CN113054931B - 用于压阻传感器的信号调理电路结构及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于压阻传感器的信号调理电路结构及方法，电路结构包括：依次连接的信号转换电路、第一差分运算电路、阻抗变换电路、第二差分运算电路、滤波电路和驱动放大电路。信号转换电路用于将压阻传感器传感得到的电阻信号转换为电压信号。第一差分运算电路用于处理电压信号，使得其变为单端信号后输出。阻抗变换电路用于对单端信号和由于压阻传感器穿戴于皮肤表面时由皮肤产生的干扰电信号进行阻抗变换，以与后端电路匹配。第二差分运算电路用于对阻抗变换后的单端信号和干扰电信号进行差分运算。滤波电路用于滤除高频噪声信号，并使输出的信号位于预设频率范围内。经驱动放大电路处理后的信号满足后端电路的输入电平和信号幅值要求。

Description

用于压阻传感器的信号调理电路结构及方法

技术领域

本公开属于生物电信号处理技术领域，涉及一种用于压阻传感器的信号调理电路结构及方法。

背景技术

在生物电信号测量和处理技术领域，压阻传感器被广泛使用。一般可穿戴领域中的压阻传感器主要测量变化较为缓慢的压力信号，范围基本上在100Hz以下。

在一些脉搏和心率测量方面，压阻传感器电阻的变化需要处理成电信号进行输出，同时要求噪声系数小。由于脉搏和心率等生物电信号幅度较低，同时要求输出信号能够清楚的反映出测试人员的脉搏或者心率信息。所以要避免生物电信号淹没在噪声里面，同时能够放大信号，以便对输出的脉搏或者心率信号可以在后续流程进行波形绘制，所以信号处理电路显得尤为关键。

目前的信号调理电路需要进一步提升其信号处理性能，包括噪声抑制、信号质量的提升、与后端数据采集电路的要求适配等。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种用于压阻传感器的信号调理电路结构及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

本公开的一个方面提供了一种用于压阻传感器的信号调理电路结构。上述电路结构包括：依次连接的信号转换电路、第一差分运算电路、阻抗变换电路、第二差分运算电路、滤波电路和驱动放大电路。上述信号转换电路用于将上述压阻传感器传感得到的电阻信号转换为电压信号。上述第一差分运算电路用于对上述电压信号进行差分运算，使得上述电压信号变为单端信号后输出。上述阻抗变换电路包括：两个输入端和对应的两个输出端，其中一个输入端与上述第一差分运算电路的输出端连接，另一个输入端用于输入由于上述压阻传感器穿戴于皮肤表面时由皮肤产生的干扰电信号。上述阻抗变换电路用于对上述单端信号和上述干扰电信号进行阻抗变换，以与后端电路匹配。上述第二差分运算电路用于对阻抗变换后的单端信号和干扰电信号进行差分运算，以降低上述干扰电信号的影响。上述滤波电路用于滤除高频噪声信号，并使得输出的信号位于预设频率范围内。上述驱动放大电路用于进行输入信号的放大并且提供电平偏移，使得经上述驱动放大电路处理后的输出信号满足后端电路的输入电平和信号幅值要求。

根据本公开的实施例，上述信号调理电路结构还包括：保护电路，上述保护电路的输入端与上述驱动放大电路的输出端连接，用于限制输出电压处于后端电路所能承受的阈值电压内，以保护后端电路。

根据本公开的实施例，上述信号转换电路包括：电桥结构以及调节平衡结构。上述电桥结构包含四个电阻支臂和四个节点。其中两个相对设置的第一节点用于输入电源电压，电源电压包括：Vcc端和Vss端，另外两个相对设置的第二节点用于输出电压信号。上述四个电阻支臂中的一个电阻支臂包括两个电阻输入端，上述两个电阻输入端用于与上述压阻传感器的两个输出端连接，以在上述两个电阻输入端之间形成一虚设电阻，上述虚设电阻的阻值与上述压阻传感器的电阻信号相关。上述四个电阻支臂中的另外三个电阻支臂中分别设置有电阻R₁、R₂、R₃，其中电阻R₁和电阻R₃、虚设电阻和电阻R₂分别串联连接于两个第一节点之间。调节平衡结构与上述电桥结构连接，用于调节上述电桥结构的平衡状态。上述调节平衡结构包括：一电位器R₃₂，设置于两个第一节点之间；以及一补偿电阻R₃₁，上述补偿电阻的一端与上述电位器的滑动端连接，上述补偿电阻的另一端与上述两个第二节点中连接有虚设电阻的第二节点连接。

根据本公开的实施例，上述第一差分运算电路包括：第一运算放大器，上述第一运算放大器的同相输入端与上述两个第二节点中连接有虚设电阻的第二节点连接，上述第一运算放大器的反相输入端与上述两个第二节点中另一第二节点连接；电阻R₄，连接于上述连接有虚设电阻的第二节点与上述第一运算放大器的同相输入端之间；电阻R₅，连接于上述另一第二节点与上述第一运算放大器的同相输入端之间；反馈电阻R₆，连接于上述第一运算放大器的同相输入端与上述第一运算放大器的输出端之间；以及一电阻R₇，上述电阻R₇的一端连接于上述第一运算放大器的反相输入端，电阻R₇的另一端连接上述电源电压的Vss端。

根据本公开的实施例，上述阻抗变换电路包括：第二运算放大器，上述第二运算放大器的同相输入端与上述第一差分运算电路的输出端连接，上述第二运算放大器的反相输入端通过一电阻R₈连接至上述第二运算放大器的输出端；以及第三运算放大器，上述第三运算放大器的同相输入端用于输入上述干扰电信号，上述第三运算放大器的反相输入端通过一电阻R₉连接至上述第三运算放大器的输出端。

根据本公开的实施例，上述第二差分运算电路为差分比例运算电路，上述第二差分运算电路包括：第四运算放大器，上述第四运算放大器的反相输入端与上述第二运算放大器的输出端连接，上述第四运算放大器的同相输入端与上述第三运算放大器的输出端连接；电阻R₁₀，连接于第二运算放大器的输出端与第四运算放大器的反相输入端之间；电阻R₁₁，连接于第三运算放大器的输出端与第四运算放大器的同相输入端之间；反馈电阻R₁₂，连接于上述第四运算放大器的反相输入端与上述第四运算放大器的输出端之间；以及电阻R₁₃，上述电阻R₁₃的一端连接于上述第四运算放大器的同相输入端，上述电阻R₁₃的另一端接地。

根据本公开的实施例，上述滤波电路包括：高通滤波器电路和低通滤波器电路，上述低通滤波器电路的输入端与上述高通滤波器电路的输出端连接。其中，上述高通滤波器电路包括二阶巴特沃斯高通滤波器电路，上述二阶巴特沃斯高通滤波器电路包括：第五运算放大器，上述第五运算放大器的同相输入端与上述第四运算放大器的输出端连接；电容C₁和电容C₂，串联连接于上述第四运算放大器的输出端与上述第五运算放大器的同相输入端之间；电阻R₁₄，上述电阻R₁₄的一端连接于电容C₁和电容C₂之间，上述电阻R₁₄的另一端连接于上述第五运算放大器的输出端；电阻R₁₅，上述电阻R₁₅的一端连接于上述第五运算放大器的同相输入端，上述电阻R₁₅的另一端接地；电阻R₁₆，上述电阻R₁₆的一端连接于上述第五运算放大器的反相输入端，上述电阻R₁₆的另一端接地；电阻R₁₇，连接于上述第五运算放大器的反相输入端与上述第五运算放大器的输出端之间；以及电阻R₁₈，与上述电阻R₁₄并联，上述电阻R₁₈的一端连接于电容C₁和电容C₂之间，上述电阻R₁₈的另一端连接于上述第五运算放大器的输出端。

根据本公开的实施例，上述低通滤波器电路包括三阶巴特沃斯低通滤波器电路，上述三阶巴特沃斯低通滤波器电路包括：第六运算放大器，上述第六运算放大器的同相输入端与上述第五运算放大器的输出端连接；电阻R₁₉和电阻R₂₀，串联连接于上述第五运算放大器的输出端与上述第六运算放大器的同相输入端之间；电容C₃，上述电容C₃的一端连接于电阻R₁₉和电阻R₂₀之间，上述电容C₃的另一端连接于上述第六运算放大器的输出端；电容C₄，上述电容C₄的一端连接于上述第六运算放大器的同相输入端，上述电容C₄的另一端接地；电阻R₂₁，上述电阻R₂₁的一端连接于上述第六运算放大器的反相输入端，上述电阻R₂₁的另一端接地；电阻R₂₂，连接于上述第六运算放大器的反相输入端与上述第六运算放大器的输出端之间；第七运算放大器，上述第七运算放大器的同相输入端与上述第六运算放大器的输出端连接；电阻R₂₃，连接于上述第六运算放大器的输出端与上述第七运算放大器的同相输入端之间；电容C₅，上述电容C₅的一端连接于上述第七运算放大器的同相输入端，上述电容C₅的另一端接地；电阻R₂₄，上述电阻R₂₄的一端连接于上述第七运算放大器的反相输入端，上述电阻R₂₄的另一端接地；以及电阻R₂₅，连接于上述第七运算放大器的反相输入端与上述第七运算放大器的输出端之间。

根据本公开的实施例，上述驱动放大电路包括：第八运算放大器，上述第八运算放大器的同相输入端与上述第七运算放大器的输出端连接；电阻R₂₆，连接于上述第七运算放大器的输出端与上述第八运算放大器的同相输入端之间；电阻R₂₇，上述电阻R₂₇的一端连接于上述第八运算放大器的同相输入端，上述电阻R₂₇的另一端与一电源电压Vcc₁连接，该电源电压Vcc₁与上述第八运算放大器的电源电压Vcc为相互独立的两个电源电压；电阻R₂₈，上述电阻R₂₈的一端连接于上述第八运算放大器的同相输入端，上述电阻R₂₈的另一端接地；电阻R₂₉，上述电阻R₂₉的一端连接于上述第八运算放大器的反相输入端，上述电阻R₂₉的另一端接地；以及电阻R₃₀，连接于上述第八运算放大器的反相输入端与上述第八运算放大器的输出端之间。

本公开的第二个方面提供了一种基于上述信号调理电路结构处理压阻传感器输出信号的方法。上述方法包括：基于上述信号转换电路将上述压阻传感器传感得到的电阻信号转换为电压信号；基于上述第一差分运算电路对上述电压信号进行差分运算，使得上述电压信号变为单端信号后输出；基于上述阻抗变换电路对上述单端信号和由于上述压阻传感器穿戴于皮肤表面时由皮肤产生的干扰电信号进行阻抗变换，以与后端电路匹配；基于上述第二差分运算电路对阻抗变换后的单端信号和干扰电信号进行差分运算，以降低上述干扰电信号的影响；基于上述滤波电路滤除高频噪声信号，并使得输出的信号位于预设频率范围内；以及基于上述驱动放大电路进行输入信号的放大并且提供电平偏移，使得上述输入信号满足后端电路的输入电平和信号幅值要求。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的用于压阻传感器的信号调理电路结构及方法，具有以下有益效果：

(1)通过设置依次连接的信号转换电路、第一差分运算电路、阻抗变换电路、第二差分运算电路、滤波电路和驱动放大电路，能够将压阻传感器传感得到的电阻信号实现信号转换、阻抗变换、滤波、放大和电平偏移，具有可靠、超低噪声且稳定的输出电压，抗干扰能力强，兼容性高。

(2)信号转换电路通过设置补偿电阻R₃₁和可变电阻的电位器R₃₂，在实现电阻信号转换为电压信号的同时，还能够调节电桥在初始时刻的平衡，即输出的电压为0，有利于提升后续输出信号的精确度。

(3)第一差分运算电路中的R₄和R₆可以决定差分放大信号的大小，该第一差分运算电路具有较大的共模输入电压，选择的运算放大器具有较高的共模抑制比，可以提高运算精度。

(4)阻抗变换电路具有很高的输入阻抗和较小的输出阻抗，可以基本消除输入信号和负载对于回路的影响，同时防止反射信号反射回源端，该阻抗变换电路采用的同相放大器结构用于阻抗变换或隔离，通过设置两个同相放大器的结构，在第三运算放大器输入的干扰电信号V_skin，可以在后续电路处理对干扰信号进行处理，提高电路的鲁棒性。

(5)第二差分运算电路对阻抗变换电路输出的信号和皮肤上的干扰电信号V_skin进行差分比例运算，减小了干扰电信号V_skin带来的影响，该第二差分运算电路具有可变增益、高共模抑制比、高输入阻抗的特性。

(6)滤波电路通过设置串联连接的高通滤波器和低通滤波器，能够滤除高频噪声信号，使得输出的信号在预设频率范围内，同时对于低频响应有好的动态响应和均衡的效果，输出信号更加稳定。

(7)驱动放大电路对输入信号处理后能够使得输出信号满足后端电路的输入电平和信号幅值的要求，具有可调放大倍数的功能。加入的独立的供电电压Vcc₁可以使得输出电压具有可变的偏移，同时保证了后续采集卡对于电平的需求，方便了后端电路的数据采集，从而使得后端电路可以绘制出生物电信号(诸如脉搏或者心率等)的动态曲线。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的用于压阻传感器的信号调理电路结构的示意图。

图2为根据本公开另一实施例所示的用于压阻传感器的信号调理电路结构的示意图。

图3为根据本公开又一实施例所示的用于压阻传感器的信号调理电路结构的示意图。

图4为根据本公开一实施例所示的用于压阻传感器的信号调理电路结构的详细示意图。

图5为根据本公开一实施例所示的基于信号调理电路结构处理压阻传感器输出信号的方法的流程图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开的第一个示例性实施例提供了一种用于压阻传感器的信号调理电路结构。

图1为根据本公开一实施例所示的用于压阻传感器的信号调理电路结构的示意图。

参照图1所示，本公开实施例提供的信号调理电路结构1包括：依次连接的信号转换电路11、第一差分运算电路12、阻抗变换电路13、第二差分运算电路14、滤波电路15和驱动放大电路16。

上述信号转换电路11用于将上述压阻传感器传感得到的电阻信号R_in转换为电压信号V₀。

上述第一差分运算电路12用于对上述电压信号V₀进行差分运算，使得上述电压信号变为单端信号V₁后输出。

上述阻抗变换电路13包括：两个输入端和对应的两个输出端，其中一个输入端与上述第一差分运算电路的输出端连接，另一个输入端用于输入由于上述压阻传感器穿戴于皮肤表面时由皮肤产生的干扰电信号(也可以描述为噪声信号)V_skin。上述阻抗变换电路13用于对上述单端信号V₁和上述干扰电信号V_skin进行阻抗变换，以与后端电路匹配。在图1中将进行阻抗变换之后的单端信号表示为V₁′，将进行阻抗变换之后的干扰电信号表示为V_skin′。

上述第二差分运算电路14用于对阻抗变换后的单端信号V₁′和干扰电信号V_skin′进行差分运算，以降低上述干扰电信号的影响。该第二差分运算电路14对输入的两个信号V₁′和V_skin′进行差分比例运算，在图1中将进行差分比例运算之后得到的电压信号表示为V₂。

上述滤波电路15用于滤除高频噪声信号，并使得输出的信号位于预设频率范围内。该滤波电路15滤除高频噪声信号，使得输出的信号在满足的频率范围内，同时对于低频响应有好的动态响应和均衡的效果。在图1中将经过滤波电路15输出后的电压信号表示为V₃。

上述驱动放大电路16用于进行输入信号的放大并且提供电平偏移，使得经上述驱动放大电路16处理后的输出信号V_out满足后端电路的输入电平和信号幅值要求。

图2为根据本公开另一实施例所示的用于压阻传感器的信号调理电路结构的示意图。

参照图2所示，本公开实施例提供的信号调理电路结构1还包括：电源电路18，该电源电路18用于提供低纹波、高可靠且高稳定性的电源电压。

图3为根据本公开又一实施例所示的用于压阻传感器的信号调理电路结构的示意图。

根据本公开的实施例，参照图2所示，上述信号调理电路结构1除了包括上述信号转换电路11、第一差分运算电路12、阻抗变换电路13、第二差分运算电路14、滤波电路15和驱动放大电路16之外，还可以包括保护电路17。

上述保护电路17的输入端与上述驱动放大电路16的输出端连接，用于限制输出电压处于后端电路所能承受的阈值电压内，以保护后端电路。

本公开的实施例中，该信号调理电路用于处理可穿戴压阻传感器输出的传感信号，处理后的信号送入至后端电路中，后端电路能够根据信号调理电路结构处理后的电学信号绘制出生物电信号的动态曲线，例如脉搏或者心率的波形图。

图4为根据本公开一实施例所示的用于压阻传感器的信号调理电路结构的详细示意图。下面的描述中，在描述各个电路部分的具体电路结构时，针对相同的元件，例如电阻、运算放大器等，后下角采用不同的角标标示，以便于实现各个电路部分的描述。需要说明的是，尽管图4中绘示了各个电路部分的详细结构，各个电路部分不一定必须同时实现，任意部分可以单独采用示例的结构或者结合使用。

根据本公开的实施例，参照图4所示，上述信号转换电路11包括：电桥结构以及调节平衡结构。调节平衡结构与上述电桥结构连接，用于调节上述电桥结构的平衡状态。

电桥结构包含四个电阻支臂和由四个电阻支臂交接形成的四个节点。参照图4所示，其中两个相对设置的第一节点用于输入电源电压，电源电压包括：Vcc端和Vss端，另外两个相对设置的第二节点用于输出电压信号。

参照图4所示，上述四个电阻支臂中的一个电阻支臂包括两个电阻输入端，上述两个电阻输入端用于与上述压阻传感器的两个输出端连接，以在上述两个电阻输入端之间形成一虚设电阻，上述虚设电阻的阻值与上述压阻传感器的电阻信号相关。其中两个电阻输入端在图4中以Rin+和Rin-分别示意，在这两个电阻输入端之间形成了一虚设电阻，在图4中采用矩形表示该虚设电阻，以与其他三个电阻臂中采用波浪线表示的真实电阻R₁、R₂和R₃进行区分。

上述四个电阻支臂中的另外三个电阻支臂中分别设置有电阻R₁、R₂、R₃，其中电阻R₁和电阻R₃、虚设电阻和电阻R2分别串联连接于两个第一节点之间。在一实施例中，电阻R₁、R₂、R₃的阻值完全相同，且可以测量电阻的范围为1kΩ～100kΩ。

参照图4所示，上述调节平衡结构包括：一电位器R₃₂，设置于两个第一节点之间；以及一补偿电阻R₃₁，上述补偿电阻R₃₁的一端与上述电位器R₃₂的滑动端连接，上述补偿电阻的另一端与上述两个第二节点中连接有虚设电阻的第二节点连接。电位器R₃₂通过移动滑动端能够实现电阻调节。

信号转换电路通过设置补偿电阻R₃₁和可变电阻的电位器R₃₂，在实现电阻信号转换为电压信号的同时，还能够调节电桥在初始时刻的平衡，即输出的电压为0，有利于提升后续输出信号的精确度。

根据本公开的实施例，参照图4所示，上述第一差分运算电路12包括：第一运算放大器A₁，上述第一运算放大器A₁的同相输入端与上述两个第二节点中连接有虚设电阻的第二节点连接，上述第一运算放大器A₁的反相输入端与上述两个第二节点中另一第二节点连接；电阻R₄，连接于上述连接有虚设电阻的第二节点与上述第一运算放大器A₁的同相输入端之间；电阻R₅，连接于上述另一第二节点与上述第一运算放大器A₁的同相输入端之间；反馈电阻R₆，连接于上述第一运算放大器A₁的同相输入端与上述第一运算放大器A₁的输出端之间；以及一电阻R₇，上述电阻R₇的一端连接于上述第一运算放大器A₁的反相输入端，电阻R₇的另一端连接上述电源电压的Vss端。

第一差分运算电路中的R₄和R₆可以决定差分放大信号的大小，该第一差分运算电路具有较大的共模输入电压，选择的第一运算放大器A₁具有较高的共模抑制比，可以提高运算精度。

根据本公开的实施例，参照图4所示，上述阻抗变换电路13包括：第二运算放大器A₂，上述第二运算放大器A₂的同相输入端与上述第一差分运算电路12的输出端连接，上述第二运算放大器A₂的反相输入端通过一电阻R8连接至上述第二运算放大器A₂的输出端；以及第三运算放大器A₃，上述第三运算放大器A₃的同相输入端用于输入上述干扰电信号V_skin，上述第三运算放大器A₃的反相输入端通过一电阻R₉连接至上述第三运算放大器A₃的输出端。

阻抗变换电路13具有很高的输入阻抗和较小的输出阻抗，可以基本消除输入信号和负载对于回路的影响，同时防止反射信号反射回源端，该阻抗变换电路采用的同相放大器结构用于阻抗变换或隔离，通过设置两个同相放大器的结构，在第三运算放大器输入的干扰电信号V_skin，可以在后续电路处理对干扰信号进行处理，提高电路的鲁棒性。

根据本公开的实施例，参照图4所示，上述第二差分运算电路14为差分比例运算电路。上述第二差分运算电路包括：第四运算放大器A₄，上述第四运算放大器A₄的反相输入端与上述第二运算放大器A₂的输出端连接，上述第四运算放大器A₄的同相输入端与上述第三运算放大器A₃的输出端连接；电阻R₁₀，连接于第二运算放大器A₂的输出端与第四运算放大器A₄的反相输入端之间；电阻R₁₁，连接于第三运算放大器A₃的输出端与第四运算放大器A₄的同相输入端之间；反馈电阻R₁₂，连接于上述第四运算放大器A₄的反相输入端与上述第四运算放大器A₄的输出端之间；以及电阻R₁₃，上述电阻R₁₃的一端连接于上述第四运算放大器A₄的同相输入端，上述电阻R₁₃的另一端接地。

差分比例运算电路14可以对将阻抗变换后的传感器信号V₁与皮肤上的噪声信号V_skin进行差分运算，噪声信号V_skin频率通常高于生物电信号且其幅值较低，为mV级别。信号进行放大，减小皮肤上电信号带来的干扰，同时提升共模抑制比，从而提高电路的抗干扰能力。因此第二差分运算电路减小了干扰电信号V_skin带来的影响，具有可变增益、高共模抑制比、高输入阻抗的特性。

根据本公开的实施例，上述滤波电路15包括：高通滤波器电路和低通滤波器电路，上述低通滤波器电路的输入端与上述高通滤波器电路的输出端连接。

其中，参照图4所示，上述高通滤波器电路包括二阶巴特沃斯高通滤波器电路151，上述二阶巴特沃斯高通滤波器电路151包括：第五运算放大器A₅，上述第五运算放大器A₅的同相输入端与上述第四运算放大器A₄的输出端连接；电容C₁和电容C₂，串联连接于上述第四运算放大器A₄的输出端与上述第五运算放大器A₅的同相输入端之间；电阻R₁₄，上述电阻R₁₄的一端连接于电容C₁和电容C₂之间，上述电阻R₁₄的另一端连接于上述第五运算放大器A₅的输出端；电阻R₁₅，上述电阻R₁₅的一端连接于上述第五运算放大器A₅的同相输入端，上述电阻R₁₅的另一端接地；电阻R₁₆，上述电阻R₁₆的一端连接于上述第五运算放大器A₅的反相输入端，上述电阻R₁₆的另一端接地；电阻R₁₇，连接于上述第五运算放大器A₅的反相输入端与上述第五运算放大器A₅的输出端之间；以及电阻R₁₈，与上述电阻R₁₄并联，上述电阻R₁₈的一端连接于电容C₁和电容C₂之间，上述电阻R₁₈的另一端连接于上述第五运算放大器A₅的输出端。

根据本公开的实施例，参照图4所示，上述低通滤波器电路包括三阶巴特沃斯低通滤波器电路152。上述三阶巴特沃斯低通滤波器电路152包括：第六运算放大器A₆，上述第六运算放大器A₆的同相输入端与上述第五运算放大器A₅的输出端连接；电阻R₁₉和电阻R₂₀，串联连接于上述第五运算放大器A₅的输出端与上述第六运算放大器A₆的同相输入端之间；电容C₃，上述电容C₃的一端连接于电阻R₁₉和电阻R₂₀之间，上述电容C₃的另一端连接于上述第六运算放大器A₆的输出端；电容C₄，上述电容C₄的一端连接于上述第六运算放大器A₆的同相输入端，上述电容C₄的另一端接地；电阻R₂₁，上述电阻R₂₁的一端连接于上述第六运算放大器A₆的反相输入端，上述电阻R₂₁的另一端接地；电阻R₂₂，连接于上述第六运算放大器A₆的反相输入端与上述第六运算放大器A₆的输出端之间；第七运算放大器A₇，上述第七运算放大器A₇的同相输入端与上述第六运算放大器A₆的输出端连接；电阻R₂₃，连接于上述第六运算放大器A₆的输出端与上述第七运算放大器A₇的同相输入端之间；电容C₅，上述电容C₅的一端连接于上述第七运算放大器A₇的同相输入端，上述电容C₅的另一端接地；电阻R₂₄，上述电阻R₂₄的一端连接于上述第七运算放大器A₇的反相输入端，上述电阻R₂₄的另一端接地；以及电阻R₂₅，连接于上述第七运算放大器A₇的反相输入端与上述第七运算放大器A₇的输出端之间。

滤波电路通过设置串联连接的高通滤波器和低通滤波器，能够滤除高频噪声信号，使得输出的信号在预设频率范围内，同时对于低频响应有好的动态响应和均衡的效果，输出信号处于生物电信号的频率范围内(＜100Hz)且更加稳定。

根据本公开的实施例，参照图4所示，上述驱动放大电路16包括：第八运算放大器A₈，上述第八运算放大器A₈的同相输入端与上述第七运算放大器A₇的输出端连接；电阻R₂₆，连接于上述第七运算放大器A₇的输出端与上述第八运算放大器A₈的同相输入端之间；电阻R₂₇，上述电阻R₂₇的一端连接于上述第八运算放大器A₈的同相输入端，上述电阻R₂₇的另一端与一电源电压Vcc₁连接，该电源电压Vcc₁与上述第八运算放大器A₈的电源电压Vcc为相互独立的两个电源电压；电阻R₂₈，上述电阻R₂₈的一端连接于上述第八运算放大器A₈的同相输入端，上述电阻R₂₈的另一端接地；电阻R₂₉，上述电阻R₂₉的一端连接于上述第八运算放大器A₈的反相输入端，上述电阻R₂₉的另一端接地；以及电阻R₃₀，连接于上述第八运算放大器A₈的反相输入端与上述第八运算放大器A₈的输出端之间。

驱动放大电路对输入信号处理后能够使得输出信号满足后端电路的输入电平和信号幅值的要求，具有可调放大倍数的功能。加入的独立的供电电压Vcc₁可以使得输出电压具有可变的偏移，同时保证了后续采集卡对于电平的需求，方便了后端电路的数据采集，从而使得后端电路可以绘制出生物电信号(诸如脉搏或者心率等)的动态曲线。

在一实施例中，以上要求的所有运算放大器，包括第一运算放大器～第八运算放大器需要极低的失调电压(＜400μV)，同时要求具有极低的功耗，需要极低的电流(＜240μA)。

根据本公开的实施例，参照图4所示，上述保护电路17为稳压二极管D₁或者限幅二极管。

本公开的第二个示例性实施例提供了一种基于上述信号调理电路结构处理压阻传感器输出信号的方法。

图5为根据本公开一实施例所示的基于信号调理电路结构处理压阻传感器输出信号的方法的流程图。

参照图5所示，本公开实施例提供的基于信号调理电路结构处理压阻传感器输出信号的方法，包括以下操作：S21、S22、S23、S24、S25和S26。

在操作S21，基于信号转换电路将压阻传感器传感得到的电阻信号转换为电压信号。

在操作S22，基于第一差分运算电路对电压信号进行差分运算，使得电压信号变为单端信号后输出。

在操作S23，基于阻抗变换电路对单端信号和由于压阻传感器穿戴于皮肤表面时由皮肤产生的干扰电信号进行阻抗变换，以与后端电路匹配。

在操作S24，基于第二差分运算电路对阻抗变换后的单端信号和干扰电信号进行差分运算，以降低干扰电信号的影响。

在操作S25，基于滤波电路滤除高频噪声信号，并使得输出的信号位于预设频率范围内。

在操作S26，基于驱动放大电路进行输入信号的放大并且提供电平偏移，使得输入信号满足后端电路的输入电平和信号幅值要求。

根据本公开的实施例，上述方法还可以包括操作S27：基于保护电路限制输出电压处于后端电路所能承受的阈值电压内，以保护后端电路。

综上所述，本公开的实施例提供了一种用于压阻传感器的信号调理电路结构及方法，通过设置依次连接的信号转换电路、第一差分运算电路、阻抗变换电路、第二差分运算电路、滤波电路和驱动放大电路，能够将压阻传感器传感得到的电阻信号实现信号转换、阻抗变换、滤波、放大和电平偏移，具有可靠、超低噪声且稳定的输出电压，抗干扰能力强，兼容性高。

需要说明的是，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于压阻传感器的信号调理电路结构，其特征在于，包括：

依次连接的信号转换电路、第一差分运算电路、阻抗变换电路、第二差分运算电路、滤波电路和驱动放大电路；

所述信号转换电路用于将所述压阻传感器传感得到的电阻信号转换为电压信号，其中，所述信号转换电路包括：电桥结构，包含四个电阻支臂和四个节点，其中两个相对设置的第一节点用于输入电源电压，电源电压包括：Vcc端和Vss端，另外两个相对设置的第二节点用于输出电压信号；所述四个电阻支臂中的一个电阻支臂包括两个电阻输入端，所述两个电阻输入端用于与所述压阻传感器的两个输出端连接，以在所述两个电阻输入端之间形成一虚设电阻，所述虚设电阻的阻值与所述压阻传感器的电阻信号相关；所述四个电阻支臂中的另外三个电阻支臂中分别设置有电阻R₁、R₂、R₃，其中电阻R₁和电阻R₃、虚设电阻和电阻R₂分别串联连接于两个第一节点之间；以及调节平衡结构，与所述电桥结构连接，用于调节所述电桥结构的平衡状态，所述调节平衡结构包括：一电位器，设置于两个第一节点之间；以及一补偿电阻，所述补偿电阻的一端与所述电位器的滑动端连接，所述补偿电阻的另一端与所述两个第二节点中连接有虚设电阻的第二节点连接；

所述第一差分运算电路用于对所述电压信号进行差分运算，使得所述电压信号变为单端信号后输出；

所述阻抗变换电路包括：两个输入端和对应的两个输出端，其中一个输入端与所述第一差分运算电路的输出端连接，另一个输入端用于输入由于所述压阻传感器穿戴于皮肤表面时由皮肤产生的干扰电信号，所述阻抗变换电路用于对所述单端信号和所述干扰电信号进行阻抗变换，以与后端电路匹配；

所述第二差分运算电路用于对阻抗变换后的单端信号和干扰电信号进行差分运算，以降低所述干扰电信号的影响；

所述滤波电路用于滤除高频噪声信号，并使得输出的信号位于预设频率范围内；

所述驱动放大电路用于进行输入信号的放大并且提供电平偏移，使得经所述驱动放大电路处理后的输出信号满足后端电路的输入电平和信号幅值要求。

2.根据权利要求1所述的信号调理电路结构，其特征在于，还包括：

保护电路，所述保护电路的输入端与所述驱动放大电路的输出端连接，用于限制输出电压处于后端电路所能承受的阈值电压内，以保护后端电路。

3.根据权利要求1所述的信号调理电路结构，其特征在于，所述第一差分运算电路包括：

第一运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端与所述两个第二节点中连接有虚设电阻的第二节点连接，所述第一运算放大器的反相输入端与所述两个第二节点中另一第二节点连接；

电阻R₄，连接于所述连接有虚设电阻的第二节点与所述第一运算放大器的同相输入端之间；

电阻R₅，连接于所述另一第二节点与所述第一运算放大器的同相输入端之间；

反馈电阻R₆，连接于所述第一运算放大器的同相输入端与所述第一运算放大器的输出端之间；以及

电阻R₇，所述电阻R₇的一端连接于所述第一运算放大器的反相输入端，所述电阻R₇的另一端连接所述电源电压的Vss端。

4.根据权利要求1所述的信号调理电路结构，其特征在于，所述阻抗变换电路包括：

第二运算放大器，所述第二运算放大器的同相输入端与所述第一差分运算电路的输出端连接，所述第二运算放大器的反相输入端通过一电阻R₈连接至所述第二运算放大器的输出端；以及

第三运算放大器，所述第三运算放大器的同相输入端用于输入所述干扰电信号，所述第三运算放大器的反相输入端通过一电阻R₉连接至所述第三运算放大器的输出端。

5.根据权利要求4所述的信号调理电路结构，其特征在于，所述第二差分运算电路为差分比例运算电路，所述第二差分运算电路包括：

第四运算放大器，所述第四运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第四运算放大器的同相输入端与所述第三运算放大器的输出端连接；

电阻R₁₀，连接于第二运算放大器的输出端与第四运算放大器的反相输入端之间；

电阻R₁₁，连接于第三运算放大器的输出端与第四运算放大器的同相输入端之间；

反馈电阻R₁₂，连接于所述第四运算放大器的反相输入端与所述第四运算放大器的输出端之间；以及

电阻R₁₃，所述电阻R₁₃的一端连接于所述第四运算放大器的同相输入端，所述电阻R₁₃的另一端接地。

6.根据权利要求1所述的信号调理电路结构，其特征在于，所述滤波电路包括：高通滤波器电路和低通滤波器电路，所述低通滤波器电路的输入端与所述高通滤波器电路的输出端连接；

其中，所述高通滤波器电路包括二阶巴特沃斯高通滤波器电路，所述二阶巴特沃斯高通滤波器电路包括：

第五运算放大器，所述第五运算放大器的同相输入端与所述第二差分运算电路的输出端连接；

电容C₁和电容C₂，串联连接于所述第二差分运算电路的输出端与所述第五运算放大器的同相输入端之间；

电阻R₁₄，所述电阻R₁₄的一端连接于电容C₁和电容C₂之间，所述电阻R₁₄的另一端连接于所述第五运算放大器的输出端；

电阻R₁₅，所述电阻R₁₅的一端连接于所述第五运算放大器的同相输入端，所述电阻R₁₅的另一端接地；

电阻R₁₆，所述电阻R₁₆的一端连接于所述第五运算放大器的反相输入端，所述电阻R₁₆的另一端接地；

电阻R₁₇，连接于所述第五运算放大器的反相输入端与所述第五运算放大器的输出端之间；以及

电阻R₁₈，与所述电阻R₁₄并联，所述电阻R₁₈的一端连接于电容C₁和电容C₂之间，所述电阻R₁₈的另一端连接于所述第五运算放大器的输出端。

7.根据权利要求6所述的信号调理电路结构，其特征在于，所述低通滤波器电路包括三阶巴特沃斯低通滤波器电路，所述三阶巴特沃斯低通滤波器电路包括：

第六运算放大器，所述第六运算放大器的同相输入端与所述第五运算放大器的输出端连接；

电阻R₁₉和电阻R₂₀，串联连接于所述第五运算放大器的输出端与所述第六运算放大器的同相输入端之间；

电容C₃，所述电容C₃的一端连接于电阻R₁₉和电阻R₂₀之间，所述电容C₃的另一端连接于所述第六运算放大器的输出端；

电容C₄，所述电容C₄的一端连接于所述第六运算放大器的同相输入端，所述电容C₄的另一端接地；

电阻R₂₁，所述电阻R₂₁的一端连接于所述第六运算放大器的反相输入端，所述电阻R₂₁的另一端接地；

电阻R₂₂，连接于所述第六运算放大器的反相输入端与所述第六运算放大器的输出端之间；

第七运算放大器，所述第七运算放大器的同相输入端与所述第六运算放大器的输出端连接；

电阻R₂₃，连接于所述第六运算放大器的输出端与所述第七运算放大器的同相输入端之间；

电容C₅，所述电容C₅的一端连接于所述第七运算放大器的同相输入端，所述电容C₅的另一端接地；

电阻R₂₄，所述电阻R₂₄的一端连接于所述第七运算放大器的反相输入端，所述电阻R₂₄的另一端接地；以及

电阻R₂₅，连接于所述第七运算放大器的反相输入端与所述第七运算放大器的输出端之间。

8.根据权利要求1所述的信号调理电路结构，其特征在于，所述驱动放大电路包括：

第八运算放大器，所述第八运算放大器的同相输入端与所述滤波电路的输出端连接；

电阻R₂₆，连接于所述滤波电路的输出端与所述第八运算放大器的同相输入端之间；

电阻R₂₇，所述电阻R₂₇的一端连接于所述第八运算放大器的同相输入端，所述电阻R₂₇的另一端与一电源电压Vcc₁连接，该电源电压Vcc₁与所述第八运算放大器的电源电压Vcc为相互独立的两个电源电压；

电阻R₂₈，所述电阻R₂₈的一端连接于所述第八运算放大器的同相输入端，所述电阻R₂₈的另一端接地；

电阻R₂₉，所述电阻R₂₉的一端连接于所述第八运算放大器的反相输入端，所述电阻R₂₉的另一端接地；以及

电阻R₃₀，连接于所述第八运算放大器的反相输入端与所述第八运算放大器的输出端之间。

9.一种基于权利要求1-8中任一项所述的信号调理电路结构处理压阻传感器输出信号的方法，其特征在于，包括：

基于所述信号转换电路将所述压阻传感器传感得到的电阻信号转换为电压信号；

基于所述第一差分运算电路对所述电压信号进行差分运算，使得所述电压信号变为单端信号后输出；

基于所述阻抗变换电路对所述单端信号和由于所述压阻传感器穿戴于皮肤表面时由皮肤产生的干扰电信号进行阻抗变换，以与后端电路匹配；

基于所述第二差分运算电路对阻抗变换后的单端信号和干扰电信号进行差分运算，以降低所述干扰电信号的影响；

基于所述滤波电路滤除高频噪声信号，并使得输出的信号位于预设频率范围内；以及

基于所述驱动放大电路进行输入信号的放大并且提供电平偏移，使得所述输入信号满足后端电路的输入电平和信号幅值要求。

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