放大电路，对生物电信号进行放大并对共模信号进行抑制，再通过抗混叠滤波网络滤除信号高频带外的生物信号的噪声，放大后的信号经模数转换电路进行模数转换后输出。

其中输入缓冲电路U1～U9，一共有9路，每一路分别由气体放电管，限流电阻，滤波电容，藕合电容，钳位双二极管组成。其中RA支路是共用的。其它8路缓冲都分别与RA支路作差。此输入缓冲电路的目的是为后级电路提供低输出阻抗的信号源。

全差分滤波电路，共8路，每一路分别由两个电阻与一个电容组成。全差分滤波电路的采用，保证滤波效果的同时，共模抑制比并不会因为器件参数的离散性而降低。

由高分辨率ADC集成为通道选择器，可配置为8选一差分模拟开关。

同相并联差分放大电路，电路主体由双运放U10、U11，电阻R19～R23，电容C9构成，其中U10的同相端与数据选择器U12的正相输出MUXP相连；U11的同相端与数据选择器U12的负相输出MUXN相连；U10、U11的反相输入端都接与电阻R19相连；U10、U11的反相端分别经过电阻R20、R21与U10、U11输出端相连；U10、U11的输出端分别与滤波网络的电阻R22、R23一端相连，R22，R23的另一端分别与滤波电容C9相连；与C9相连R22、R23的一端还分别与模数转换器的正输入端IN+、负输入端IN-相连。由仪表放大器的相关理论可知，由U10，U11构成的同相差分放大电路第一级，其共模抑制比与电阻R19～R23的精度完全无关，与U10，U11自身的CMRR参数无关，仅与U10，U11的CMRR一致性有关。这是因为第一级为同相并联的结构，两个电阻R20、R21很容易对称平衡。第一级电路具有完全对称形式，这种对称结构有利于克服电阻的失配影响。所以第一级电路外路电阻的共模抑制能力无需再讨论。仅考虑运算放大器本身的共模抑制能力。实际上，第一级的输出U1、U2在回路里不产生共模电流，加在电阻R19上的差动电压决定了整个电路的工作电流，而加在这个电位器上的共模电压对此电流毫无影响。无论电阻R19、R20、R21取何值均如此。所以电路的共模以致能力与外回路电阻是否匹配完全无关。此外，并联结构电路能利用电路结构的对称、失调互补的原理，使共模误差电压互相抵消，获得低漂移和高稳定性。对于差模信号可以方便地进行增益调节，给使用带来很大方便。

U10，U11采用双运放器件，由于集成在一个硅片中，参数一致性很高，因此可保证同相并联差分放大器有相当高的CMRR值。此级是唯一一级提供模拟增益的电路。具有以下几个功能：提供共模型抑制比与模拟增益、提供高输入阻抗的放大级、降低由于模拟开关导通电阻造成的信号损失、兼作ADC驱动与抗混叠滤波。

模数转换器电路，包括差分输入的高分辨率ADC，集成8选一差分模拟开关，该ADC要求具备较高的共模一致比，此处的作用相当于仪表放大器的第三个运放——差分转单端运放。是最终的把抑制共模信号的器件。因此，本发明的基本原理是差分同相并联放大电路与ADC共同组成了一个综合的仪表放大器。省略了经典的直流放大架中的仪表放大器芯片，且能实现同样的功能。这样就达到了高性能低成本的目标。

包括ADC在内的整个同相并联差分放大电路的共模抑制比，计算公式如下：

$\mathrm{CMRR}=\frac{{\mathrm{AD}}_1*{\mathrm{CMRR}}_{12}*{\mathrm{CMRR}}_3}{{\mathrm{AD}}_1*{\mathrm{CMRR}}_3+{\mathrm{CMRR}}_{12}}..................1$

式中CMRR为整个电路的共模抑制比，AD₁为同相并联放大电路第一级的差分增益。CMRR₁₂为第一级的共模抑制比，CMRR₃为ADC的共模抑制比。式中CMRR₁₂由U10、U11的共模抑制比决定，即 ${\mathrm{CMRR}}_{12}=\frac{{\mathrm{CMRR}}_1*{\mathrm{CMRR}}_2}{{\mathrm{CMRR}}_1+{\mathrm{CMRR}}_2}............2$ 2式中CMRR1、CMR2分别是U10，U11运放本身的共模抑制比。由于选用集成的双运放，同种工艺保证了其参数非常接近，一般CMRR₁、CMRR₂可达到仅相差0.5dB，因此由2式决定的CMRR₁₂可高达到160dB以上。因此1式可简化为：

CMRR＝AD₁*CMRR₃    3

上式即为同相差分放大电路整个架构的共模抑制比表达式；式中AD₁为同相差分放大第一级的差分增益，CMRR3为高分辨率ADC的共模抑制比，此表达式与经典三运放构成的仪放共模抑制比推导公式是相同的。由3式可知，为获得尽量高的CMRR，仪放的增益应尽量安排在第一级，即提高AD1，同时提高第三个运放包含外围匹配电阻在内的共模抑制比CMRR3。由于提高CMRR3对经典仪表放大器的第三个运放外围电阻匹配要求很高，电阻精度一般做到10E-4是困难的。因此CMRR3一般只能达到80dB。因此当总增益为2时(本例中仪放第一级增益为2，第二级差分增益一般为1)，经典三运放仪放的CMRR仅能达到86dB(注意：此处指的是集成的仪表放大器，电阻匹配比较好。若用分立三运放与电阻搭建仪表放大器，电阻精度一般仅在10E-3，这样CMRR一般最高只能达到66dB左右。

由于本发明采用了高分辨率ADC，其共模抑制比一般能达到50/60HZ90Db，由于是ADC提供共模抑制比，消除了常见仪表放大器电路中电阻匹配精度的不利影响。在本同相差分放大电路中，假设同相并联级增益同为2，则整个电路的CMRR能达到96dB，不仅关键指标CMRR大大高于分立三运放搭建的仪放(高30dB以上)，与经典的集成仪表放大器相比也有优势，而且成本大大低于采用集成仪放的电路，性价比优异。尤其是在多通道心脑电图机中应用，优势十分明显。

Claims (1)

1.一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置，其特征在于：包括输入缓冲电路、差分滤波电路、数据选择器、同相并联放大电路及模数转换电路，输入缓冲电路首先对生物电信号进行阻抗转换，然后经差分滤波电路进行低通滤波后的生物电信号通过数据选择器、同相并联放大电路，对生物电信号进行放大并对共模信号进行抑制，再通过抗混叠滤波网络滤除信号高频带外的生物电信号的噪声，放大后的信号经模数转换电路进行模数转换后输出；

所述输入缓冲电路共有九路,即U1～U9；每一路由一个低噪声单运放构成，单运放以电压跟随器的形式接成，同相端与输入电路的限流电阻相连，反相端接运放输出端并与差分滤波电路的输入级相连；

差分滤波电路共有8路，每一路由两个电阻与一个电容构成一阶的差分低通滤波；电阻一端与缓冲电路的输出端相连，另一端连接滤波电容，电阻另一端还与数据选择器的输入级相连；滤波电容两端都分别与滤波电阻相连；

所述同相并联放大电路为一路，电路主体由双运放U10、U11，电阻R19～R23，电容C9构成，其中U10的同相端与数据选择器U12的正相输出MUXP相连；U11的同相端与数据选择器U12的负相输出MUXN相连；U10、U11的反相输入端都与电阻R19相连；U10、U11的反相输入端分别经过电阻R20、R21与U10、U11输出端相连；U10、U11的输出端分别与滤波网络的电阻R22、R23相连，R22，R23的另一端分别与滤波电容C9相连，R22，R23的另一端还分别与模数转换器U12的正输入端IN+、负输入端IN-相连。

2、根据权利要求1所述的一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置，其特征在于：所述数据选择器为高分辨率模数转换器内部集成的模拟开关，可配置为8选一差分输入差分输出模式，8个差分输入端接分别接I导、II导、V1～V6导的差分滤波输出端。

3、根据权利要求1所述的一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置，其特征在于：模数转换器U12的IN+、IN-分别与R22，R23相连；U12的数字信号输出端通过SPI口或LVDS口与微处理器相连。

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