CN210839531U - 一种提高测量微弱信号分辨率的电路系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高测量微弱信号分辨率的电路系统，将线性变化的锯齿波函数信号，与被测量微弱信号叠加成一个新的成形信号，然后将此成形信号送到模数转换器U1中，在模数转换器U1采样所述成形信号时，采用过采样处理，然后，将经过过采样处理后的信号数据送到主控制器MCU进行处理，将信号解调成原始的被测量微弱信号。本实用新型采用普通的模数转换器或微处理器自带模数转换器对微弱信号进行直接采样或在采样前端进行简单的放大滤波处理后再进行信号采样，而不需要在采样前端放置复杂的模拟放大滤波信号处理电路，就能实现对微弱信号的高精度测量，成本低。

Description

一种提高测量微弱信号分辨率的电路系统

技术领域

本实用新型涉及一种采样系统，具体是一种提高测量微弱信号分辨率的电路系统。

背景技术

随着科学技术的发展，人们对宏观和微观世界逐步深入了解，在测控技术方面，越来越多的领域存在微弱的信号需要被检测，例如温度、压力、湿度、生物医学上的人体生物电信号、天文学上的弱电磁、地震学上微震动等。在测量这些微弱信号时，通常需要在信号采集时，使用复杂的模拟电路进行信号滤波、放大处理后，提取其信号基波成分，然后使用ADC(模/数转换器)进行信号转换处理。在这些应用中许多测量检测系统不仅要求能精确的识别其微弱电信号变化的很宽的动态范围又要求测量出参数的微小变化，因此，就必须使用高分辨率的ADC。然而，高分辨率的ADC器件价格昂贵且市面较难购买到，若使用价格相对低廉的具有较低分辨率的ADC器件通过一些技术也达到较高的分辨率，则在工程应用中具有很高的实用价值。

现有的技术方案一：先将被测控的微弱信号进行多级放大滤波，再用中分辨率的模数转换器ADC进行采样(常用的是12bit ADC)，转化为数字信号后，再做数字信号处理。

缺点：需要设计复杂的信号滤波和放大电路，模拟电路参数易受环境温度影响和电磁干扰，调试繁琐，硬件成本高。

现有的技术方案二：采用高分辨率的ADC，对微弱信号直接采样，再进行相关的数字信号处理。

缺点：高分辨率的ADC价格昂贵，且对ADC性能要求很高，而目前大部分高分辨率的ADC都是采用以“速度换取精度”的方式，导致ADC的采样速度不高，尤其对于要求使用多通道ADC进行采样时，由于其采样时建立时间长，导致采样率受到一定程度限制，满足不了大多数的应用场合。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种提高测量微弱信号分辨率的电路系统，采用普通的模数转换器ADC或微处理器自带ADC对微弱信号进行直接采样或在采样前端进行简单的放大滤波处理后再进行信号采样，而不需要在采样前端放置复杂的模拟放大滤波信号处理电路，就能实现对微弱信号的高精度测量。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种提高测量微弱信号分辨率的电路系统，将线性变化的锯齿波函数信号，与被测量微弱信号叠加成一个新的成形信号，然后将此成形信号送到模数转换器U1中，在模数转换器U1采样所述成形信号时，采用过采样处理，然后，将经过过采样处理后的信号数据送到主控制器MCU进行处理，将信号解调成原始的被测量微弱信号。

作为本实用新型进一步的方案：所述电路系统包括模数转换器U1、主控制器MCU、运放U2和电阻R1，电阻R1一端为自由端，另一端分别连接电容C1和模数转换器U1的2脚，模数转换器U1的3脚分别连接电阻R2和电容C2，电容C2另一端分别连接电容C1另一端和模数转换器U1的4脚并接地，模数转换器U1的1脚通过电阻Rg连接到模数转换器U1的8脚，模数转换器U1的6脚连接电阻R6，电阻R6另一端分别连接接地电容C5和主控制器MCU的ADC引脚，模数转换器U1的5脚连接主控制器MCU的DAC2引脚，主控制器MCU的DAC1引脚连接运放U2的同相端，运放U2的反相端连接运放U2的输出端，所述模数转换器U1采用AD620。

作为本实用新型进一步的方案：所述主控制器MCU采用微处理器。

作为本实用新型进一步的方案：所述主控制器MCU的ADC采样频率fs＝1KHz，采用过采样采样方式，过采样率M＝256，过采样频率为fs*M＝1KHz*256＝256KHz。

作为本实用新型再进一步的方案：所述线性变化的锯齿波函数信号的频率f0＝fs/K，K＝1。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型采用普通的模数转换器ADC或微处理器自带ADC对微弱信号进行直接采样或在采样前端进行简单的放大滤波处理后再进行信号采样，而不需要在采样前端放置复杂的模拟放大滤波信号处理电路，就能实现对微弱信号的高精度测量，成本低。

附图说明

图1为提高测量微弱信号分辨率的电路系统的实施例电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种提高测量微弱信号分辨率的电路系统，将线性变化的锯齿波函数信号，与被测量微弱信号叠加成一个新的成形信号，然后将此成形信号送到模数转换器U1中，在模数转换器U1采样所述成形信号时，采用过采样处理，就可以在有限分辨率模数转换器U1的转换下，进一步提高模数转换器U1的采样分辨率，然后，将经过过采样处理后的信号数据送到主控制器MCU进行处理，将信号解调成原始的被测量微弱信号。

由此可见，本实用新型充分利用现有低分辨率的数模转换器的速度来提高检测或识别微弱信号的能力，且简化其原来复杂的模拟信号处理电路、不仅降低成本，而且实现起来方便并可达到与采用高成本的高分辨率的数模转换器直接采样所得到的数据，具有的一样精确度，同时，该技术方案不仅解决了在过采样过程中存在失效的问题，还降低了数模转换器的噪声。

为了便于充分理解该技术方案具体实施，将以人体生物心电信号采集为实施例来进一步对本实用新型方案进行阐述。

人体心电信号是属于典型的强噪声背景下的低频微弱生物电信号，是常见的微弱信号之一，其常规心电信号是mV量级信号，幅度一般在10μV～5mV，频率范围在0.05～150Hz，其中主要能量成分集中在频率范围0.05～100Hz。由于人体生物心电信号极其微弱，故极易受到干扰，所以往往要求心电信号采集电路具有高精度、高共模抑制比等多级运算放大和滤波等信号调理电路，来提取人体生物心电信号，然后经过ADC采样进行信号处理等。其整个信号采集电路非常复杂，实现操作起来非常不便。

基于此，本技术方案采用在对人体生物心电信号采集之前，将一个已知成形周期性的线性锯齿波信号与需要被采集的人体生物心电信号进行相互叠加成一个成形信号，由于该已知成形的线性锯齿波信号的幅值远大于被采集的人体生物心电信号的幅值，被测量的人体生物电信号就被叠加在该成形周期性的线性锯齿波信号上，使得其信号幅值增大，能够被ADC模块检出识别，然后采用过采样技术，使得有限的分别率的ADC，进一步提升其分别率能力，以实现对人体生物电信号精确的提取。

具体实现电路如图1所示：包括模数转换器U1、主控制器MCU、运放U2和电阻R1，电阻R1一端为自由端，另一端分别连接电容C1和模数转换器U1的2脚，模数转换器U1的3脚分别连接电阻R2和电容C2，电容C2另一端分别连接电容C1另一端和模数转换器U1的4脚并接地，模数转换器U1的1脚通过电阻Rg连接到模数转换器U1的8脚，模数转换器U1的6脚连接电阻R6，电阻R6另一端分别连接接地电容C5和主控制器MCU的ADC引脚，模数转换器U1的5脚连接主控制器MCU的DAC2引脚，主控制器MCU的DAC1引脚连接运放U2的同相端，运放U2的反相端连接运放U2的输出端，所述模数转换器U1采用AD620。

运放AD620正、负输入端分别接人体左手和右手电极，使用VCC＝5V供电。主控制器(MCU)使用两路DAC(数模转换器)，其DAC2输出2.5V的基准电压接在放大器AD620的给定参考引脚Ref上，定义零点输出电压，为系统提供精确的偏移电压。因为人体生物心电信号是属于低频的微弱双极性信号，该基准电压能给运算放大器AD620提供正常偏置电压，能使人体生物电信号被调整为单极性信号且处在AD620的输入范围内。主控制器(MCU)的DAC1引脚为成形周期性的线性锯齿波信号的输出，经过电压跟随器与电极相连接到人体右腿上，其幅值为1.25V；调整Rg的阻值就能调整AD620的增益，根据系统增益的需求设定合适的Rg的值，确保人体生物心电信号与成形信号叠加后的最大电压幅值不要超出AD620的输出电压范围。在该装置中为了确保采集人体生物心电信号的精确性，在电极接入放大器前端和信号输出后端各接了一个一阶抗高频的滤波电路，防止ADC采集的信号发生混叠现象，提高装置抑制噪声的能力。

设主控制器MCU的ADC采样频率为f_s＝1KHz，采用过采样的采样方式，设过采样率为M＝256，则过采样频率为f_s*M＝1KHz*256＝256KHz,为了消除成形信号对被测信号的影响，则必须保证M个采样点内，有整个周期的锯齿波成形信号，故周期性的锯齿波成形信号的频率f0＝fs/K，为了确保信号采样的精度，取系数K＝1。那么，周期性的锯齿波成形信号的频率f0＝fs＝1KHz。所以，主控制器MCU的DAC1引脚输出幅值为U_m＝1.25V，频率为1KHz的周期性的锯齿波成形信号，由于主控制器MCU给定这个周期性的锯齿波成形信号为已知信号，故其幅值S_average的均值(该锯齿波的有效值)是可以计算或测量出来，对于周期性的锯齿波电压其有效值为

可以计算得出；也可采用测量计算方法来得S_average值，这种方法能消除器件本身的测量误差，为本实用新型首选方案。

当电极没有接在人体上时，该周期性的锯齿波成形信号直接输入在AD620的输入端时，主控制器MCU的ADC以采样频率256KHz,记录下周期性的锯齿波成形信号的一个周期内的数据，记为S_B＝(S_B1，S_B2，S_B3，……S_BM……),然后从采样记录中抽取M＝256个采样数据进行其平均值

计算。

故

为已知量。

然后，系统在确定了给定周期性的锯齿波成形信号的S_average值后，在采集人体生物心电信号时，该周期性的锯齿波成形信号与被采集的人体生物心电叠加成一个成形信号R，主控制器MCU的ADC以采样频率256KHz对该成形信号R进行采样,记录在下一个周期性的锯齿波成形信号的周期内的成形信号R的采集数据记为S_AB＝(S_AB1，S_AB2，……,S_ABn)n为正整数；采样得到的数据S_AB进行M＝256个数据抽取进行平均值计算，其计算结果为

将计算得到的采样结果

S_average进行相减计算得到的结果记为

即为

就为被测量人体生物心电信号的ADC数值，然后将这ADC的数值进行电压转换计算得到电压值或送到上位机(PC)进行心电图绘制和数据分析等。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种提高测量微弱信号分辨率的电路系统，其特征在于，包括模数转换器U1、主控制器MCU、运放U2、电阻R1和电阻R2，所述模数转换器U1采用AD620；电阻R1一端为自由端，另一端分别连接电容C1的一端和模数转换器U1的2脚；电阻R2的一端为自由端，另一端分别连接电容C2的一端和模数转换器U1的3脚；电容C1另一端、电容C2另一端和模数转换器U1的4脚接地；模数转换器U1的1脚通过电阻Rg连接到模数转换器U1的8脚；模数转换器U1的6脚连接电阻R6的一端，电阻R6另一端分别连接接地电容C5的一端和主控制器MCU的ADC引脚，电容C5的另一端接地；主控制器MCU使用两路数模转换器，模数转换器U1的5脚连接主控制器MCU的DAC2引脚，主控制器MCU的DAC1引脚连接运放U2的同相端，运放U2的反相端连接运放U2的输出端。

2.根据权利要求1所述的提高测量微弱信号分辨率的电路系统，其特征在于，所述主控制器MCU采用微处理器。

3.根据权利要求2所述的提高测量微弱信号分辨率的电路系统，其特征在于，所述主控制器MCU的ADC采样频率fs＝1KHz，采用过采样采样方式，过采样率M＝256，过采样频率为fs*M＝1KHz*256＝256KHz。

4.根据权利要求3所述的提高测量微弱信号分辨率的电路系统，其特征在于，所述线性变化的锯齿波函数信号的频率f0＝fs/K，K＝1。

Images