CN203379116U

CN203379116U - 高精度双通道生物阻抗测量仪

Info

Publication number: CN203379116U
Application number: CN201320433422.9U
Authority: CN
Inventors: 陈龙聪; 甘平; 高斌; 耿浩非
Original assignee: Chongqing Medical University
Current assignee: Chongqing Medical University
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2023-07-19

Abstract

本实用新型公开一种高精度双通道生物阻抗测量仪，包括处理器、液晶显示单元、键盘输入单元、USB通信单元，其特征在于：还设置有温度检测单元以及两路阻抗测量通道；阻抗测量通道设置有扫描信号产生单元、扫描信号调节单元、阻抗测量单元、幅度相位测量单元以及幅度测量单元；其显著效果是：以处理器为主控芯片，通过高性能的扫描信号产生模块和信号提取模块，实现生物阻抗的双通道测量，扫描信号的频率可在0-10MHz之间调节，而且除了具有调节精度高、响应速度快、自动扫频测量、便于携带等特点外，该系统还具有同时实现双道生物阻抗测量和温度实时测量两大突出的特点。

Description

高精度双通道生物阻抗测量仪

技术领域

本实用新型涉及信号采集与信号处理技术，具体地说，是一种高精度双通道生物阻抗测量仪。

背景技术

由于生物阻抗在一定程度上能反映人体水分、脂肪、蛋白质等成份，能够为减肥、肌肉训练提供科学的依据，在运动医学、康复医学等领域有着重要的作用，同时对各类人群的健康调查，营养状况评价及相关疾病诊断等都有非常广泛的应用空间。因此，生物阻抗的精确测量便显得格外重要。

然而现有的生物阻抗测量仪器绝大多数都具有频率范围较窄、输出电流范围较小以及阻抗谱测量范围不够宽等缺陷，而且是单通道测量、无温度测量功能。

由于在大多数的生物医学信号检测时需要同时获取双道生物阻抗的对比研究，而且生物阻抗与温度有关的研究极其必需。因此，现有技术在实际应用过程中还存在诸多缺陷。

实用新型内容

为了克服上述问题，本实用新型提出一种高精度双通道生物阻抗测量仪。其目的在于实现高精度且同时获取双道生物阻抗的对比测量，并提供温度参考功能。

其具体的技术方案如下：

一种高精度双通道生物阻抗测量仪，包括处理器（1）以及连接在处理器（1）上的液晶显示单元（2）、键盘输入单元（3）、USB通信单元（4），其关键在于：在所述处理器（1）上还设置有温度检测单元（5）以及两路用于实现生物阻抗测量的阻抗测量通道；

所述阻抗测量通道设置有扫描信号产生单元（6）、扫描信号调节单元（7）、阻抗测量单元（8）、幅度相位测量单元（9）以及幅度测量单元（10）；

处理器（1）控制所述扫描信号产生单元（6）产生原始扫描信号，该原始扫描信号经过扫描信号调节单元（7）送入阻抗测量单元（8），在阻抗测量单元（8）中设置有信号输出电极接口（Ch1_Out）和信号输入电极接口（Ch1_In），利用阻抗测量单元（8）采集阻抗测量驱动信号（DriveSig1）和阻抗测量检测信号（MeasureSig1），通过幅度相位测量单元（9）提取阻抗测量驱动信号（DriveSig1）和阻抗测量检测信号（MeasureSig1）的幅度差和相位差，通过幅度测量单元（10）提取阻抗测量驱动信号（DriveSig1）幅值。

进一步描述，所述扫描信号产生单元（6）包括集成信号发生芯片AD9833，该扫描信号产生单元（6）产生的原始扫描信号频率为0-10MHz。

再进一步描述，所述扫描信号调节单元（7）设置有一个带双运放功能的第一运算放大器（AMP1），所述扫描信号产生单元（6）产生的原始扫描信号经过电阻R2送入第一运算放大器（AMP1）的第2管脚，第一运算放大器（AMP1）的第1管脚和第6管脚之间连接电阻R4，在第一运算放大器（AMP1）的第6管脚和第7管脚之间连接有电位器，通过第7管脚输出调节后的扫描信号。

为了扩大该仪器的温度测量范围，所述温度检测单元（5）包括温度传感器芯片DS18B20，其测温范围为-55℃～+125℃。

为了提高检测精度，所述阻抗测量单元（8）设置有第二运算放大器（AMP2）、第三运算放大器（AMP3）以及模拟开关模块，所述第二运算放大器（AMP2）和第三运算放大器（AMP3）均带双运放功能，所述扫描信号调节单元（7）输出的信号送入第三运算放大器（AMP3）的第2管脚，通过第三运算放大器（AMP3）的第1管脚输出所述阻抗测量驱动信号（DriveSig1）到信号输出电极接口（Ch1_Out）中，所述信号输入电极接口（Ch1_In）与第三运算放大器（AMP3）的第6管脚连接，通过第三运算放大器（AMP3）的第7管脚产生所述阻抗测量检测信号（MeasureSig1）,所述模拟开关模块用于实现第三运算放大器（AMP3）第6管脚与第7管脚之间反馈电阻的调节，所述第二运算放大器（AMP2）为所述信号输出电极接口（Ch1_Out）和信号输入电极接口（Ch1_In）提供地线连接。

为了实现第三运算放大器（AMP3）中反馈电阻的自动调节，所述模拟开关模块采用集成芯片ADG608，由处理器（1）提供控制信号。

为了实现幅度差与相位差的检测，所述阻抗测量驱动信号（DriveSig1）与阻抗测量检测信号（MeasureSig1）送入所述幅度相位测量单元（9）中，幅度相位测量单元（9）提取出的阻抗测量驱动信号（DriveSig1）与阻抗测量检测信号（MeasureSig1）的幅度差并送入所述处理器（1）的第一AD采样口（AD1），幅度相位测量单元（9）提取出阻抗测量驱动信号（DriveSig1）与阻抗测量检测信号（MeasureSig1）的相位差并送入所述处理器（1）的第二AD采样口（AD2）。

为了提高信号提取的精度，所述幅度相位测量单元（9）采用集成芯片AD8302。

为了在保证精度的情况下对不同幅度信号进行测量，所述幅度测量单元（10）设置有第四运算放大器（AMP4）、AD620运放模块以及数控放大器PGA113，第四运算放大器（AMP4）带双运放功能，所述阻抗测量驱动信号（DriveSig1）同时送入第四运算放大器（AMP4）的第3管脚和第5管脚，第四运算放大器（AMP4）第1管脚输出的信号经过二极管D4以及电阻R22后送入AD620运放模块的正相输入端，第四运算放大器（AMP4）第7管脚输出的信号经过二极管D5以及电阻R23后送入AD620运放模块的反相输入端，二极管D4与二极管D5的连接方向相反实现阻抗测量驱动信号（DriveSig1）的整流，AD620运放模块的输出端与反相输入端之间连接有反馈电阻R25，AD620运放模块的第1管脚和第8管脚之间连接有增益调节电阻R26，AD620运放模块输出的信号送入所述数控放大器PGA113的第2管脚，处理器（1）对数控放大器PGA113进行控制，该数控放大器PGA113输出的信号经过电阻R35送入所述处理器（1）的第三AD采样口（AD3）。

本实用新型的显著效果是：以处理器为主控芯片，通过高性能的扫描信号产生模块和信号提取模块，实现生物阻抗的双通道测量，扫描信号的频率可在0-10MHz之间调节，而且除了具有调节精度高、响应速度快、自动扫频测量、便于携带等特点外，该系统还具有同时实现双道生物阻抗测量和温度实时测量两大突出的特点。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理框图；

图2是图1中每个阻抗测量通道的电路原理框图；

图3是图2中扫描信号产生单元（6）的电路原理图；

图4是图2中扫描信号调节单元（7）的电路原理图；

图5是图2中阻抗测量单元（8）的电路原理图；

图6是图2中幅度相位测量单元（9）的电路原理图；

图7是图2中幅度测量单元（10）的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

如图1所示，一种高精度双通道生物阻抗测量仪，包括处理器1以及连接在处理器1上的液晶显示单元2、键盘输入单元3、USB通信单元4，在所述处理器1上还设置有温度检测单元5以及两路用于实现生物阻抗测量的阻抗测量通道，处理器1通常选用32位微处理芯片STM32F103VE，温度检测单元5选用温度传感器芯片DS18B20，其测温范围为-55℃～+125℃。通过处理器1实现系统整体控制，通过温度传感器实现环境温度检测，通过两路生物阻抗测量通道实现阻抗测量时的对比检测。

如图2所示，为了提高生物阻抗测量的精度，所述阻抗测量通道设置有扫描信号产生单元6、扫描信号调节单元7、阻抗测量单元8、幅度相位测量单元9以及幅度测量单元10；

处理器1控制所述扫描信号产生单元6产生原始扫描信号，该原始扫描信号经过扫描信号调节单元7送入阻抗测量单元8，在阻抗测量单元8中设置有信号输出电极接口Ch1_Out和信号输入电极接口Ch1_In，利用阻抗测量单元8采集阻抗测量驱动信号DriveSig1和阻抗测量检测信号MeasureSig1，通过幅度相位测量单元9提取阻抗测量驱动信号DriveSig1和阻抗测量检测信号MeasureSig1的幅度差和相位差，通过幅度测量单元10提取阻抗测量驱动信号DriveSig1幅值。

如图3所示，在实施过程中，所述扫描信号产生单元6包括集成信号发生芯片AD9833，该扫描信号产生单元6产生的原始扫描信号频率为0-10MHz。AD9833是一种具有12位数控相位和28位数控频率高性能芯片，并能产生高精度的三角波、正弦波和方波。但在本仪器中只使用其产生正弦波的功能，因为阻抗测量只需使用正弦波激励。同时本仪器选用24MHz的有源晶振，28位的数控频率可达到的分辨率为0.094Hz，12位位相可达0.08789度的分辨率。因此，其扫描频率和相位的分辨率均很高。扫描信号产生单元6实现产生0-10MHz的扫描信号，对后续的信号测量提供扫描信号源。

图3中的数据输入节点AD9833Data1、同步控制输入节点AD9833FSYNC1、时钟输入节点AD9833CLK1分别与STM32F103VE微处理器中的对应输入输出口相连，在处理器1的控制下输出所需频率和位相的正弦信号；输出节点Ch1SigSour与扫描信号调节单元（2）中的对应输入节点相连；电源节点DV5.0V、AV5.0V、AGND、GND分别与电源部分的数字5V电源、模拟5V电源、模拟地、数字地对应的节点相连。

如图4所示，阻抗信号的测量原理是测量经过测量物前后扫描信号的变化，所以对输入测量环节前对扫描信号的调节直接影响测量结果的精度。为了满足测量信号的幅度要求，所述扫描信号调节单元7设置有一个带双运放功能的第一运算放大器AMP1，所述扫描信号产生单元6产生的原始扫描信号经过电阻R2送入第一运算放大器AMP1的第2管脚，第一运算放大器AMP1的第1管脚和第6管脚之间连接电阻R4，在第一运算放大器AMP1的第6管脚和第7管脚之间连接有电位器，通过第7管脚输出调节后的扫描信号。其中第一运算放大器AMP1选择的通频带达到100MHz，远远超过系统设计的扫描信号频率，原始扫描信号完全不受影响只是比例放大或者缩小，可以结合幅度测量单元测出的幅值在LCD上的显示直观准确的调节。

如图5所示，所述阻抗测量单元8设置有第二运算放大器AMP2、第三运算放大器AMP3以及模拟开关模块，所述第二运算放大器AMP2和第三运算放大器AMP3均带双运放功能，所述扫描信号调节单元7输出的信号送入第三运算放大器AMP3的第2管脚，通过第三运算放大器AMP3的第1管脚输出所述阻抗测量驱动信号DriveSig1到信号输出电极接口Ch1_Out中，所述信号输入电极接口Ch1_In与第三运算放大器AMP3的第6管脚连接，通过第三运算放大器AMP3的第7管脚产生所述阻抗测量检测信号MeasureSig1,所述模拟开关模块用于实现第三运算放大器AMP3第6管脚与第7管脚之间反馈电阻的调节，所述第二运算放大器AMP2为所述信号输出电极接口Ch1_Out和信号输入电极接口Ch1_In提供地线连接。

实施过程中，所述模拟开关模块采用集成芯片ADG608，由处理器1提供控制信号。

由处理器1控制的模拟开关模块ADG608，是为了针对不同的测量信号调节反馈阻抗大小，通过第三运算放大器AMP3提高带负载能力，减少信号的失真和幅度的损失，图中运算放大器通常选用集成运算放大器TPS3122，具有双运放功能。

图中的信号输入节点Ch1Sig与扫描信号调节单元7中的对应输出节点相连；输出节点DriveSig1与幅度测量单元10中的对应输入节点相连；节点ADG608EN1、ADG608A10、ADG608A11、ADG608A12分别与STM32F103VE微处理器单元中对应输入输出接点相连；输出节点DriveSig1、MeasureSig1分别与图6中对应的输入节点相连；接口Ch1_Out、Ch1_In与外部阻抗测量连接线相连；电源节点DV3.3V、AV5.0V、AV-5.0V、AV12V、AV-12V、AGND分别与电源部分的数字3.3V电源、模拟5V电源、模拟-5V电源、模拟12V电源、模拟-12V电源、模拟地对应的节点相连。

如图6所示，幅度相位测量单元9采用集成芯片AD8302，阻抗测量驱动信号DriveSig1与阻抗测量检测信号MeasureSig1送入幅度相位测量单元9中，幅度相位测量单元9提取出的阻抗测量驱动信号DriveSig1与阻抗测量检测信号MeasureSig1的幅度差并送入所述处理器1的第一AD采样口AD1，幅度相位测量单元9提取出阻抗测量驱动信号DriveSig1与阻抗测量检测信号MeasureSig1的相位差并送入所述处理器1的第二AD采样口AD2。

如图7所示，所述幅度测量单元10设置有第四运算放大器AMP4、AD620运放模块以及数控放大器PGA113，第四运算放大器AMP4带双运放功能，所述阻抗测量驱动信号DriveSig1同时送入第四运算放大器AMP4的第3管脚和第5管脚，第四运算放大器AMP4第1管脚输出的信号经过二极管D4以及电阻R22后送入AD620运放模块的正相输入端，第四运算放大器AMP4第7管脚输出的信号经过二极管D5以及电阻R23后送入AD620运放模块的反相输入端，二极管D4与二极管D5的连接方向相反实现阻抗测量驱动信号DriveSig1的整流，AD620运放模块的输出端与反相输入端之间连接有反馈电阻R25，AD620运放模块的第1管脚和第8管脚之间连接有增益调节电阻R26，AD620运放模块输出的信号送入所述数控放大器PGA113的第2管脚，处理器1对数控放大器PGA113进行控制，该数控放大器PGA113输出的信号经过电阻R35送入所述处理器1的第三AD采样口AD3。

图中第四运算放大器AMP4与二极管D4、D5的配合可以实现整流，两个输出端连接的电容C40、C44以及电阻R20、R21可以实现滤波，PGA113通过SPI接口，可以实现对不同放大倍数的设置，这样可以很方便地在保证精度的情况下对于不同幅度信号的测量。PGA113实现对幅度信号的测量和传输，通过对幅度的控制可以更好的实现对阻抗信号的测量，为后面信号测量提供良好的基础。输入节点DriveSig1与阻抗信号测量单元中的对应输出节点相连；输出节点AD3与STM32F103VE微处理器单元中的对应的模拟输入节点相连，实现幅度的测量；节点PGA113CS、PGA113DIO、PGA113SCLK分别与STM32F103VE微处理器单元中对应输入输出接点相连；电源节点DV3.3V、AV5.0V、AV12V、AV-12V、AGND分别与电源部分的数字3.3V电源、模拟5V电源、模拟12V电源、模拟-12V电源、模拟地对应的节点相连，最终实现幅值测量。

最后应说明的是：以上实施例仅以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域普通技术人员应当理解，其依然可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种高精度双通道生物阻抗测量仪，包括处理器（1）以及连接在处理器（1）上的液晶显示单元（2）、键盘输入单元（3）、USB通信单元（4），其特征在于：在所述处理器（1）上还设置有温度检测单元（5）以及两路用于实现生物阻抗测量的阻抗测量通道；

2.根据权利要求1所述的高精度双通道生物阻抗测量仪，其特征在于：所述扫描信号产生单元（6）包括集成信号发生芯片AD9833，该扫描信号产生单元（6）产生的原始扫描信号频率为0-10MHz。

3.根据权利要求1所述的高精度双通道生物阻抗测量仪，其特征在于：所述扫描信号调节单元（7）设置有一个带双运放功能的第一运算放大器（AMP1），所述扫描信号产生单元（6）产生的原始扫描信号经过电阻R2送入第一运算放大器（AMP1）的第2管脚，第一运算放大器（AMP1）的第1管脚和第6管脚之间连接电阻R4，在第一运算放大器（AMP1）的第6管脚和第7管脚之间连接有电位器，通过第7管脚输出调节后的扫描信号。

4.根据权利要求1所述的高精度双通道生物阻抗测量仪，其特征在于：所述温度检测单元（5）包括温度传感器芯片DS18B20，其测温范围为-55℃～+125℃。

5.根据权利要求1所述的高精度双通道生物阻抗测量仪，其特征在于：所述阻抗测量单元（8）设置有第二运算放大器（AMP2）、第三运算放大器（AMP3）以及模拟开关模块，所述第二运算放大器（AMP2）和第三运算放大器（AMP3）均带双运放功能，所述扫描信号调节单元（7）输出的信号送入第三运算放大器（AMP3）的第2管脚，通过第三运算放大器（AMP3）的第1管脚输出所述阻抗测量驱动信号（DriveSig1）到信号输出电极接口（Ch1_Out）中，所述信号输入电极接口（Ch1_In）与第三运算放大器（AMP3）的第6管脚连接，通过第三运算放大器（AMP3）的第7管脚产生所述阻抗测量检测信号（MeasureSig1）,所述模拟开关模块用于实现第三运算放大器（AMP3）第6管脚与第7管脚之间反馈电阻的调节，所述第二运算放大器（AMP2）为所述信号输出电极接口（Ch1_Out）和信号输入电极接口（Ch1_In）提供地线连接。

6.根据权利要求5所述的高精度双通道生物阻抗测量仪，其特征在于：所述模拟开关模块采用集成芯片ADG608，由处理器（1）提供控制信号。

7.根据权利要求1所述的高精度双通道生物阻抗测量仪，其特征在于：所述阻抗测量驱动信号（DriveSig1）与阻抗测量检测信号（MeasureSig1）送入所述幅度相位测量单元（9）中，幅度相位测量单元（9）提取出的阻抗测量驱动信号（DriveSig1）与阻抗测量检测信号（MeasureSig1）的幅度差并送入所述处理器（1）的第一AD采样口（AD1），幅度相位测量单元（9）提取出阻抗测量驱动信号（DriveSig1）与阻抗测量检测信号（MeasureSig1）的相位差并送入所述处理器（1）的第二AD采样口（AD2）。

8.根据权利要求7所述的高精度双通道生物阻抗测量仪，其特征在于：所述幅度相位测量单元（9）采用集成芯片AD8302。

9.根据权利要求1所述的高精度双通道生物阻抗测量仪，其特征在于：所述幅度测量单元（10）设置有第四运算放大器（AMP4）、AD620运放模块以及数控放大器PGA113，第四运算放大器（AMP4）带双运放功能，所述阻抗测量驱动信号（DriveSig1）同时送入第四运算放大器（AMP4）的第3管脚和第5管脚，第四运算放大器（AMP4）第1管脚输出的信号经过二极管D4以及电阻R22后送入AD620运放模块的正相输入端，第四运算放大器（AMP4）第7管脚输出的信号经过二极管D5以及电阻R23后送入AD620运放模块的反相输入端，二极管D4与二极管D5的连接方向相反实现阻抗测量驱动信号（DriveSig1）的整流，AD620运放模块的输出端与反相输入端之间连接有反馈电阻R25，AD620运放模块的第1管脚和第8管脚之间连接有增益调节电阻R26，AD620运放模块输出的信号送入所述数控放大器PGA113的第2管脚，处理器（1）对数控放大器PGA113进行控制，该数控放大器PGA113输出的信号经过电阻R35送入所述处理器（1）的第三AD采样口（AD3）。