CN103654766A

CN103654766A - 弱生理信号低倍率放大装置

Info

Publication number: CN103654766A
Application number: CN201310567024.0A
Authority: CN
Inventors: 郭建平; 严洪; 姚宇华; 卫毅; 殷学民; 张喆; 陈浩
Original assignee: China Astronaut Research and Training Center
Current assignee: China Astronaut Research and Training Center
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2014-03-26

Abstract

一种弱生理信号低倍率放大装置，包括：包括：在线阻抗检测网络模块(1)，低倍率直流放大模块、信号采集转换模块(2)、电磁隔离模块，数据传输模块(7)，信号处理单元(13)，显示模块(14)，检测电极(11)。

Description

弱生理信号低倍率放大装置

技术领域

本发明涉及一种弱生理信号低倍率放大装置。

背景技术

生理信号提取技术已经广泛应用临床和研究，但它存在以下缺点：1.信号提取采用交流放大，使得提取频带受到限制，不利于研究信号的本质。2.目前，信号提取采用通道切换技术，使得通道隔离度低；直流跳变和交流耦合的因素，使得信号平稳时间加长。具体体现在：皮肤生理电信号具有频率低、幅度弱、输出阻抗大、易受干扰的特点，对提取放大系统有较高的要求。如心电信号，幅度为10uV一5mV，频率为0.05～100Hz，所以极易受环境的影响。脑电信号比心电还要弱100倍，一般只有50μV左右，幅值范围为5μV～100μV，频率分δ波段((1-4Hz)，θ波段(5-7Hz)，α-1波段(8-10Hz)，α-2波段(11-12Hz，β-1波段(13-18Hz)，β-2波段(19-31Hz)以及γ波段(大于31HZ)。传统的生理电放大器结构为缓冲级、仪表放大级、高通滤波级、主放大级、低通滤波级。其中主放大级，一般为多级放大，需要放大器数量多，功耗增大、系统可靠性降低、噪声引入途径多。

发明内容

本发明提出一种基于直流放大和并行采集的低倍率放大装置，该装置改变目前通用的生理信号采集放大模式，在生理信号采集前端利用低至20倍的直流放大技术进行信号放大，最大可能地保留弱生理信息，运用多通道并行采集技术，实现真正没有通道切换带来的时域相变，通过数学计算，实现软件共模抑制比。其次通过数字滤波器，其优点是稳定度高、一致性好、信号同步。另外，系统的组成减少器件数量，功耗降低、EMC性能好，系统更加可靠。运用一级直流放大，把所有信息全部采集，设计精密的数字滤波器和数字差分算法，提取有用的生理信号。这种一级直流放大和高分辨率模数转换技术，为并行多通道生理信号提取提供了可能。这种设计技术，节约了大量放大器，同时减少了阻容器件，降低了功耗，电路噪声减少了引入途径，一定范围提高了信噪比。

为实现上述目的，本发明的弱生理信号低倍率放大装置包括：在线阻抗检测网络模块(1)，低倍率直流放大模块、信号采集转换模块(2)、电磁隔离模块，数据传输模块(7)，信号处理单元(13)，显示模块(14)，检测电极(11)，其特征在于：所述检测电极(11)为生理信号传感器，所述在线阻抗检测网络模块用于检测所述检测电极(11)与皮肤是否实现充分接触，以决定是否进行生理信号的采集，所述低倍率直流放大模块包括单极性直流放大模块(9)和双极性直流放大模块(10)，所述单极性直流放大模块(9)用于放大所采集的脑电信号，所述双极性直流放大模块(10)用于放大所采集的心电信号，所述信号采集转换模块(2)包括多个数模转换模块A/D和第一中央处理单元(22)，所述多个数模转换模块用于将采集的模拟信号转换为数字信号，然后经第一中央处理单元(22)处理之后传送至所述数据传输模块(7)，所述电磁隔离模块用于实现信号采集模块(2)与数据传输模块(7)之间的双向电磁隔离，所述数据传输模块将接收到的信号分别传送至信号处理单元(13)和显示模块(14)。

在所述在检测电极和皮肤之间增加导电膏或进行皮肤表面处理，以减小接触电阻。

所述检测电极包括Ag或AgCl电极。

所述多个数模转换模块的数量为40个，能够对40路信号进行同步采集，实现信号之间相互组计算。

所述所述数据传输模块包括高速USB2.0数据传输模块，其为CY7C68013接口芯片，其具480MHz的传输能力。

所述数据传输模块7与显示模块(14)通过RS232进行连接。

所述信号采集模块(2)具有输出PWM的端口，所输出的PWM信号经过电平转化单元(8)后转换为供在线阻抗检测网络模块使用的正弦信号。

所述电磁隔离模块包括磁隔离模块(5)和电隔离模块(6)。

所述数模转换模块的时钟频率为7.168MHz。

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本发明弱生理信号低倍率放大装置的组成示意图；

图2为单极性放大模块同相放大结构示意图；

图3为单极性放大模块的电原理示意图；

图4为仪表放大器AD620的放大原理示意图；

图5为双极性放大模块的放大原理示意图；

图6为在线阻抗检测网络模块的电路结构图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。

如图1所示，本发明的弱生理信号低倍率放大装置包括：在线阻抗检测网络模块1，低倍率直流放大模块、信号采集转换模块2、电磁隔离模块5和6，数据传输模块7，信号处理单元13，以及显示模块14。

该装置还包括Ag或AgCl检测电极11，也即生理信号传感器。电极一皮肤接触阻抗的大小影响着脑电、心电等生理信号的质量，过大容易引入50Hz干扰，生理信号的幅度也减小。在线阻抗检测是通过给电极一皮肤接触面施加交流电流，检测电极一皮肤接触面反应的电压信号，计算R＝U/I。如果阻抗过大，就要增加导电膏或进行皮肤表面处理(用砂纸打磨角质层)，以减小接触电阻。这种在正式记录前，直接客观的观测接触阻抗，保障了记录信号的信噪比。

在线阻抗检测网络模块1用于检测Ag或AgCl检测电极11与皮肤是否实现充分接触，以决定是否进行信号的采集。依靠由信号采集转换模块2和电平转化单元8提供的正弦信号可稳定的实现该检测。使用正弦信号进行接触的检测属于现有技术的内容，在此无须进行更加详细的说明。在线阻抗检测网络模块的电路构造如图6所示。

低倍率直流放大模块包括单极性直流放大模块9和双极性直流放大模块10，直流放大，反应了更宽的生理信号可以记录，能够更真实地反应信号的成份。其次避免象交流放大因阻容网络参数精度不一致带来的信号失真。同相直流放大，提高了放大器的输入阻抗。生理电信号一般通过金属拾取，在与皮肤接触时会产生极化直流电位，一般在百mV以上，而模数转换范围±2.5V，因而采用低倍率放大。低倍率放大，放大系统的稳定性高，反应快，没有AC放大时间常数。其中的单极性直流放大模块9用于放大脑电信号，双极性直流放大模块用于放大心电信号。

低倍率单极性放大原理：单极性放大器一般采用同相放大结构，如图2所示。同相放大具有输入阻抗Rin高的特点，适于对源阻抗高的生理信号。

放大倍数

A = \frac{V_{out}}{V_{in}} = \frac{R_{G} + R_{F}}{R_{G}} = 1 + \frac{R_{F}}{R_{G}}

那么，电路的噪声及偏置出所选择放大器决定。为了节省功耗，能够适用于USB接口供电模式，选择AD公司生产的具有精密pA输入电流特性的OP497。

其特点为：

低偏置电压：75μV maximum

低偏置电流：150pA maximum(25℃)

开环增益：2000V/mV minimum

电流：625μA maximum

工作电压：从±2V到±20V

共模抑制比：114dB minimum。

其电原理如图3所示。从原理图中知，放大倍数为19倍。生理信号幅度一般在mV级以下，极化电位在百mV以上，可见信噪比很差。为了能够在信噪比性能很低的情况下获得有用的生理信号，必须设计分辨率在uV以下AD，在数字领域进行处理。

低倍率双极性放大原理：

双极性放大可以有效提高共模抑制比，将共模信号在系统前端抑制掉，尤其极化电位和50Hz干扰信号。一般生理放大器均采用双极性放大。其原理如图4所示。仪表放大器的输入缓冲放大器以单位增益(或低增益)通过共模信号。相反，两个缓冲器放大信号电压。来自两个缓冲器的输出信号连接到该仪表放大器的减法器单元。在这里(通常以低增益或单位增益)放大差分信号，而衰减(典型值为10，0001：或以上)共模电压。

选用仪表放大器AD620作双极性放大器。其放大原理如图5所示。从图中知道，

同单极性放大器一样，双极性放大器只对共模信号进行抑制，而对差模信号放大，可以有效抑制极化电位和50Hz共模信号，能够有效提高信噪比。同理，双极性放大采用直流放大，能有效保持信号的所成份，信号失真较小。

本发明采用低倍率直流放大模块分别对心电和脑电信号进行放大，然后将放大后的信号在信号处理单元13内进行处理，省略了现有技术中的高通滤波器。

信号采集转换模块2包括40个A/D(模拟数字转换器)3，能够对40路信号进行同步采集，真正实现信号之间相互组计算。如计算信号差分、信号和中心共地、信号导联推导等功能。采用菊花链的形式将40个AD串联组成，同一个时钟、启动信号、复位信号、参考源保障了模数转换的一致性。当然，其中A/D的数量并不仅限于40个，也可以是其他的数量。其中的时钟频率为7.168MHz。该信号采集转换模块还包括中央处理单元22，中央处理单元内设置有串行外设接口SPI23和脉冲宽度调制信号PWM输出端口21。其中SPI23用于接收由A/D转换器转换后的信号，PWM端口21的输出信号经过电平转化单元8的转化后变为稳定的正弦信号，该正弦信号用于实现在线阻抗检测网络模块1对于电极的接触检测。

本发明中以软件的形式产生脉冲宽度调制的方波信号，该方波信号再由电平转化单元8进行转化以变为可供在线阻抗检测网络模块1使用的稳定的正弦信号，相对于现有技术使用单独的正弦信号产生芯片来说，可降低系统的负载性并由此降低成本。

信号采集转换模块2与数据传输模块7之间使用磁隔离模块5和电隔离模块6实现模块2和模块7之间的电磁双向隔离。

数据传输模块7包括中央处理单元71以及高速USB2.0数据传输模块73，该模块73为CY7C68013芯片，它是一款高性能的USB2.0接口芯片，具有高速、GPIF接口、FIF0接口、连接方便的特点。该数据传输模块73通过USB4实现与信号处理单元13。并且其480MHz的传输性能，极大满足了40导以上数据传输。该模块7还包括RS232端口74，用于实现与显示模块14的连接。

所述的高压磁隔离模块5运用AD公司的i Coupler技术，替代传统的光藕隔离。具有速度高，接口电路简单，隔离电压高的特点。我们选用ADuM2200/ADuM2201，其特点为：

高隔离：5000V rms

安全标准：IEC61000-4-x

低功耗：5V operation

1.6mAper channel maximum0Mbps to2Mbps

3.7mAper channel maximum10Mbps

3V operation

1.4mA per channel maximum0Mbps to2Mbps

2.4mA per channel maximum10Mbps

通信模式：双向通信

适应3V/5V电平转换

本装置达到的硬件技术指标如下：

通道：40

共模抑制比CMRR：＞100dB；

带宽：DC～524Hz；

分辨率：22bit；

采样率：

增益：

阻抗测量：1kΩ～50kΩ。

以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明后附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种弱生理信号低倍率放大装置，包括：在线阻抗检测网络模块(1)，低倍率直流放大模块、信号采集转换模块(2)、电磁隔离模块，数据传输模块(7)，信号处理单元(13)，显示模块(14)，检测电极(11)，其特征在于：所述检测电极(11)为生理信号传感器，所述在线阻抗检测网络模块用于检测所述检测电极(11)与皮肤是否实现充分接触，以决定是否进行生理信号的采集，所述低倍率直流放大模块包括单极性直流放大模块(9)和双极性直流放大模块(10)，所述单极性直流放大模块(9)用于放大所采集的脑电信号，所述双极性直流放大模块(10)用于放大所采集的心电信号，所述信号采集转换模块(2)包括多个数模转换模块A/D和第一中央处理单元(22)，所述多个数模转换模块用于将采集的模拟信号转换为数字信号，然后经第一中央处理单元(22)处理之后传送至所述数据传输模块(7)，所述电磁隔离模块用于实现信号采集模块(2)与数据传输模块(7)之间的双向电磁隔离，所述数据传输模块将接收到的信号分别传送至信号处理单元(13)和显示模块(14)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述在检测电极和皮肤之间增加导电膏或进行皮肤表面处理，以减小接触电阻。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测电极包括Ag或AgCl电极。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个数模转换模块的数量为40个，能够对40路信号进行同步采集，实现信号之间相互组计算。

5.如权利要求1所述的装置，所述数据传输模块包括高速USB2.0数据传输模块，其为CY7C68013接口芯片，其具480MHz的传输能力。

6.如权利要求1所述的装置，所述数据传输模块7与显示模块(14)通过RS232进行连接。

7.如权利要求1所述的装置，所述信号采集模块(2)具有输出PWM的端口，所输出的PWM信号经过电平转化单元(8)后转换为供在线阻抗检测网络模块使用的正弦信号。

8.如权利要求1所述的装置，所述电磁隔离模块包括磁隔离模块(5)和电隔离模块(6)。

9.如权利要求1或4所述的装置，所述数模转换模块的时钟频率为7.168MHz。