CN106419894B - 一种用于生理电信号采集前端处理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于生理电信号采集前端处理电路，包括：左、右采集单元、模拟电源AVDD和集成ADC；所述左、右采集单元采集电信号分别通过两个相同容值的电容C1、C2接入，所述模拟电源AVDD被两个电阻R3和R4分压后得到偏置电压Vz，Vz通过两个相同的阻抗器件Z1和Z2分别接到电容C1、C2的后部，经上述电路处理的电信号经过集成ADC放大后输出。本发明方案可大大提高电路的匹配性，增加采集前端的共模抑制比，有效抑制人体的工频噪声。同时，可灵活控制采集前端的频率响应，使本发明方案可广泛应用于各类微弱信号的采集领域。

Description

一种用于生理电信号采集前端处理电路
技术领域
本发明电子领域，特别涉及一种用于生理电信号采集前端处理电路。
背景技术
在采集常见的生理电信号如心电(ECG)、肌电(EMG)、脑电(EEG)等时，由于人体生理特征包括呼吸、运动等的影响，采集得的生理电信号会产生较大的基线飘移，影响电路后端对信号的处理和分析。为避免基线飘移，并增加采集电路前端的输入阻抗，常用在差分电路正负端分别添加偏置电压的方法。
由于偏置电压的分压电阻在工程化时很难保证阻值的一致性，导致差分电路正负两端的偏置电压出现差异，由此引入了共模噪声，大大降低了电路本身的共模抑制比(CMRR)。由于不同的生理电信号处于不同的频段，如单单EEG就有4个不同的频段，α(8-13Hz)、β(14-30Hz)、δ(1-3Hz)、θ(4-7Hz)，而ECG又处于(0-40Hz)频段。针对不同的生理电信号，采集电路前端的频率响应若不能处于合适的范围，会给后端处理电路带来极大的压力，造成信号或失真、或噪声较大。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提出的一种用于生理电信号采集前端处理电路的方法。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案：一种用于生理电信号采集前端处理电路，包括：左、右采集单元、模拟电源AVDD和集成ADC；所述左、右采集单元采集电信号分别通过两个相同容值的电容C1、C2接入，所述模拟电源AVDD被两个电阻R3和R4分压后得到偏置电压Vz，Vz通过两个相同的阻抗器件Z1和Z2分别接到电容C1、C2的后部，经上述电路处理的电信号经过集成ADC放大后输出。
所述阻抗器件Z1和Z2既可以为阻性，也可以为容性器件。
所述集成ADC连接右腿驱动放大器，并分别经过两个反馈阻抗器件Z3和Z4接到电容C1、C2的前端。
所述反馈阻抗器件Z3和Z4既可以为阻性，也可以为容性器件。
左右采集单元分别通过一个相同容值的电容接入，偏置电压由两个电阻将模拟电源分压而得，并通过两个相同阻抗的器件分别接在左右采集单元电容的后端。左右采集单元信号再接入集成ADC经过放大，即可采集得可处理的生理电信号。
上述方案进一步的改进在于：阻抗器件不限于阻性或容性的器件。在用于干性电极或湿电极进行接触采集时，阻抗器件可选为阻性器件；在用于通过隔着衣物进行非接触生理信号采集时，阻抗器件可选为容性。
上述方案进一步的改进在于：在阻抗器件选为阻性器件时，通过调整前端电容和阻抗器件阻值的大小，可以改善前端采集电路的频率响应，适用于不同频段生理电信号的采集。
进一步的，通过集成ADC的右腿驱动，分别经过两个反馈阻抗器件接入左右采集单元电容前端，用以抑制人体的工频噪声。
上述方案进一步的改进在于：反馈阻抗器件不限于阻性或容性器件。在用于干性电极或湿电极进行接触采集时，阻抗器件可选为阻性器件；在用于通过隔着衣物进行非接触生理信号采集时，阻抗器件可选为容性。
上述方案进一步的改进在于：在反馈阻抗器件选为阻性器件时，反馈阻抗器件阻值不限于2M、10M或20M，根据前端电容的容值大小灵活选择，控制前端采集电路的频率响应。
本发明方案可大大提高电路的匹配性，增加采集前端的共模抑制比，有效抑制人体的工频噪声。同时，可灵活控制采集前端的频率响应，使本发明方案可广泛应用于各类微弱信号的采集领域。
附图说明
图1是常规的用于差分电路中正负输入端偏置电压的电路方案结构示意图。
图2是本发明实施例用于生理电信号采集前端处理电路的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
图1是常规的用于差分电路中正负输入端偏置电压的电路方案结构示意图。图1中的电路方案，由于工程化中阻值的差异性，在较理想的情况下仍有δ％的差异，在此情况下，用于分压的电阻R最高可达2δ％差异。偏置电压分别为：
ΔVz_dc＝Vz1_dc-Vz2_dc＝δ×AVDD (3)
图1中的电路方案，在阻值为δ％的差异和容值δC％为情况下，设S＝jω，输入为交流信号时偏置电压分别为：
图2是实施例用于生理电信号采集前端处理电路的电路结构示意图。
左右采集单元通过干性电极接触人体皮肤，左右采集单元电信号标记为Vi1和Vi2，Vi1和Vi2分别通过两个相同容值的电容C1、C2。偏置电压Vz由R3和R4将模拟电源AVDD分压而得，大小为R4/(R3+R4)×AVDD。Vz通过两个相同的阻抗器件Z1和Z2分别接到电容C1、C2的后部。经此电路处理的电信号Vo1和Vo2经过增益为G的集成ADC放大后输出电信号Vout。集成ADC的右腿驱动放大器通过两个反馈阻抗器件Z3和Z4接到电容C1、C2的前端。
当Z1和Z2选择为阻性器件时，电阻分别为R1和R2，若在左右采集两端通过独立的分压电阻分别接在C1、C2后，采用本实施方案的由此可知，偏置电压电压偏差ΔVz_dc'＝0。
生理电信号采集前端处理电路在输入为交流信号时偏置电压如下：
图2生理电信号采集前端处理电路与图1方案的对比，可清晰发现，输入为直流信号时偏置电压差距为δ×AVDD。常规的AVDD为3.3V，δ理想情况下为1％。即图1方案的偏置电压压差可达33mV，这在幅度较小的生理电信号采集时中会造成极大的噪声影响。
通过对比公式(6)和公式(9)，设δ＝1％，δC＝5％。可推导出，图1的电路方案，在输入为交流信号时偏置电压偏差约为AVDD*24％，图2生理电信号采集前端处理电路方案在输入为交流信号时偏置电压偏差约为AVDD*8％。通过具体数据对比，本发明拥有更高的共模抑制比，能对噪声进行有效抑制。
在左右采集单元电路中，C1和R1、R4，C2和R2、R4分别构成了两组无源高通滤波电路，用于控制采集电路的频率响应。电路的微分方程为：
对(9)(10)分别取拉普拉斯变换，可得传递函数：
可得左右采集单元电路的截止频率，分别为(R1+R3//R4)C1S和(R2+R3//R4)C2S，通过对阻容的灵活取值，可方便的变换采集电路的频率响应，适用于不同频段的生理电信号采集。
集成ADC的右腿驱动，为通用的共模电压并联负反馈的电路方案。即从前置放大电路两个相等的偏置电阻中间取出人体的共模电压，依次经电压跟随器隔离和反向放大后与右腿相连。集成ADC的右腿驱动通过反馈阻性的阻抗器件Z3、Z4，加在电容C1和C2的前端，能有效抑制人体的工频噪声。既去除了右腿驱动电极，增加了采集的舒适性，又提高了信号的质量，使生理电信号更加稳定。
优选的，在本实施例中，可将Z1、Z2、Z3、Z4更换为容性器件，可在采集时隔着衣物进行非接触测量，大大提高了生理电信号测量的舒适度，避免了在采用干性或湿性接触时对一些敏感人群造成过敏的现象。
可得左右采集单元电路的截止频率，分别为(R1+R4)C1S和(R2+R4)C2S，通过对阻容的灵活取值，可方便的变换采集电路的频率响应，适用于不同频段的生理电信号采集。
在本实施例中，可将Z1、Z2、Z3、Z4更换为容性器件，可在采集时隔着衣物进行非接触测量，大大提高了生理电信号测量的舒适度，避免了在采用干性或湿性接触时对一些敏感人群造成过敏的现象。
本发明不限于上述各实施例，凡采用等同变换的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于生理电信号采集前端处理电路，其特征在于包括：左、右采集单元、模拟电源AVDD和差分放大器；所述左、右采集单元采集电信号分别通过两个相同容值的电容C1、C2接入，所述模拟电源AVDD被两个电阻R3和R4分压后得到偏置电压Vz，Vz通过两个相同的阻抗器件Z1和Z2分别接到电容C1、C2的后部，经上述电路处理的电信号经过差分放大器放大后输出。
2.根据权利要求1所述的用于生理电信号采集前端处理电路，其特征在于：所述阻抗器件Z1和Z2为阻性或容性器件。
3.根据权利要求1所述的用于生理电信号采集前端处理电路，其特征在于：所述差分放大器连接右腿驱动放大器后，分别经过两个反馈阻抗器件Z3和Z4接到电容C1、C2的前端。
4.根据权利要求3所述的用于生理电信号采集前端处理电路，其特征在于：所述反馈阻抗器件Z3和Z4为阻性或容性器件。
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