CN107994883A - 一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，包括依次连接单级斩波核电路、采样滤波器电路、增益可调器电路和低通滤波器电路，所述单级斩波核电路用于对有效生物小信号和部分噪声进行斩波处理，使有效生物小信号与部分噪声的频率域隔离，所述采样滤波器电路用以消除非理想开关引入的毛刺电压以及开关关闭打开引起的电荷注入噪声，所述增益可调器电路用于对斩波系统的增益方位以数字方式进行调整，所述低通滤波器电路用于进行斩波系统的有效带宽数字调整，过滤掉部分噪声频率。本发明的斩波系统可实现对uV级脑电EEG与mV级心电ECG信号的有效识别放大。

Description

一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统
技术领域
本发明涉及芯片电路设计领域，尤其涉及一种人体脑生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统。
背景技术
目前，微弱生物小信号由于电压范围很小，很容易被环境背景噪声以及电路噪声等所湮没，因此急需设计一款具有普适应用价值的人体生物小信号放大调理器。
在传统的电路中，由于电路等效输入噪声太大，不可实现uV/mV级的生物脑电EEG/心电ECG信号的普适放大，且电路系统具有增提增益、带宽不可数字调整、电路功耗大和电路太过复杂等缺点。
很少有发明能将多个优点集中体现在一个斩波放大调理芯片系统上，进行增益、噪声、带宽、能耗、稳定性、复杂度以及用户使用方便等多个因素权衡考虑，且同时保证电路的稳定性和可靠性。
专利申请号为201510583598.6的成都汉康信息产业有限公司的发明专利申请“心电ECG信号采集器”，包括依次连接的前置放大器、高通滤波电路、50Hz陷波器、主放大器和低通滤波器，它能够对人体产生的工频干扰信号进行多方面的处理，滤除各种噪声，但是其共模抑制比低，且不具备放大功能。
专利申请号为201510615178.1的李福霞的发明专利“一种心电ECG信号调理电路”，它包括一级放大电路、调零电路、50Hz限波电路、带通滤波电路及二级放大电路。该调理电路具有输出波形稳定和共模抑制比高的特点，但是缺少对带宽和电源抑制比PSRR的约束，不具有普适应用性。
专利申请号为201511031882.9的河北北方学院的发明专利“一种医学信号处理系统”，它包括人体检测终端、传感器、信号调理模块、A/D转换模块、Wi-Fi传输装置、局域网服务器、微处理器和手持终端。该信号处理系统操作方便、准确度高，但不具备针对脑电心电的微弱小信号的放大作用，不具有uV/mV级微弱信号放大调理能力，也不具备单芯片集成特点。
专利申请号为201610269049.6的华中科技大学的发明专利“一种应用于人体生理信号的低通滤波器”，它根据电路精度、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，实现采用全模拟电路对采集到的人体生理信号的低通滤波。但该电路仅仅实现了低通滤波作用，不具备单芯片集成、放大和噪声优化等其余功能。
综上所述，对于现有技术中人体生物微弱小信号的放大滤波调理过程产生的输出噪声大、电路增益小及带宽不可调等技术问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，该斩波放大调理电路可实现对于微弱脑电EEG/心电ECG信号的放大、去噪和滤波处理。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，包括依次连接单级斩波核电路、采样滤波器电路、增益可调器电路和低通滤波器电路，所述单级斩波核电路用于对有效生物小信号和部分噪声进行斩波处理，使有效生物小信号与部分噪声的频率域隔离，所述采样滤波器电路用以消除非理想开关引入的毛刺电压以及开关关闭打开引起的电荷注入噪声，所述增益可调器电路用于对斩波系统的增益方位以数字方式进行调整，所述低通滤波器电路用于进行斩波系统的有效带宽数字调整，过滤掉部分噪声频率。
进一步的，所述单级斩波核电路包括依次连接的斩波调制开关、单级放大核和斩波解调开关。
进一步的，所述斩波调制开关用于对有效生物小信号进行第一次斩波，经过第一次斩波后，有效生物小信号落在斩波频率所在高频处。
进一步的，所述斩波解调开关用于对有效生物小信号进行第二次斩波和对部分噪声进行第一次斩波，经过第二次斩波后，有效生物小信号落在斩波频率所在低频处，部分噪声经过斩波后，落在斩波频率所在高频处。
进一步的，所述单级放大核包括放大器、输入增益提高环路、中频增益稳定环路和纹波抑制环路，其中所述输入增益提高环路用于提高放大器电压的分压比，所述中频增益稳定环路用于稳定单级放大核的中频增益，所述纹波抑制环路用于消除斩波解调开关的输出纹波电压。
进一步的，所述部分噪声包括低频闪烁噪声和放大器差分输入直流失调电压。
进一步的，所述采样滤波器电路基于开关电容采样滤波原理，包括MOS开关和采样电容，采样电容以保持需要采样的电压，通过控制MOS开关，达到采样滤波的目的。
进一步的，所述增益可调器电路采用闭环结构，通过改变反馈电容阵列与输出电容阵列，进行增益的数字方式调整，确保环路的稳定性。
进一步的，所述低通滤波器电路用于将整个斩波系统的整体带宽限制在100～200Hz，所述斩波系统的带宽范围可调。
进一步的，所述斩波放大调理芯片系统的输出信号输送至模数转换器模块进行生物电信息数字化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的斩波放大调理系统通过设置单级斩波核电路实现对于有效生物小信号与部分噪声(包括放大器差分输入直流失调与部分低频闪烁噪声)的频率域隔离，再利用低通滤波器，把高频处的噪声过滤掉，减少噪声对于生物微弱信号的影响。
(2)本发明的斩波放大调理系统可对脑电EEG(uV级)和心电ECG(mV级)进行放大调理。
(3)本发明的斩波放大调理系统可以进行系统带宽的数字方式调整以及系统增益的数字调整，方便用户针对不同的脑区信号，进行二次增益和带宽配置。
(4)本发明的斩波放大调理系统可用于构建人体生物可穿戴系统，具有普适应用价值。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的斩波放大调理芯片系统。
图2是本发明的单级斩波核电路；
图3是本发明的采样滤波器电路；
图4是本发明的增益可调器电路；
图5是本发明的低通滤波器电路。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在人体生物微弱小信号的放大滤波调理过程的输出噪声大、电路增益小及带宽不可调的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提供了一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，该斩波放大调理电路可实现对于微弱脑电EEG/心电ECG信号的放大、去噪和滤波处理。
如图1所示，一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，包括依次连接单级斩波核电路、采样滤波器电路、增益可调器VGA电路和低通滤波器LPF电路，所述单级斩波核电路用于对有效生物小信号和部分噪声进行斩波处理，使有效生物小信号与部分噪声的频率域隔离，所述采样滤波器电路用以消除非理想开关引入的毛刺电压以及开关关闭打开引起的电荷注入噪声，所述增益可调器电路用于对斩波系统的增益方位以数字方式进行调整，所述低通滤波器电路用于进行斩波系统的有效带宽数字调整，过滤掉部分噪声频率。
如图2所示，所述生物小信号通过生物信号传感器采集，所述生物信号传感器通过隔直电容与单级斩波核电路连接。
所述单级斩波核电路包括依次连接的斩波调制开关、单级放大核和斩波解调开关。
所述斩波调制开关用于对有效生物小信号进行第一次斩波，经过第一次斩波后，有效生物小信号落在斩波频率所在高频处，此时部分噪声所处的频率位置不变。
所述斩波解调开关用于对有效生物小信号进行第二次斩波和对部分噪声进行第一次斩波，经过第二次斩波后，有效生物小信号落在斩波频率所在低频处，部分噪声经过斩波后，落在斩波频率所在高频处，从而达到把有效生物小信号与部分噪声信息在频率域分离的目的。
所述单级放大核包括放大器、输入增益提高环路、中频增益稳定环路和纹波抑制环路，其中所述输入增益提高环路用于提高放大器从传感器感知的电压电压的分压比，以获得最大的传感器感知电压，所述中频增益稳定环路用于稳定单级放大核的中频增益，以及抑制后续电路的噪声，所述纹波抑制环路用于消除斩波解调开关的输出纹波电压，避免导致后续电路的过饱和。
所述部分噪声包括低频闪烁噪声1/f和放大器差分输入直流失调电压，所述低频闪烁噪声1/f为信号在低频位置存在的固有噪声。
如图3所示，所述采样滤波器电路基于开关电容采样滤波原理，包括MOS开关和采样电容，采样电容以保持需要采样的电压，通过控制MOS开关，达到采样滤波的目的。
开关电容采样滤波器可直接处理模拟信号，而不必像数字滤波器那样需要A/D、D/A变换，简化了电路设计，提高了系统的可靠性；而且其可以把非理想斩波开关引入的毛刺噪声，以及开关打开、切断引起的电荷注入噪声有效过滤掉。
如图4所示，所述增益可调器VGA电路采用闭环结构，可以实现精确的增益和高的线性度，通过改变反馈电容阵列与输出电容即负载电容阵列，进行增益的数字方式调整，确保环路的稳定性。
如图5所示，所述低通滤波器LPF电路用于将整个斩波系统的整体带宽限制在100～200Hz，所述斩波系统的带宽范围可调，可以满足不同脑电区域的信号。
本发明的具体实施过程为：
从传感器传来的有效生物小信号经过斩波调制开关，被调制到斩波频率所处的高频率位置，然后进入单级放大核，进行信号增益稳定放大，放大后的有效生物信号进行第二次斩波处理，被斩波解调开关调制到低频率位置；同时部分噪声(包括低频闪烁噪声与直流失调电压)信号经过斩波解调开关的解调操作，被调制到高频率位置，从而把有效生物信号与部分噪声在频率域进行了分离。其中单级放大核的输入增益提高环路输入阻抗提高获得较大的分压比，单级放大核的中频增益稳定环路用于稳定中频增益，单级放大核的纹波抑制环路，用于消除斩波解调开关(放大核输出端)的输出纹波电压；
随后，单级放大核的输出信号输送至开关电容采样滤波器，以消除非理想开关引入的毛刺电压，消除开关关断打开引起的电荷注入噪声；开关电容采样滤波器输出的信号输送至增益可调器，用于对斩波系统的增益方位以数字方式进行调整；增益调节器输出的信号输送至带宽可数字调整的低通滤波器LPF电路，进行斩波系统的带宽数字方式调整，以滤除部分噪声频率。
最后，完成整个斩波放大调理系统的信号链路设计。如图1所示，本实施例为双通道斩波放大系统，每一个通道完全一样，后面可级联多路选择器，进行单通道选通。
本发明的整个斩波芯片系统对于信号噪声，增益，带宽，电源抑制比PSRR和共模抑制比CMRR进行了优化处理，实现了对uV级脑电EEG与mV级心电ECG信号的有效识别放大。
斩波放大调理芯片系统的噪声决定于不可全部消除的高斯白热噪声，在具体实施中，其输出信号输送至模数转换器ADC模块进行生物电信息数字化。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，其特征在于：包括依次连接单级斩波核电路、采样滤波器电路、增益可调器电路和低通滤波器电路，所述单级斩波核电路用于对有效生物小信号和部分噪声进行斩波处理，使有效生物小信号与部分噪声的频率域隔离，所述采样滤波器电路用以消除非理想开关引入的毛刺电压以及开关关闭打开引起的电荷注入噪声，所述增益可调器电路用于对斩波系统的增益方位以数字方式进行调整，所述低通滤波器电路用于进行斩波系统的有效带宽数字调整，过滤掉部分噪声频率。
2.如权利要求1所述的一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，其特征在于，所述单级斩波核电路包括依次连接的斩波调制开关、单级放大核和斩波解调开关。
3.如权利要求2所述的一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，其特征在于，所述斩波调制开关用于对有效生物小信号进行第一次斩波，经过第一次斩波后，有效生物小信号落在斩波频率所在高频处。
4.如权利要求2所述的一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，其特征在于，所述斩波解调开关用于对有效生物小信号进行第二次斩波和对部分噪声进行第一次斩波，经过第二次斩波后，有效生物小信号落在斩波频率所在低频处，部分噪声经过斩波后，落在斩波频率所在高频处。
5.如权利要求2所述的一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，其特征在于，所述单级放大核包括放大器、输入增益提高环路、中频增益稳定环路和纹波抑制环路，其中所述输入增益提高环路用于提高放大器电压的分压比，所述中频增益稳定环路用于稳定单级放大核的中频增益，所述纹波抑制环路用于消除斩波解调开关的输出纹波电压。
6.如权利要求1或4所述的一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，其特征在于，所述部分噪声包括低频闪烁噪声和单级斩波核电路放大器的差分输入直流失调电压。
7.如权利要求1所述的一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，其特征在于，所述采样滤波器电路基于开关电容采样滤波原理，包括MOS开关和采样电容，采样电容以保持需要采样的电压，通过控制MOS开关，达到采样滤波的目的。
8.如权利要求1所述的一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，其特征在于，所述增益可调器电路采用闭环结构，通过改变反馈电容阵列与输出电容阵列，进行增益的数字方式调整，确保环路的稳定性。
9.如权利要求1所述的一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，其特征在于，所述低通滤波器电路用于将整个斩波系统的整体带宽限制在100～200Hz，所述斩波系统的带宽范围可调。
10.如权利要求1所述的一种人体生物微弱小信号的斩波放大调理芯片系统，其特征在于，所述斩波放大调理芯片系统的输出信号输送至模数转换器模块进行生物电信息数字化。
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