CN113197565B - 一种生物电势采集系统的导程接触检测电路 - Google Patents

一种生物电势采集系统的导程接触检测电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物电势采集系统的导程接触检测电路，包括：输入端子；占空比控制器，被配置为产生第一时钟信号；发射信号产生器，被配置为根据所述第一时钟信号向所述输入端子产生发射信号；基于混频器的接收器，被配置为基于所述第一时钟信号和所述发射信号执行混频操作以产生输出信号，其中，所述输出信号指示所述生物电势采集系统的电极是否与人体接触；以及所述电极耦接至所述输入端子。实施本发明实施例可减小电源线共模干扰和电极组织偏移，提高检测的准确度。

Description

一种生物电势采集系统的导程接触检测电路
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，特别地涉及一种生物电势采集系统的导程接触检测电路。
背景技术
传统的医疗设备通常使用大的干(dry)电极或湿(wet)电极来测量生理信号以获得诸如生物阻抗或心电图的生理特征。近来，诸如便携式/可穿戴医疗设备之类的个人生物传感器因随时提供生理信息供用户参考而变得流行。考虑到这些便携式医疗设备的使用和设计，较小的干电极更为合适。然而，较小的干电极意味着较差的电极阻抗，较差的电极阻抗(即，较大的电极阻抗)可能会导致医疗设备的导程接触检测(lead-on detection)程序的检测错误。
具体地，当便携式医疗设备的电极不与人体接触时，生理信息检测电路被停用以降低功耗。便携式医疗设备具有用于始终检测电极是否与人体接触的导程接触检测电路，并且一旦导程接触检测电路确定电极与人体接触，则导程接触检测电路发送触发信号以启动生理信息检测电路测量生理信号以获得人体的生理特征。由于便携式医疗设备中使用的干电极较小，引导检测电路可能由于电极的大阻抗，电源线共模干扰(例如60Hz干扰)和电极组织偏移(即皮肤和电极之间存在的DC偏移)而存在检测错误，导致引导检测电路和生理信息检测电路发生错误的动作。
发明内容
本发明提供一种生物电势采集系统的导程接触检测电路，可减小电源线共模干扰和电极组织偏移，提高检测的准确度。
本发明提供的生物电势采集系统的导程接触检测电路可包括：输入端子；占空比控制器，被配置为产生第一时钟信号；发射信号产生器，被配置为根据所述第一时钟信号向所述输入端子产生发射信号；基于混频器的接收器，被配置为基于所述第一时钟信号和所述发射信号执行混频操作以产生输出信号，其中，所述输出信号指示所述生物电势采集系统的电极是否与人体接触；以及所述电极耦接至所述输入端子。
在本发明的实施例中，导程接触检测电路包括基于混频器的接收器，被配置为基于第一时钟信号和所述发射信号执行混频操作以产生输出信号，其中，所述输出信号指示所述生物电势采集系统的电极是否与人体接触，由此可减小电源线共模干扰和电极组织偏移，提高检测的准确度。
附图说明
图1根据本发明的一个实施例示出生物电势(biopotential)采集系统100的图。
图2根据本发明的一个实施例示出基于混频器的接收器200的图。
图3根据本发明的一个实施例示出基于混频器的接收器300的图。
图4根据本发明的一个实施例示出基于混频器的接收器400的图。
图5根据本发明的一个实施例示出基于混频器的接收器500的图。
图6根据本发明的一个实施例示出占空比控制器600的图。
具体实施方式
在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”及“包括”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大体上”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电性连接至该第二装置。以下所述为实施本发明的较佳方式，目的在于说明本发明的精神而非用以限定本发明的保护范围，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
接下面的描述为本发明预期的最优实施例。这些描述用于阐述本发明的大致原则而不应用于限制本发明。本发明的保护范围应在参考本发明的权利要求书的基础上进行认定。
图1根据本发明的一个实施例示出生物电势(biopotential)采集系统100的图。如图1所示，生物电势采集系统100是具有两个电极102和104的双电极生物电势采集系统，并且电极102和104用于连接到右身体(例如右手)和左身体(例如左手)以获得人体的生物电势信号，生物电势采集系统100可以处理和分析生物电势信号来确定诸如心电图(electrocardiography，ECG)信号之类的生理信号，并且可以在生物电势采集系统100的屏幕上显示生理特征。在该实施例中，生物电势采集系统100可以内置在任何便携式电子设备或可穿戴电子设备中。
为了节省生物电势采集系统100的功耗，生物电势采集系统100包括导程接触检测电路来确定电极102和104是否与人体接触。具体地，生物电势采集系统100可以在正常模式(normal mode)和待机模式(standby mode)下操作，其中，当生物电势采集系统100在待机模式下操作时，部分电路被停用以降低功耗，此时，导程接触检测电路被启动并检测电极102和104是否与人体接触。一旦导程接触检测电路确定电极102和104与人体接触，生物电势采集系统100受控而从待机模式进入到正常模式，功率放大器140开始从电极102和104接收输入信号(生物电势)，以产生放大后的信号至处理电路150，用于确定生理信息。
因为本发明关注导程接触检测电路，所以以下描述仅描述了生物电势采集系统100的导程接触检测电路。如图1所示，导程接触检测电路包括两个输入端子N1和N2，发射信号产生器110，基于混频器的接收器120和占空比(duty-cycle)控制器130。输入端子N1连接到电极102，并且输入端子N2连接到电极104。发射信号产生器110包括混频器112，两个电流源114和116以及两个电阻器R，其中电流源耦接在电源电压VDD和混频器112之间，以及电阻器R耦接在输入端子N1/N2和共模电压VCM之间。在导程接触检测电路的操作中，占空比控制器130至少向发射信号产生器110产生时钟信号CLK_M，并且混频器112接收时钟信号CLK_M以向输入端子N1和N2产生发射信号。在本实施例中，时钟信号CLK_M的频率可以为几百赫兹(Hz)或几千赫兹(kHz)，例如，频率可以在200Hz至4kHz的范围内。另外，发射信号的频率等于时钟信号CLK_M的频率。然后，基于混频器的接收器120从输入端子N1和N2接收发射信号，并且基于混频器的接收器120将发射信号与时钟信号CLK_M混频以产生DC信号，并且基于直流信号DC产生输出信号Vout。
在图1所示的实施例中，通过将发射信号与时钟信号CLK_M混频产生的DC信号可以准确地反映输入端子N1和N2处的电压，基于混频器的接收器120参考DC信号的电平来产生输出信号Vout用于确定电极102和104是否与人体接触，由此，减小了电源线共模干扰和电极组织偏移，提高了检测的准确度。
在一个实施例中，占空比控制器130还可以产生时钟信号CLK_DC以启动(enable)或停用(disable)发射信号产生器110和基于混频器的接收器120。时钟信号CLK_DC的频率可以比时钟信号CLK_M的频率慢得多。例如，时钟信号CLK_DC的周期可以是0.5至2秒，或者用户可接受的任何响应时间或延迟时间。即，如果时钟信号CLK_DC的一个周期为0.5秒，则发射信号产生器110和基于混频器的接收器120在每个0.5秒中的一短时间被启动，其中，发射信号产生器110和基于混频器的接收器120被启动的短时间短于或远短于0.5秒(例如，二十毫秒)。另外，仅当时钟信号CLK_DC位于启动时段(例如，高电压电平)时，才将时钟信号CLK_M产生给发射信号产生器110和基于混频器的接收器120。通过使用时钟信号CLK_DC执行上述控制机制，导程接触检测电路还可以大大降低功耗。
图2根据本发明的一个实施例示出基于混频器的接收器200的图，其中基于混频器的接收器200可以用于实现图1所示的基于混频器的接收器120。基于混频器的接收器200包括混频器210和比较器220。在基于混频器的接收器200的操作期间，混频器210从输入端子N1和N2接收发射信号，并且从占空比控制器130接收时钟信号CLK_M，并且混频器210将发射信号和具有相同频率的时钟信号CLK_M混频以产生混频信号VDC。混频信号VDC主要包含DC分量，因此可以将混频信号VDC视为DC信号。然后，比较器220将混频信号VDC与参考信号Vref进行比较以产生输出信号Vout，其中Vout可用于确定电极102和104是否与人体接触。在一个实施例中，如果输出信号Vout指示混频信号VDC大于参考信号Vref，则表示电极102和104未与人体接触；如果输出信号Vout指示混频信号小于参考信号Vref，则表示电极102和104与人体接触。
图3根据本发明的一个实施例示出基于混频器的接收器300的图，其中基于混频器的接收器300可以用于实现图1所示的基于混频器的接收器120。基于混频器的接收器300包括高通滤波器310，混频器320和比较器330。在基于混频器的接收器300的操作期间，高通滤波器310从输入端子N1和N 2接收发射信号，并且高通滤波器310对发射信号执行高通滤波操作以产生滤波后的信号VT'。混频器320将滤波后的信号VT'和时钟信号CLK_M混频以产生混频信号VDC。混频信号VDC主要包含DC分量，因此可以将混频信号VDC视为DC信号。然后，比较器330将混频信号VDC与参考信号Vref进行比较以产生输出信号Vout，其中Vout可用于确定电极102和104是否与人体接触。在图3所示的实施例中，当人体接触电极102和104时，发射信号可能具有电极组织偏移(即，皮肤和电极之间存在的DC偏移)，因此高通滤波器310被配置为阻挡电极组织偏移。即高通滤波器310防止电极组织偏移影响比较器330的操作。因此，输出电压Vout将更加准确。
图4根据本发明的一个实施例示出基于混频器的接收器400的图，其中基于混频器的接收器400可以用于实现图1所示的基于混频器的接收器120。基于混频器的接收器400包括高通滤波器410，混频器420，低通滤波器430和比较器440。在基于混频器的接收器400的操作期间，高通滤波器410从输入端子N1和N2接收发射信号，并对发射信号进行滤波以产生滤波后的信号VT'。混频器420将滤波后的信号VT'和时钟信号CLK_M混频以产生混频信号VDC。低通滤波器430对DC信号VDC进行滤波以产生滤波后的混频信号VDC’。然后，比较器440将滤波后的混频信号VDC’与参考信号Vref进行比较以产生输出信号Vout，其中Vout可用于确定电极102和104是否与人体接触。在图4所示的实施例中，高通滤波器410被配置为阻挡电极组织偏移，即高通滤波器410防止电极组织偏移影响比较器440的操作。另外，低通滤波器430被配置为了减少电源线干扰(power line interference)(例如60Hz干扰)和其他噪声(例如电极组织偏移的一部分被调制为高频)，因此由低通滤波器430产生的滤波后的混频信号VDC'可以被视为DC信号。因此，输出电压Vout将更加准确。
图5根据本发明的一个实施例示出基于混频器的接收器500的图，其中基于混频器的接收器500可以用于实现图1所示的基于混频器的接收器120。基于混频器的接收器500包括高通滤波器510，混频器520，低通滤波器530，放大器540和比较器550。在基于混频器的接收器500的操作期间，高通滤波器510从输入端子N1和N2接收发射信号，并对发射信号进行滤波以产生滤波后的信号VT'。混频器520将滤波后的信号VT'和时钟信号CLK_M混频以产生混频信号VDC。低通滤波器530对混频信号VDC进行滤波，以产生滤波后的混频信号VDC’。放大器540放大滤波后的混频信号VDC’以产生放大后的信号VDC”。然后，比较器550将放大后的信号VDC”与参考信号Vref进行比较以产生输出信号Vout，其中，Vout可用于确定电极102和104是否与人体接触。在图5所示的实施例中，高通滤波器510被配置为阻挡电极组织偏移，即高通滤波器510防止电极组织偏移影响比较器550的操作。低通滤波器530被配置为减小电源线干扰(例如60Hz干扰)和其他噪声(例如，电极组织偏移的一部分被调制为高频)。另外，用作增益级的放大器540可以增加基于混频器的接收器500的灵敏度。因此，输出电压Vout将更加准确。
在本发明的其他实施例中，图4所示的高通滤波器410可以从基于混频器的接收器400中移除，图5所示的高通滤波器450可以从基于混频器的接收器500中移除，由于低通滤波器430/530的操作，输出电压Vout也可以具有足够的精度。
图6根据本发明的一个实施例示出占空比控制器600的图，其中，占空比控制器600可以用于实现图1所示的占空比控制器130。占空比控制器600包括低功率振荡器610和参考信号产生器620。在占空比控制器600的操作期间，低功率振荡器610被配置为产生时钟信号CLK_M和时钟信号CLK_DC，参考信号产生器620被配置为产生参考信号Vref和Iref给发射信号产生器110和基于混频器的接收器130，其中，参考信号Vref是参考电压，参考信号Iref是参考电流。在该实施例中，参考信号产生器620基于时钟信号CLK_DC被启动或停用，并且仅当时钟信号CLK_DC位于启动时段(例如高电压电平)时才产生参考信号Vref和Iref。因此，占空比控制器600可以在待机模式下节省大量功率。
注意，图1中所示的发射信号产生器110仅出于说明性目的，则发射信号产生器110可以具有其他电路设计，只要发射信号产生器110可以产生频率基于时钟信号CLK_M来确定的发射信号即可。例如，图1中所示的电流源114和116可以用电压源设计代替。
简言之，在导程接触检测电路的实施例中，基于混频器的接收器用于确定小的干电极是否准确地与人体接触。另外，占空比控制器将快速时钟信号提供给发射信号产生器和基于混频器的接收器以用于检测过程，并且占空比控制器可以进一步提供慢时钟信号以用于控制发射信号产生器和基于混频器的接收器的启动以降低功耗。因此，导程接触检测电路的实施例可以以小功耗良好地工作。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (7)

1.一种生物电势采集系统的导程接触检测电路，其特征在于，包括：
输入端子；
占空比控制器，被配置为产生第一时钟信号；
发射信号产生器，被配置为根据所述第一时钟信号向所述输入端子产生发射信号；
基于混频器的接收器，被配置为基于所述第一时钟信号和所述发射信号执行混频操作以产生输出信号，其中，所述输出信号指示所述生物电势采集系统的电极是否与人体接触；以及
所述电极耦接至所述输入端子；
所述占空比控制器还产生第二时钟信号，其中，所述第二时钟信号的频率低于所述第一时钟信号的频率；并且基于所述第二时钟信号启用或停用所述基于混频器的接收器；
所述发射信号产生器接收所述第二时钟信号，并且基于所述第二时钟信号来启用或停用所述发射信号产生器；
当所述第二时钟信号位于启动时段时，将所述第一时钟信号提供给所述基于混频器的接收器和所述发射信号产生器。
2.如权利要求1所述的导程接触检测电路，其特征在于，所述基于混频器的接收器包括：
混频器，被配置为将所述发射信号与所述第一时钟信号进行混频以产生混频信号；和
比较器，耦接至所述混频器，被配置为将所述混频信号与参考信号进行比较以产生所述输出信号。
3.如权利要求1所述的导程接触检测电路，其特征在于，所述基于混频器的接收器包括：
高通滤波器，被配置为对所述发射信号执行高通滤波操作，产生滤波后的信号；
混频器，耦接至所述高通滤波器，用于将所述滤波后的信号与所述第一时钟信号进行混频以产生混频信号；和
比较器，被配置为将所述混频信号与参考信号进行比较以产生所述输出信号。
4.如权利要求1所述的导程接触检测电路，其特征在于，所述基于混频器的接收器包括：
高通滤波器，被配置为对所述发射信号执行高通滤波操作，产生滤波后的信号；
混频器，耦接至所述高通滤波器，被配置为将所述滤波后的信号与所述第一时钟信号进行混频，产生混频信号；
低通滤波器，耦接至所述混频器，被配置为对所述混频信号执行低通滤波操作，以产生滤波后的混频信号；和
比较器，被配置为将所述滤波后的混频信号与参考信号进行比较以产生所述输出信号。
5.如权利要求1所述的导程接触检测电路，其特征在于，所述基于混频器的接收器包括：
高通滤波器，被配置为对所述发射信号执行高通滤波操作，产生滤波后的信号；
混频器，耦接至所述高通滤波器，被配置为将所述滤波后的信号与所述第一时钟信号进行混频以产生混频信号；
低通滤波器，耦接至所述混频器，被配置为对混频信号执行低通滤波操作，以产生滤波后的混频信号；
放大器，耦接至所述低通滤波器，被配置为放大所述滤波后的混频信号以产生放大后的信号；和
比较器，被配置为将所述放大后的信号与参考信号进行比较以产生所述输出信号。
6.如权利要求1所述的导程接触检测电路，其特征在于，所述基于混频器的接收器包括：
混频器，耦接至高通滤波器，被配置为将所述发射信号与所述第一时钟信号混频以产生混频信号；
低通滤波器，耦接至所述混频器，被配置为对所述混频信号执行低通滤波操作，以产生滤波后的混频信号；和
比较器，被配置为将所述滤波后的混频信号与参考信号进行比较以产生所述输出信号。
7.如权利要求1所述的导程接触检测电路，其特征在于，所述占空比控制器包括：
振荡器，所述振荡器被配置为产生所述第一时钟信号和第二时钟信号，所述第二时钟信号的频率低于所述第一时钟信号的频率；和
参考信号产生器，用于产生参考信号给所述发射信号产生器或所述基于混频器的接收器；
其中，所述参考信号产生器基于所述第二时钟信号被启用或停用。
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