CN104485914A - 一种生物微弱信号检测与处理电路 - Google Patents

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梁臻宁
孙丽亚
崔凯
李亮
陈伟元
王鹏
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Abstract

本发明公开了一种生物微弱信号检测与处理电路，包含程控滤波电路、差分放大电路、低通滤波器LPF；所述程控滤波电路由运算放大器AMP_1与由电阻与电容并联形成的低通滤波器形成；所述程控滤波电路用于微弱电流分量程检测与滤波；所述差分放大电路与程控滤波电路相连，可完成对已转换的电压小信号的差分放大和去除差分共模电压，以达到输出电压轨到轨的功能；所述低通滤波器LPF连接差分放大电路以滤除工频干扰和高频噪声；本发明所述的生物微弱信号检测与处理电路采用程控滤波分档来检测不同量级的微弱信号电流，以提高信噪比，同时采用差分放大滤除共模信号再滤波，以提高微弱信号的幅值，检测效果好。

Description

一种生物微弱信号检测与处理电路
技术领域
本发明涉及一种采用程控滤波分档来检测不同量级的微弱信号电流，以提高信噪比，同时采用差分放大滤除共模信号再滤波，以提高微弱信号的幅值的生物微弱信号检测与处理电路。
背景技术
微弱信号的检测处理主要包括两个方面，一是在数据采集系统的前端采用硬件措施，滤掉噪声，使微弱信号所占成分增大，便于后续的信号提取；另一方面采用软件处理，在采集系统的前端进行一些简单的滤波处理后，将采集到的信号送入单片机系统，再经过一些软件滤波处理，使微弱信号被检测出来。这两种检测手段都是提高微弱信号的信噪比。而对于像血糖、血脂等生物微弱电流的检测，通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大，使其幅值足以反映被测量的大小，再经过单片机软件处理。但是，由于被测量的信号很微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往比有用信号的幅值还大的多。只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。血糖血脂酶电极检测的主要参数主要有血糖(GLU)、总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL)等，各参数的酶电极反应灵敏度差别较大，基本上不在一个量级。为此，我们研发了一种采用程控滤波分档来检测不同量级的微弱信号电流，以提高信噪比，同时采用差分放大滤除共模信号再滤波，以提高微弱信号的幅值的生物微弱信号检测与处理电路。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种采用程控滤波分档来检测不同量级的微弱信号电流，以提高信噪比，同时采用差分放大滤除共模信号再滤波，以提高微弱信号的幅值的生物微弱信号检测与处理电路。
本发明的技术解决方案是这样实现的：一种生物微弱信号检测与处理电路，包含程控滤波电路、差分放大电路、低通滤波器LPF；所述程控滤波电路由运算放大器AMP_1与由电阻与电容并联形成的低通滤波器形成；所述程控滤波电路用于微弱电流分量程检测与滤波；所述差分放大电路与程控滤波电路相连，可完成对已转换的电压小信号的差分放大和去除差分共模电压，以达到输出电压轨到轨的功能；所述低通滤波器LPF连接差分放大电路以滤除工频干扰和高频噪声。
优选的，所述程控滤波电路中的低通滤波器有多个，每个所述低通滤波器分别由模拟开关控制。
优选的，所述程控滤波电路中的低通滤波器有4个。
优选的，所述差分放大电路，包含运算放大器AMP_2；所述运算放大器AMP_2的同向输入端分别与电阻R5、R6的一端相连，电阻R6的另一端与参考地相连，电阻R5的另一端与程控滤波电路的运算放大器AMP_1的输出端相连；运算放大器AMP_2的反向输入端分别与电阻R7、R8的一端相连，电阻R8的另一端与运算放大器AMP_2的输出端相连，电阻R7的另一端与单片机输出的参考偏置电压PIN5端口相连；电阻R5、R7相等，电阻R6、R8相等且是电阻R5、R7的倍数。
优选的，所述低通滤波器LPF的输入端连接差分运算放大器AMP_2的输出端，完成对工频和高频的干扰的滤波。
优选的，所述程控滤波电路包含实现电流/电压的转换的运算放大器AMP_1，所述运算放大器AMP_1的同向输入端接单片机输出的参考偏置电压PIN5端口，运算放大器AMP_1的反向输入端接被测生物传感器的等效电阻R_TEST，电阻R_TEST另一端接参考地；运算放大器AMP_1的输出端与模拟开关SW1的一端相连，模拟开关SW1的另一端与并联的电阻R1和电容C1的一端相连，并联的电阻R1和电容C1的另一端与运算放大器AMP_1的反向输入端相连；运算放大器AMP_1的输出端与模拟开关SW2的一端相连，模拟开关SW2的另一端与并联的电阻R2和电容C2的一端相连，并联的电阻R2和电容C2的另一端与运算放大器AMP_1的反向输入端相连；运算放大器AMP_1的输出端与模拟开关SW3的一端相连，模拟开关SW3的另一端与并联的电阻R3和电容C3的一端相连，并联的电阻R3和电容C3的另一端与运算放大器AMP_1的反向输入端相连；运算放大器AMP_1的输出端与模拟开关SW4的一端相连，模拟开关SW4的另一端与并联的电阻R4和电容C4的一端相连，并联的电阻R4和电容C4的另一端与运算放大器AMP_1的反向输入端相连，所述模拟开关SW1-SW4由单片机输出控制信号PIN1-PIN4端口分别控制，以完成微弱电流分量程检测与滤波。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的生物微弱信号检测与处理电路采用程控滤波分档来检测不同量级的微弱信号电流，以提高信噪比，同时采用差分放大滤除共模信号再滤波，以提高微弱信号的幅值，检测效果好。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1为本发明所述的生物微弱信号检测与处理电路的电路图；
图2为本发明所述的生物微弱信号检测与处理电路的程控滤波电路的工作原理图；
图3为图2的程控滤波电路的电压噪声波形图；
图4为本发明所述的生物微弱信号检测与处理电路的差分放大电路的工作原理图；
附图5为附图4的电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明。
如附图1所示为本发明所述的生物微弱信号检测与处理电路；包含程控滤波电路、差分放大电路、低通滤波器LPF；所述程控滤波电路包含实现电流/电压的转换的运算放大器AMP_1，所述运算放大器AMP_1的同向输入端接单片机输出的参考偏置电压PIN5端口，运算放大器AMP_1的反向输入端接被测生物传感器的等效电阻R_TEST，电阻R_TEST另一端接参考地；运算放大器AMP_1的输出端O与模拟开关SW1的一端相连，模拟开关SW1的另一端与并联的电阻R1和电容C1的一端相连，并联的电阻R1和电容C1的另一端与运算放大器AMP_1的反向输入端相连；运算放大器AMP_1的输出端O与模拟开关SW2的一端相连，模拟开关SW2的另一端与并联的电阻R2和电容C2的一端相连，并联的电阻R2和电容C2的另一端与运算放大器AMP_1的反向输入端相连；运算放大器AMP_1的输出端O与模拟开关SW3的一端相连，模拟开关SW3的另一端与并联的电阻R3和电容C3的一端相连，并联的电阻R3和电容C3的另一端与运算放大器AMP_1的反向输入端相连；运算放大器AMP_1的输出端O与模拟开关SW4的一端相连，模拟开关SW4的另一端与并联的电阻R4和电容C4的一端相连，并联的电阻R4和电容C4的另一端与运算放大器AMP_1的反向输入端相连，单片机输出控制信号PIN1-PIN4端口分别控制单刀单掷模拟开关SW1-SW4，以完成微弱电流分量程检测与滤波；所述差分放大电路，包含运算放大器AMP_2；所述运算放大器AMP_2的同向输入端分别与电阻R5、R6的一端相连，电阻R6的另一端与参考地相连，电阻R5的另一端与运算放大器AMP_1的输出端O相连；运算放大器AMP_2的反向输入端分别与电阻R7、R8的一端相连，电阻R8的另一端与运算放大器AMP_2的输出端O相连，电阻R7的另一端与单片机输出的参考偏置电压PIN5端口相连；电阻R5、R7相等，电阻R6、R8相等且是电阻R5、R7的倍数，从而可完成对已转换的电压小信号的差分放大和去除差分共模电压达到输出电压轨到轨的功能；所述低通滤波器LPF的输入端I连接差分运算放大器AMP_2的输出端，完成对工频和高频的干扰的滤波；所述低通滤波器LPF的输出端与单片机PIN6端口相连。
如图2所示为本发明所述的生物微弱信号检测与处理电路的程控滤波电路的工作原理图，由于运算放大器AMP_1的同相输入电压和反相输入电压相等。因此当同相端PIN5加上一定值的电压时，反相端即检测电极上也产生等量的电压VPIN5，于是通过控制同相端上的电压，就能实现对检测电极的电压进行控制。由于流入运算运算放大器AMP_1反向端的电流几乎为零，故酶电极的等效电阻R_TEST的响应电流为I＝VPIN5/R_TEST，即流过反馈电阻R1的电流。运算放大器AMP_1的反相端输入电流可以忽略，因此便可得到运算放大器AMP_1的输出电压VOUT＝VPIN5+I×R1，最终实现微弱电流的检测与I-V转换。为了降低等效噪声带宽，在反馈电阻Rl两端并联反馈电容C1，如图2所示。在反馈电路中还具有低通滤波器作用和抵消输入端寄生电容及提高电路稳定性的作用，以尽量降低电路中的噪声。
电阻Rl的电流噪声系数的测量，为电阻两端每伏特直流电压在十倍频程内产生的均方根噪声电压的对数值，用dB表示为：Ev为噪声电压，Vdc为电阻R1两端施加电压。电阻R1并联10nF的电容C1后，示波器输出电压噪声波形如图3所示。测量电阻R1，计算图3其电流噪声系数约为70.5dB。因此，电阻与电容并联的低通滤波器很好的抑制电阻的噪声作用。
如图2所示单电源供电的运算放大器AMP_1的同相端电压由单片机输出端口PIN5提供，同相端参考偏置电压VPIN5经过I-V转换电路后，该共模电压就会出现在输出端，为了扩大检测的输出范围，设计差分放大电路如图4所示，使用轨到轨、低噪声、高输入阻抗、低失调电压、零飘移和低功耗的运算运算放大器。电阻R5、R7相等，电阻R6、R8相等且是电阻R5、R7的若干倍，从而完成对已转换的电压小信号的差分放大和去除差分共模电压达到输出电压轨到轨的功能。输出电压与输入电压的关系如式VOUT＝(VIN-VPIN5)·(R6/R5)。实测本电路，其示波器输出电压波形如图5所示。图示说明可达到轨到轨的输出电压范围。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的生物微弱信号检测与处理电路采用程控滤波分档来检测不同量级的微弱信号电流，以提高信噪比，同时采用差分放大滤除共模信号再滤波，以提高微弱信号的幅值，检测效果好。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种生物微弱信号检测与处理电路，其特征在于：包含程控滤波电路、差分放大电路、低通滤波器LPF；所述程控滤波电路由运算放大器AMP_1与由电阻与电容并联形成的低通滤波器形成；所述程控滤波电路用于微弱电流分量程检测与滤波；所述差分放大电路与程控滤波电路相连，可完成对已转换的电压小信号的差分放大和去除差分共模电压，以达到输出电压轨到轨的功能；所述低通滤波器LPF连接差分放大电路以滤除工频干扰和高频噪声。
2.根据权利要求1所述的生物微弱信号检测与处理电路，其特征在于：所述程控滤波电路中的低通滤波器有多个，每个所述低通滤波器分别由模拟开关控制。
3.根据权利要求2所述的生物微弱信号检测与处理电路，其特征在于：所述程控滤波电路中的低通滤波器有4个。
4.根据权利要求1或2或3所述的生物微弱信号检测与处理电路，其特征在于：所述差分放大电路，包含运算放大器AMP_2；所述运算放大器AMP_2的同向输入端分别与电阻R5、R6的一端相连，电阻R6的另一端与参考地相连，电阻R5的另一端与程控滤波电路的运算放大器AMP_1的输出端相连；运算放大器AMP_2的反向输入端分别与电阻R7、R8的一端相连，电阻R8的另一端与运算放大器AMP_2的输出端相连，电阻R7的另一端与单片机输出的参考偏置电压PIN5端口相连；电阻R5、R7相等，电阻R6、R8相等且是电阻R5、R7的倍数。
5.根据权利要求4所述的生物微弱信号检测与处理电路，其特征在于：所述低通滤波器LPF的输入端连接差分运算放大器AMP_2的输出端，完成对工频和高频的干扰的滤波。
6.根据权利要求3所述的生物微弱信号检测与处理电路，其特征在于：所述程控滤波电路包含实现电流/电压的转换的运算运算放大器AMP_1，所述运算放大器AMP_1的同向输入端接单片机输出的参考偏置电压PIN5端口，运算放大器AMP_1的反向输入端接被测生物传感器的等效电阻R_TEST，电阻R_TEST另一端接参考地；运算放大器AMP_1的输出端与模拟开关SW1的一端相连，模拟开关SW1的另一端与并联的电阻R1和电容C1的一端相连，并联的电阻R1和电容C1的另一端与运算放大器AMP_1的反向输入端相连；运算放大器AMP_1的输出端与模拟开关SW2的一端相连，模拟开关SW2的另一端与并联的电阻R2和电容C2的一端相连，并联的电阻R2和电容C2的另一端与运算放大器AMP_1的反向输入端相连；运算放大器AMP_1的输出端与模拟开关SW3的一端相连，模拟开关SW3的另一端与并联的电阻R3和电容C3的一端相连，并联的电阻R3和电容C3的另一端与运算放大器AMP_1的反向输入端相连；运算放大器AMP_1的输出端与模拟开关SW4的一端相连，模拟开关SW4的另一端与并联的电阻R4和电容C4的一端相连，并联的电阻R4和电容C4的另一端与运算放大器AMP_1的反向输入端相连，所述模拟开关SW1- SW4由单片机输出控制信号PIN1-PIN4端口分别控制，以完成微弱电流分量程检测与滤波。
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