CN103705230A - 一种生物电检测中的前置级电路 - Google Patents

Abstract

一种生物电检测中的前置级电路，包括：(1)高通滤波器与仪表放大器相融合的基本电路模块，(2)抑制共模干扰的闭合反馈电路模块，等等，其特征是，所述基本电路模块(1)不仅在仪表放大器的变增益电阻R_G处串联了一个电容C，而且将仪表放大器的输出v_o积分反馈至仪表运放的原接地参考端v_f，仪表运放的原接地参考端v_f不再接地。此方案在保证前置级电路高增益的同时，进一步提高了其阻带的衰减能力。

Description

一种生物电检测中的前置级电路

技术领域

本申请涉及一种生物电检测中的前置级电路。 

生物体都是带电的，测量生物体的电活动有利于对生物体的生命活动进行评估。生物电都是弱信号，如传导至人体表的心电信号一般只是毫伏级，脑电更弱、一般只是十微伏百微伏级，因此，检测生物电时往往需要先放大，以减小后端数字化中的量化误差。放大的生物电，一般在模数转换(ADC)前还应该进行模拟抗混滤波，也有先进行过采样再进行数字抗混滤波和重采样的；不管怎样，不妨将抗混滤波前的模拟放大电路称为生物电检测中的前置级电路。 

由于50Hz或60Hz的共模干扰经常很大、可能大至十几个伏特，近似直流的差模极化电压也可能大至二三百个毫伏，因此，生物电检测中的前置级电路设计不容易，既要追求足够大的放大倍数，又要解决好由此可能带来的整个放大器的饱和失效问题。 

本申请将提出一种生物电检测中的前置级电路方案。 

背景技术

早期的生物电检测中的前置级电路，由于种种制约因素的存在，往往又分好几级，从前往后依次包括：仪表放大器、高通滤波器、50Hz或60Hz模拟陷波器、二级放大器等。其中，仪表放大器指一个以仪表运放为核心配之以外围电路构成的放大电路模块，它利用仪表运放的高共模抑制比，在实现10倍以内生物电信号差模放大的同时，最大限度地抑制50Hz或60Hz共模干扰；高通滤波器的目的是哀减极化电压及其他低频干扰，以解决经仪表放大器后作为主要矛盾的极化电压问题；50Hz或60Hz模拟陷波器可以对残留的和新引入的50Hz或60Hz成分进行进一步陷波，为最后上百倍大增益的二级放大器做好准备。 

以上早期前置级电路方案存在的问题是：最前列的仪表放大器的差模增益较低，差模增益主要靠后端的二级放大器贡献，造成整个电路的底噪不能做小。随着仪表运放集成电路水平的提高，仪表放大器的高共模抑制比已足以将50Hz或60Hz干扰成分衰减得足够小，生物电检测中可以不用再安排专门的50Hz或60Hz模拟陷波器。生物电检测中的前置级电路的新趋势是：简化掉模拟陷波器和二级放大器，并将高通滤波器融进前端的仪表放大器来实现高增益。如此以来，抗混滤波前的前置级电路就变成名副其实的前置级电路。 

完整的生物电检测中的前置级电路还应该包括右腿驱动电路，又叫参考电极电路或无关电极电路，不妨也可叫抑制共模干扰的闭合反馈电路，它是将取自前置级电路中的共模电位经反相放大反馈至生物体表，或者将前置级电路中的仪表运放的双极性电源的参考地连至生物体表。生物电检测中的前置级电路，做得再讲究一点，还可包括屏蔽驱动电路，即将导线及电路的屏蔽层与双极性电源的参考地相连。这里，不妨将抑制共模干扰的闭合反馈电路和屏蔽驱动电路之外的前置级电路部分，称为前置级电路的基本模块。更确切地说，生物电检测中前置级电路基本模块的趋势是将高通滤波器融进前端的仪表放大器来实现高增益。 

有文献提出了一种生物电检测中前置级电路基本模块的方案，就是将高通滤波器与仪表放大器相融合来实现高增益，具体地在仪表放大器的变增益电阻R_G处串联一个电容C，详见附图2所示。易推得，图2所示电路有传输函数： 

$H_1\left(s\right)=\frac{V_o\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=1+\frac{2R_2}{R_G+\frac{1}{\mathrm{sC}}}=\frac{G_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0}{s+{\mathrm{\ω}}_0}---\left(1\right)$

其中，

当s→0时，H₁(s)＝1；当s→∞时，H₁(s)＝G₀，即具有所谓的一阶拟高通特性，具有通带增益G₀。 

从图2和式(1)可看出，文献提出的前置级电路基本模块的方案是一个一阶拟高通系统，因此，其对近似直流的极化电压和其他低频干扰分量的抑制能力必然有一定局限性。 

参考文献： 

[1]Van Rijn A C M，Peper A，Grimbergen C A.High-quality recording of bioelectric events[J].Medical and Biological Engineering and Computing，1990，28(5)：389-397. 

[2]Nagel J H.Biopotential amplifiers[J].The Biomedical Engeneering Handbook，1995：1185-1195. 

[3]王三强，何为，石坚：新型脑电信号前置级放大电路设计[J].重庆大学学报，2006，29(6)：51-53 

Wang Sanqiang，He Wei，Shi Jian.New Design of Pre-amplication Circuit for EEG Signal[J].JOURNAL OF CHONGQING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)，Vol.29，No.6，2006，29(6)：51-53 

[4]胡巍，赵章琰，路知远，陈香：无线多通道表面肌电信号采集系统设计[J]电子测量与仪器学报，2009，23(11)：30-35Hu Wei，Zhao ZhangYan，Lu ZhiYuan，Chen Xiang.Design of Wireless multi-channel surface EMG acquisition system[J].JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMEN T，Vol.23No.11，2009，23(11)：30-35. 

[5]左鹏飞，路知远，张永强，董中飞，陈香.32通道无线表面肌电和加速度信号采集系统设计[J].传感技术学报，2013，26(6)：790-795 

Zuo Pengfei，Lu Zhiyuan，Zhang Yongqiang，Dong Zhongfei，Chen Xiang.Design of32-Channel Wireless Surface Electromyography and Acceleration Signals Acquisition System[J].CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS，Vol.26No.6，2013，263(6)：790-795. 

[6]Spinelli E M，Martinez N H，Mayosky M A.A single supply biopotential amplifier[J].Medical engineering&physics，2001，23(3)：235-238. 

[7]Spinelli E M，Martinez N H，Mayosky M A.AC-coupled front-end for biopotential measurements[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2003，50(3)：391-395. 

[8]张宋诚，司峻峰，黄晓林，肇莹，刘红星.高通滤波器积分反馈实现方式的拓展[J].仪器仪表学报，2013，34(7)：1634-1639 

Zhang Songcheng，Si Junfeng，Huang Xiaolin，Zhao Ying，Liu Hongxing.Extension of integral feedback based implementing approach of high pass filter[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，Vol.34No.7，September2013，34(7)：1634-1639. 

[9]Enrique Mario Spinelli，Nolberto Martínez，Miguel Angel Mayosky，Ramon Pallas-Areny：A Novel Fully Differential Biopotential Amplifier With DC Suppression[J].IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERIN G，VOL.51，NO.8，AUGUST2004：1444-1448. 

[10]Winter B B，Webster J G.Driven-right-leg circuit design[J].Biomedical Engineering，IEEE Transactions on，1983(1)：62-66. 

[11]BB，INA128Datasheet，Burr-Brown Incorporated，2005Precision Low Power Instrumentation Amplifiers：INA128datasheet Texas Instrumentshttp://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/ina128.html. 

发明内容

发明目的。 

现有的将高通滤波器融进仪表放大器作为生物电检测中前置级电路基本模块的解决方案，是一个一阶系统方案，本申请拟对此进行改进，提出一个二阶系统方案，以提高前置级电路基本模块对近似直流的极化电压和其他低频干扰分量的抑制能力；同时，提出此条件下前置级电路基本模块与抑制共模干扰的闭合反馈电路模块的连接方案。 

技术方案。 

提出的一种生物电检测中的前置级电路，包括：(1)高通滤波器与仪表放大器相融合的基本电路模块，(2)抑制共模干扰的闭合反馈电路模块，等等，其特征是，所述基本电路模块(1)不仅在仪表放大器的变增益电阻R_G处串联了一个电容C，而且将仪表放大器的输出v_o积分反馈至仪表运放的原接地参考端v_f，仪表运放的原接地参考端v_f不再接地，详见附图1所示。 

以上提出的一种生物电检测中的前置级电路，其特征是，所述基本电路模块(1)在与所述抑制共模干扰的闭合反馈电路模块(2)相连接时，可在R_GC电路旁并联一个由两等值电阻R串接的电路，并将两等值电阻R的串接点即共模电位点v_CM与所述模块(2)相连，见附图3所示；此时，所述模块(2)的功能是对v_CM进行反相放大再反馈至生物体表面，以抑制共模干扰；R较R_G应足够大，以免影响原设计的前置级电路的频率响应。 

以上提出的一种生物电检测中的前置级电路，其特征是，所述基本电路模块(1)在与所述抑制共模干扰的闭合反馈电路模块(2)相连接时，可将前置级电路中的仪表运放的双极性电源的参考地连至生物体表形成闭合反馈回路，以抑制生物体表面的共模干扰电压。见附图4所示。 

经推导，以上提出的图1所示的生物电检测中的前置级电路方案的系统传输函数如下，是一个二阶系统： 

$H_2\left(s\right)=\frac{G_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0}{s+{\mathrm{\ω}}_0}\×\frac{s}{s+{\mathrm{\ω}}_f}=\frac{G_0{s}^2+{\mathrm{\ω}}_{0}s}{s^2+({\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_f)s+{\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\ω}}_f}---\left(2\right)$

其中，

易知，系统极点分别为-ω_f和-ω₀，均在s域左半平面，故此系统为稳定的系统。同时，当s→0时，H₂(s)＝0；当s→∞时，H₂(s)＝G₀，即具有二阶高通特性，通带增益同样为G₀。 

有益效果。 

假定有一仪表运放(R₂＝25kΩ)，要设计一增益G₀＝501、高通滤波3dB衰减截止频率f_c＝0.5Hz的生物电检测的前置级电路。若按文献中图2所示的一阶拟高通滤波方案考虑，则可取公式(1)中的参数：C＝3185μF，R_G＝100Ω；若按本申请提出的图1所示方案考虑，则可取公式(2)相关参数为：C＝4700μF，R_G＝100Ω，R_f＝159kΩ，C_f＝3.3μF。有： 

$H_1\left(s\right)=\frac{501s+3.14}{s+3.14}---\left(3\right)$

$H_2\left(s\right)=\frac{501s^2+2.13s}{s^2+4.04s+4.07}---\left(4\right)$

附图5是根据式(3)和式(4)用matlab画出的幅频特性曲线。表1列出了部分频率点的幅频响应数值。从公式(3)(4)和图5、表1可知，两种方案虽都有通带增益G₀＝501(54dB)，截止频率f_c＝0.5Hz，但本申请提出的图1方案在0.5Hz以下的阻带特性大大优于文献提出的图2方案。 

表1：本发明方案与文献方案在部分频率点的幅频响应对照 

附图说明

图1，本发明生物电检测中前置级电路基本模块方案示意图。 

图2，文献中生物电检测中前置级电路基本模块方案示意图。 

图3，本发明中前置级电路基本模块与抑制共模干扰的闭合反馈电路模块的连接方案1。 

图4，本发明中前置级电路基本模块与抑制共模干扰的闭合反馈电路模块的连接方案2。 

图5，本发明方案与文献方案幅频响应的对照。 

图6，按本发明方案所实现前置级电路基本模块的实测频响与设计频响对照。 

图7，按本发明方案实测的人体心电图及频谱示意图。 

具体实施方式(实施例) 

在面包板上实际搭建本申请提出的一种生物电检测中的前置级电路。以式(4)所描述的增益G₀＝501、高通滤波器3dB衰减截止频率f_c＝0.5Hz的前置级电路的实施为例来说明。仪表运放采用TI公司的INA128，即有电阻R₂＝25kΩ；为了购买器件的方便，仿真计算中给出的本发明方案电路参数实际调整为：C＝4700μF，R_G＝100Ω，R_f＝150kΩ，C_f＝3.3μF；此时，经计算，要实现的理想传输函数变为如下形式，与式(4)略有差异： 

$H_2\left(s\right)=\frac{501s^2+2.13s}{s^2+4.15s+4.3}---\left(5\right)$

按图1在面包板搭建好电路后，在不接抑制共模干扰的闭合反馈电路的情况下，输入端接上信号源，输出端接上示波器，并给电路施加正负5伏电源，对电路的幅频响应图进行了测试，见图6所示；为了便于比较，图6中也画出了按式(5)理论仿真的幅频响应图。从图6中可看出，实测曲线和理论仿真曲线基本吻合，误差应为器件和测量误差所致。 

最后，连接上抑制共模干扰的闭合反馈电路测量实施者心电。左右手臂各接一个电极连至仪表运放的输入端，并分别按图4图5两种方式连接抑制共模干扰的闭合反馈电路至人体(让图4中R＝R₂)，都测得了实施者的心电图，见附图7所示。 

Claims (3)

1.一种生物电检测中的前置级电路，包括：(1)高通滤波器与仪表放大器相融合的基本电路模块，(2)抑制共模干扰的闭合反馈电路模块，等等，其特征是，所述基本电路模块(1)不仅在仪表放大器的变增益电阻R_G处串联了一个电容C，而且将仪表放大器的输出v_o积分反馈至仪表运放的原接地参考端v_f，仪表运放的原接地参考端v_f不再接地。

2.根据权利要求1所述的一种生物电检测中的前置级电路，其特征是，所述基本电路模块(1)在与所述抑制共模干扰的闭合反馈电路模块(2)相连接时，可在R_GC电路旁并联一个由两等值电阻R串接的电路，并将两等值电阻R的串接点即共模电位点v_CM与所述模块(2)相连。

3.根据权利要求1所述的一种生物电检测中的前置级电路，其特征是，所述基本电路模块(1)在与所述抑制共模干扰的闭合反馈电路模块(2)相连接时，可将前置级电路中的仪表运放的双极性电源的参考地连至生物体表形成闭合反馈回路，以抑制生物体表面的共模干扰电压。

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