CN105958965B - 一种应用于人体生理信号的低通滤波器 - Google Patents

一种应用于人体生理信号的低通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于人体生理信号的低通滤波器；包括一个滤波单元或多个依次串联连接的滤波单元，滤波单元包括运算放大电路，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2和电容C3；电阻R1的一端用于连接人体生理信号，电阻R1的另一端通过依次串联的电阻R3和电阻R4连接至运算放大电路的反向输入端；运算放大电路的输出端用于输出小于10HZ的低频人体生理信号。本发明采用全模拟电路实现对采集到的人体生理信号的低通滤波。本发明的基本模块是一个三阶有源低通滤波器，在运用中，根据电路精度、功耗等参数的要求，有三阶，六阶，九阶和更高阶滤波电路可供选择，根据信号频率的不同，调节电路中的电阻和电容的大小滤出所需频段的信号。

Description

一种应用于人体生理信号的低通滤波器
技术领域
本发明属于模拟集成电路实现领域，更具体地，是应用于人体生理信号的低通滤波器。
背景技术
低通滤波电路在可穿戴设备中占有十分重要的位置，而可穿戴设备逐渐成为人们生活中的必备品。低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器，巴特沃斯滤波器原则是带内带外最佳平稳，但是低阶的过渡带比较宽，切比雪夫滤波器原则是过度带可以很窄，但是带内带外幅频震荡比较严重，由于人体生理信号比较微弱，所以在处理这类信号时一般会选择前者。除此之外，在可穿戴设备上无源滤波器也时常被采用。
目前，滤波器分为无源滤波器和有源滤波器，在可穿戴设备上，有很多采用无源滤波器，而无源滤波器包括RC滤波器和RL滤波器，首先它们相对于有源滤波器来说，集成度较差，由于可穿戴设备对面积和体积的要求，它们不适合在可穿戴设备上使用，而有源滤波器集成度较高，可以将面积最小化，同时又能达到想要的滤波效果。其次，信号经过无源滤波器后会有一定程度的衰减或者失真，而人体生理信号本身就比较微弱，如果滤波后有失真或者衰减，会严重影响人的判断。而信号通过有源滤波器后衰减或失真会比经过无源滤波器后小得多。
而在有源滤波器方面，在实际使用时，我们一般会采用较高阶的低通滤波器来达到较好的滤波效果，这样就会带来功耗大和占用面积大的问题，这就不利于在可穿戴设备上使用。本发明实现了基本模块三阶有源低通滤波器，在实现较好滤波效果的同时减少了电路。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于人体生理信号的低通滤波器，旨在解决在可穿戴设备上对于采集到的人体生理信号的低通滤波后信噪比低的问题。
本发明提供了一种应用于人体生理信号的低通滤波器，包括一个滤波单元或多个依次串联连接的滤波单元，所述滤波单元包括运算放大电路A1，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2和电容C3；电阻R1的一端用于连接人体生理信号，电阻R1的另一端通过依次串联的电阻R3和电阻R4连接至所述运算放大电路A1的反向输入端；电阻R1的另一端还通过电阻R2连接至运算放大电路A1的输出端；电阻R1的另一端还通过电容C1接地；电容C2的一端连接至电阻R3与电阻R4的串联连接端，电容C2的另一端连接至运算放大电路A1的输出端；电容C3的一端连接至运算放大电路A1的反向输入端，电容C3的另一端连接至运算放大电路A1的输出端；运算放大电路A1的正向输入端接地；运算放大电路A1的输出端用于输出小于10HZ的低频人体生理信号。
更进一步地，运算放大电路A1包括：偏置模块、补偿模块、第一放大模块和第二放大模块；第一放大模块的输入端作为运算放大电路A1的正相输入端和反相输入端，所述第一放大模块的控制端连接至所述偏置模块的输出端，第二放大模块的第一输入端连接至所述偏置模块的输出端，第二放大模块的第二输入端连接至所述第一放大模块的输出端，第二放大模块的输出端作为运算放大电路A1的输出端；补偿模块的输入端连接至第一放大模块的输出端，补偿模块的输出端连接至所述第二放大模块的输出端；偏置模块用于给第一放大模块和第二放大模块提供偏置电压使得第一放大模块和第二放大模块正常工作；第一放大模块用于对人体生理信号进行放大；第二放大模块用于对经过第一放大模块放大后的人体生理信号再进行放大；补偿模块用于对经过第一放大模块放大后的人体生理信号进行补偿使得其不失真。
更进一步地，所述偏置模块包括：第六晶体管M6，第七晶体管M7，第八晶体管M8，第九晶体管M9，第十晶体管M10，第十一晶体管M11和电阻R0；电阻R0一端接地，另一端与所述第六晶体管源级连接；第六晶体管M6的漏极与第八晶体管M8的源级连接，第六晶体管的栅极与所述第七晶体管M7的栅极连接；第七晶体管M7的源级接地，第七晶体管M7的漏极与第九晶体管M9的源级连接，第七晶体管M7的栅极和其漏极连接；第八晶体管M8的栅极与第九晶体管M9的栅极连接，第八晶体管M8的漏极与第十晶体管M10的漏极连接；第九晶体管M9的漏极与第十一晶体管M11的漏极连接，所述第九晶体管M9的栅极和其漏极连接；第十晶体管M10的源级连接电源VDD，第十晶体管M10的栅极与所述第十一晶体管M11的栅极连接，第十晶体管M10的漏极和其栅极连接；第十一晶体管M11的源级连接电源VDD；第十晶体管M10的栅极和第十一晶体管M11的栅极连接后作为所述偏置模块的输出端。
更进一步地，第一放大模块包括：第一晶体管M1，第二晶体管M2，第三晶体管M3，第四晶体管M4和第五晶体管M5；第一晶体管M1的漏极与所述第三晶体管M3的漏极连接，所述第一晶体管M1的源级与所述第五晶体管M5的漏极连接；第二晶体管M2的漏极与所述第四晶体管M4的漏极连接，所述第二晶体管M2的源级与所述第五晶体管M5的漏极连接；第三晶体管M3的源级接地，第三晶体管M3的栅极与第四晶体管M4的栅极连接，第三晶体管M3的栅极与其漏极连接；第四晶体管M4的源级接地；第五晶体管M5的源级连接电源VDD；第一晶体管M1的栅极和第二晶体管M2的栅极作为第一放大模块的输入端，所述第五晶体管M5的栅极作为第一放大模块的控制端，第二晶体管M2和所述第四晶体管M4的漏极连接后作为第一放大模块的输出端。
更进一步地，第二放大模块包括第十二晶体管M12和第十三晶体管M13；第十二晶体管M12的源极连接电源VDD，第十二晶体管M12的栅极作为所述第二放大模块的第一输入端；第十三晶体管M13的源极接地，所述第十三晶体管M13的栅极作为所述第二放大模块的第二输入端；第十二晶体管M12的漏极与所述第十三晶体管M13的漏极连接后作为所述第二放大模块的输出端。
更进一步地，所述补偿模块包括电容C0，所述电容C0的一端作为所述补偿模块的输入端，所述电容C0的另一端作为所述补偿模块的输出端。
更进一步地，所述第一晶体管M1，第二晶体管M2，第五晶体管M5，第十晶体管M10，第十一晶体管M11和第十二晶体管M12均为PMOS管；所述第三晶体管M3，第四晶体管M4，第六晶体管M6，第七晶体管M7，第八晶体管M8，第九晶体管M9和第十三晶体管M13均为NMOS管。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于在实际运用中通常需要串接多个低阶低通滤波器来实现高阶滤波，本发明是三阶有源低通滤波器，相对于其他低阶来说，能够取得面积较小，同时又能达到滤波要求的有益效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的应用于人体生理信号的低通滤波器的电路结构示意图；
图2是本发明实施例提供的应用于人体生理信号的低通滤波器中运算放大电路的原理框图；
图3是本发明实施例提供的应用于人体生理信号的低通滤波器中运算放大电路的具体电路图；
图4是本发明实施例提供的3n阶低通滤波电路结构示意图；
图5是本发明实施例提供的三阶到十二阶低通滤波电路交流仿真输出电压信号图；
图6是本发明实施例提供的二阶到十二阶低通滤波电路信号取DB20后的图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种精度高，稳定性强的模拟集成低通滤波器，适用于处在较低频段的人体生理信号(心电、脑电、血压、脉搏、血氧等表征人体生理特征的信号)的滤波，且在芯片上的集成度高，占用面积小，可用于可穿戴设备上。
为实现上述目的，本发明提供了一种应用于人体生理信号的低通滤波电路，其基本模块是一个三阶有源低通滤波电路，该基本模块是由R1～R4，C1～C3和一个两级放大器构成的。在实际应用中，放大器的增益越高，信号的失真越小。可根据所需信号频段的不同调节该基本模块中的电阻和电容值来滤出所需频段的信号，同时，也可根据整体电路参数的需求选择三阶、六阶、九阶或者更高阶3n阶滤波电路结构，阶数越高，在通带外信号衰减越快，在通带内信号衰减越小。3n阶滤波电路结构即是将n个基本模块即三阶有源低通滤波电路串联起来构成的。
本发明提供了一种应用于人体生理信号的低通滤波电路，可以滤出处于较低频段的人体生理信号。
其基本模块为一个三阶有源低通滤波器，该基本模块是由R1～R4，C1～C3和一个两级放大器构成的。而上述两级放大器包括一级差分放大器、一级共源极放大器，偏置电路和密勒补偿电容。密勒补偿电容通过对电路极点的调节使放大器更加稳定。在运用中，可以通过调节各个MOS管的宽长比，使该放大器的增益尽量大，这样可以保证信号通过该滤波器时信号的完整度更好，失真更小。电路连接如图所示，R1，R3，R4依次串连在放大器A1的负向输入端，输入信号Vin从R1输入，经过RC网络和放大器A1，输出结点为D，R1与R3的连接点为A，R3与R4的连接点为B，R4与放大器A1负向输入端的连接点为C，R2连接在A点与D点之间，C1连接在A点与地之间，C2连接在B点与D点之间，C3连接在C点与D点之间。R1/R2是该三阶有源低通滤波器的增益，根据实际情况，调节R1/R2的比值，实现信号的放大或缩小，R1/R2比值即为输出电压与输入电压的比值，R1/R2比值越大，输出电压越大，反之则输出电压越小，以此来满足与下级电路的连接。
如图所示放大器A1的电路连接图，第一级放大电路由第一晶体管M1，第二晶体管M2，第三晶体管M3，第四晶体管M4，第五晶体管M5构成。第一晶体管M1与第三晶体管M3串联，第二晶体管M2与第四晶体管M4串联，第一晶体管M1的源极与第二晶体管M2的源极连接在一起，连接点为c，第二晶体管M2的漏极与第四晶体管M4的漏极连接点为e，第三晶体管M3的栅极和漏极连接在一起，第三晶体管M3和第四晶体管M4的源极分别接地，第五晶体管M5源极与VDD连接，连接点为a，其漏极与连接点c连接。第二级放大电路由第十二晶体管M12和第十三晶体管M13构成，第十二晶体管M12与第十三晶体管M13串联在一起，第十二晶体管M12的漏极与第十三晶体管M13的漏极的连接点为d，第十二晶体管M12源极与连接点a连接，第十三晶体管M13的源极接地，第十三晶体管M13的栅极与连接点e连接。电容C0是对电路进行密勒补偿，其连接在连接点d和e之间。第六晶体管M6，第七晶体管M7，第八晶体管M8，第九晶体管M9，第十晶体管M10，第十一晶体管M11和电阻R0构成了放大器A1的偏置产生电路。电阻R0，第六晶体管M6，第八晶体管M8，第十晶体管M10依次串接在一起，R0连接在地和第六晶体管M6的源极之间，第七晶体管M7，第九晶体管M9，第十一晶体管M11依次串接在一起，第十晶体管M10的栅极和漏极连接在一起，第十晶体管M10的源极和第十一晶体管M11的源极与VDD连接，第十晶体管M10的栅极和第十一晶体管M11的栅极连接在一起，连接点为b，第九晶体管M9的栅极和漏极连接在一起，第七晶体管M7的栅极和漏极连接在一起，第七晶体管M7的源极接地。该偏置产生电路的连接点b与第五晶体管M5的栅极和第十二晶体管M12的栅极连接，对两级放大电路提供偏置电压。
该三阶有源低通滤波器的截止频率，可根据不同的截止频率，再结合该三阶有源低通滤波器的传递函数调节该基本模块中R1、R3、R4、C1、C2、C3的值来滤出所需频段的信号。同时，也可根据整体电路参数的需求选择三阶、六阶、九阶或者更高阶3n阶滤波电路结构，阶数越高，在通带外信号衰减越快，在通带内信号衰减越小。3n阶滤波电路结构即是将n个基本模块即三阶有源低通滤波电路串联起来构成的。
目前，滤波器分为无源滤波器和有源滤波器，在可穿戴设备上，有很多采用无源滤波器，而无源滤波器包括RC滤波器和RL滤波器，首先它们相对于有源滤波器来说，集成度较差，由于可穿戴设备对面积和体积的要求，它们不适合在可穿戴设备上使用，而有源滤波器集成度较高，可以将面积最小化，同时又能达到想要的滤波效果。其次，信号经过无源滤波器后会有一定程度的衰减或者失真，而人体生理信号本身就比较微弱，如果滤波后有失真或者衰减，会严重影响人的判断。而信号通过有源滤波器后衰减或失真会比经过无源滤波器后小得多。
而在有源滤波器方面，在实际使用时，我们一般会采用较高阶的低通滤波器来达到较好的滤波效果，这样就会带来功耗大和占用面积大的问题，这就不利于在可穿戴设备上使用。本发明实现了基本模块三阶有源低通滤波器，在实现较好滤波效果的同时减少了电路。
本发明实施例采用模拟电路实现了对人体生理信号的低通滤波。根据实际信号的频率和电路的参数要求，选取合适的R1，R2，R3，R4，C1，C2，C3值和低通滤波器的阶数。当原始信号输入到滤波器后，输出的信号就是所需频段的信号。如图5和图6，是对上述三阶、六阶、九阶和十二阶低通滤波器的仿真，图5是交流仿真输出电压信号随频率变化而变化的仿真图。图6是将图5中的电压信号取DB20后的图，图中vout1，vout2，vout3，vout4分别代表三阶、六阶、九阶和十二阶低通滤波器的仿真图。从图中可以看出，在低频范围内，电压是很平坦的，随着频率的增大，电压迅速衰减，且低通滤波器的阶数越高，在通带内的衰减越小，在通带外的衰减越快。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于人体生理信号的低通滤波器，其特征在于，包括一个三阶有源低通滤波单元或多个依次串联连接的三阶有源低通滤波单元，所述三阶有源低通滤波单元包括运算放大电路A1，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2和电容C3；
所述电阻R1的一端用于连接人体生理信号，所述电阻R1的另一端通过依次串联的电阻R3和电阻R4连接至所述运算放大电路A1的反向输入端；所述电阻R1的另一端还通过所述电阻R2连接至所述运算放大电路A1的输出端；所述电阻R1的另一端还通过所述电容C1接地；
所述电容C2的一端连接至所述电阻R3与所述电阻R4的串联连接端，所述电容C2的另一端连接至所述运算放大电路A1的输出端；
所述电容C3的一端连接至所述运算放大电路A1的反向输入端，所述电容C3的另一端连接至所述运算放大电路A1的输出端；
所述运算放大电路A1的正向输入端接地；所述运算放大电路A1的输出端用于输出小于10HZ的低频人体生理信号。
2.如权利要求1所述低通滤波器，其特征在于，所述运算放大电路A1包括：偏置模块(1)、补偿模块(3)、第一放大模块(2)和第二放大模块(4)；
所述第一放大模块(2)的输入端作为所述运算放大电路A1的正相输入端和反相输入端，所述第一放大模块(2)的控制端连接至所述偏置模块(1)的输出端，所述第二放大模块(4)的第一输入端连接至所述偏置模块(1)的输出端，所述第二放大模块(4)的第二输入端连接至所述第一放大模块(2)的输出端，所述第二放大模块(4)的输出端作为所述运算放大电路A1的输出端；
所述补偿模块(3)的输入端连接至所述第一放大模块(2)的输出端，所述补偿模块(3)的输出端连接至所述第二放大模块(4)的输出端；
所述偏置模块(1)用于给所述第一放大模块(2)和所述第二放大模块(4)提供偏置电压使得所述第一放大模块(2)和所述第二放大模块(4)正常工作；
所述第一放大模块(2)用于对所述人体生理信号进行放大；
所述第二放大模块(4)用于对经过第一放大模块(2)放大后的人体生理信号再进行放大；
所述补偿模块(3)用于对经过第一放大模块(2)放大后的人体生理信号进行补偿使得其不失真。
3.如权利要求2所述的低通滤波器，其特征在于，所述偏置模块(1)包括：第六晶体管M6，第七晶体管M7，第八晶体管M8，第九晶体管M9，第十晶体管M10，第十一晶体管M11和电阻R0；
所述电阻R0一端接地，另一端与所述第六晶体管源级连接；
所述第六晶体管M6的漏极与所述第八晶体管M8的源级连接，所述第六晶体管的栅极与所述第七晶体管M7的栅极连接；
所述第七晶体管M7的源级接地，所述第七晶体管M7的漏极与第九晶体管M9的源级连接，所述第七晶体管M7的栅极和其漏极连接；
所述第八晶体管M8的栅极与第九晶体管M9的栅极连接，所述第八晶体管M8的漏极与所述第十晶体管M10的漏极连接；
所述第九晶体管M9的漏极与所述第十一晶体管M11的漏极连接，所述第九晶体管M9的栅极和其漏极连接；
所述第十晶体管M10的源级连接电源VDD，所述第十晶体管M10的栅极与所述第十一晶体管M11的栅极连接，所述第十晶体管M10的漏极和其栅极连接；
所述第十一晶体管M11的源级连接电源VDD；
所述第十晶体管M10的栅极和所述第十一晶体管M11的栅极连接后作为所述偏置模块(1)的输出端。
4.如权利要求2或3所述的低通滤波器，其特征在于，所述第一放大模块(2)包括：第一晶体管M1，第二晶体管M2，第三晶体管M3，第四晶体管M4和第五晶体管M5；
所述第一晶体管M1的漏极与所述第三晶体管M3的漏极连接，所述第一晶体管M1的源级与所述第五晶体管M5的漏极连接；
所述第二晶体管M2的漏极与所述第四晶体管M4的漏极连接，所述第二晶体管M2的源级与所述第五晶体管M5的漏极连接；
所述第三晶体管M3的源级接地，所述第三晶体管M3的栅极与所述第四晶体管M4的栅极连接，所述第三晶体管M3的栅极与其漏极连接；
所述第四晶体管M4的源级接地；
所述第五晶体管M5的源级连接电源VDD；
所述第一晶体管M1的栅极和所述第二晶体管M2的栅极作为所述第一放大模块(2)的输入端，所述第五晶体管M5的栅极作为所述第一放大模块(2)的控制端，所述第二晶体管M2和所述第四晶体管M4的漏极连接后作为所述第一放大模块(2)的输出端。
5.如权利要求2-3任一项所述的低通滤波器，其特征在于，所述第二放大模块(4)包括第十二晶体管M12和第十三晶体管M13；
所述第十二晶体管M12的源极连接电源VDD，所述第十二晶体管M12的栅极作为所述第二放大模块(4)的第一输入端；
所述第十三晶体管M13的源极接地，所述第十三晶体管M13的栅极作为所述第二放大模块(4)的第二输入端；
所述第十二晶体管M12的漏极与所述第十三晶体管M13的漏极连接后作为所述第二放大模块(4)的输出端。
6.如权利要求2-3任一项所述的低通滤波器，其特征在于，所述补偿模块(3)包括电容C0，所述电容C0的一端作为所述补偿模块(3)的输入端，所述电容C0的另一端作为所述补偿模块(3)的输出端。
7.如权利要求4任一项所述的低通滤波器，其特征在于，所述第一晶体管M1，第二晶体管M2，第五晶体管M5，第十晶体管M10，第十一晶体管M11和第十二晶体管M12均为PMOS管；所述第三晶体管M3，第四晶体管M4，第六晶体管M6，第七晶体管M7，第八晶体管M8，第九晶体管M9和第十三晶体管M13均为NMOS管。
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