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1、2 0 1 0 年第2 4 卷第2 期测试技术学报(总第8 0 期)J O U R N A LO F T E S TA N DM E A S U R E M E N TT E C H N O L O G YV 0 1 2 4N o 22 0 1 0(S u mN o 8 0)文章编号：1 6 7 1 7 4 4 9(2 0 1 0)0 2 一0 1 1 1 一0 6高性能生物电测量电路设计与参数自动测试李窦哲，乔晓艳，董有尔，马延坪(t h 西大学物理电子工程学院，山西太原0 3 0 0 0 6)摘要：设计了一种具有皮肤接触阻抗同步检测功能的生物电测量电路，采用同相并联方式输入，结合仪表放大器
2、以及共模驱动电路以获取高共模抑制比利用微电流交流恒流源，在测量生物电信号的同时可检测皮肤接触阻抗电路还具有5 0H z 陷波、低通、高通滤波等功能为了测试电路性能指标，设计了基于L a b v i e w 的放大器性能自动测试平台，可对放大器幅频特性、共模抑制比进行实时动态测试实际测量结果表明：生物电信号放大器性能优异，可获得1 2 0 d B 的共模抑制比，能够用于心电、脑电、肌电等生理电信号测量关键词：生物电I 放大器；L a b v i e w 参数测试中图分类号：T N 7 2 2 7+1文献标识码：Ad o i：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 1 7 4 4
3、9 2 0 1 0 0 2 0 0 4H i g hP e r f o r m a n c eC i r c u i tf o rB i o e l e c t r o n i c a lM e a s u r e m e n ta n dP a r a m e t e rA u t o-T e s t i n gL ID o u z h e，Q I A OX i a o y a n，D O N GY o u7e r，M AY a n p i n g(C o l l e g eo fP h y s i c sa n dE l e c t r o n i c s。S h a n x iU n i
4、 v e r s i t y，T a i y u a n0 3 0 0 0 6，C h i n a)A b s t r a c t：Ab i o e l e c t r o n i c a lm e a s u r e m e n tc i r c u i tw i t hs k i n c o n t a c ti m p e d a n c ed e t e c t i o ni sd e s i g n e di nt h i sp a p e r Ah o m o p h a s ep a r a l l e lc o n n e c t i o nc i r c u i ti su
5、s e df o rt h ei n p u t，a n da ni n s t r u m e n t a la m p l i f i e ra n dac o m m o n m o d ed r i v e rf o rh i g hC M R R T h ec i r c u i tc a nd e t e c ts k i n c o n t a c ti m p e d a n c ea tt h es a m et i m eo fb i o e l e c t r i c i t ym e a s u r i n gb yam i c r o c u r r e n tA C
6、c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e A5 0H zb a n d s t o pf i l t e r，l o w p a s sa n dh i g h p a s sf i l t e r sa r ei n c l u d e di nt h i sc i r c u i t I no r d e rt ot e s ti t sp e r f o r m a n c e s，a na u t o m a t i ct e s tp l a t f o r mb a s e do nN I sL a b v i e wi sd e v e l
7、o p e d I tc a na u t o m a t i c a l l ym e a s u r ea m p l i t u d e f r e q u e n c yr e s p o n s ea n dC M R Ro ft h ea m p l i f i e r A c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lt e s t，t h eC M R Ri sc l o s et o1 2 0d B T h e r e f o r e，i t sa b s o l u t e l ys u i t a b l ef o rb i o e l
8、e c t r i c i t ym e a s u r i n go c c a s i o n ss u c ha sE C G，E E G，E M Ga n ds oo i l K e yw o r d s：b i o e l e c t r i c i t y；a m p l i f i e r；l a b v i e w；p a r a m e t e r st e s t收稿日期：2 0 0 9 0 7 1 5基金项目：国家基础科学人才培养基金资助项目(J 0 7 3 0 3 1 7)山西省自然科学基金资助项目(2 0 0 7 0 1 1 0 4 1)I 山西省高校科技开发项目(2
9、 0 0 8 1 0 0 1)作者简介：李窦哲(1 9 8 3 一)，男，硕士生，主要从事进行及电信号处理和及机接口系统研究通信作者；乔晓艳(1 9 6 9 一)女，副教授，博士。主要从事生物医学信号检测与处理研究万方数据1 1 2测试技术学报2 0 1 0 年第2 期0引言由于生物电信号通常是极其微弱的电压或电流信号，例如心脏跳动时会在体表产生约0 5 2m V电压，大脑神经元活动会在头皮表面产生0 0 1 O 5m V 电压，生物体细胞膜离子通道开放和关闭会产生p A 级电流信号等这些信号容易淹没在外界干扰和电路本身的噪声中，需要采用高性能的仪器进行放大和测量生物电测量仪在医学和生命科学领
10、域有着广泛的应用，作为这类仪器的前端电路，高性能生物电信号前置放大器可提高测量精度，提供更丰富的生理信息用于测量电压的生物电放大器具有多种形式，其中较常用的是由三个运放构成的仪表放大器，由于其有较强的共模抑制能力，广泛应用于生物电信号测量中 1 也 近年来，随着集成电路、电子电路设计技术理论和工艺的不断提高，高共模抑制比、宽频带、低噪声、低直流偏置等精密运放大量出现，电路性能也在不断提升由于三运放构成的仪表放大器中，同相并联部分共模抑制比从理论上讲可以达到无穷大，通常情况下生物电测量系统中采用这种电路为了抑制由于测量电极在皮肤上所产生的极化电压，即基线漂移现象，电路的形式有所不同口q 同时，为
11、了追求更高的性能指标，对放大器幅度、相位误差等方面的改进也在不断进行中 5 本文设计的高性能生物电测量电路具有如下特点：文献 4 3 所述电路虽具有较强的共模抑制能力，但容易混人5 0H z 工频干扰，即使通过软件方法滤除工频干扰，在干扰较强时仍可引起输出放大器饱和因此，电路中增加了有效抑制工频干扰的5 0H z 陷波器，克服了较强工频干扰的影响增加了对人体的共模驱动电路，消除共模干扰，提高共模抑制比增加了皮肤接触阻抗测量电路，可以在测量生物电信号的同时检测各导联电极连接状况为了实施动态测试电路性能参数，设计了基于L a b v i e w 的虚拟仪器测试平台，对电路的幅频特性和共模抑制比进行
12、自动测试1 测量电路设计1 1 整体电路结构电路原理框图如图1 所示，生物电信号通过测量电极输入前置放大器由于2k H z 的交流恒流源信号注入生物体，电极的接触阻抗在测量电极上产生电压信号，这个电压信号将随生物电信号经前置放大器被同时放大在前置放大器压赢司输出信号中，电极接触阻抗信号的频率较高，而生物电信号频率较低，通过两组带通滤波器，将生物电信号提取出来同时，前置放大器输出共模驱动信号，反馈至生物体以抵消共模干扰第一级放大之后的。W 前置生物体川茹巍生物电夏羹H 构腮盛器H 陷渡器H 主癸P放大r 1 构成带通滤波器r I 阳设葡广 放大广一赢L f 构燃器L 接触阻抗输出圈1生物电测量电
13、路框图F 培1S y s t e md i a g 阳mo fb i e l e c t r i c i 竹m 目w 画n g生物电信号经过陷波器对工频干扰进行抑制，然后二级放大并输出这种电路形式几乎包括了单个导联通道需要的所有电路，以模块化形式做成单导联电路单元，经统一的接口连接至主板，可以进行多个导联同时测量1 2 生物电前置放大器设计图2 所示为生物电前置放大器电路原理图，采用双电源供电，整个放大器分为同相并联输入、共模驱动、差分放大和共模反向输出4 个部分D。一D。组成二极管保护电路，由U。A 和U。n 及组成同相并联输入电路放大器采用T I 公司的低漂移高精度集成运放O P A 4
14、2 7 7，C，D 两点的电压y c D 为y 一y 肚(1+学)，(1)万方数据(总第8 0 期)高性能生物电测量电路设计与参数自动测试(李窦哲等)1 1 3式中：y 占为A，B 两点之间的电压同相并联电路放大差模信号而对共模没有放大作用，理论上共模抑制比可以达到无穷大，但由于电极和皮肤接触产生极化电压，会因差模放大倍数过大而导致放大器饱和，故差模放大倍数受到限制，此电路中差模放大倍数为2 1 倍由C。，R。和C：，R，构成的两个高通滤波器滤除极化电压，但滤波器使得信号有相位的变化，导致上下两路信号出现共模变差模现象，这一现象可通过电阻R。，R。及运放U-c 构成的共模取样电路来克服，即R。
15、，R。为精密电阻，由它们中点取出的共模电压通过U。c 重新加至U z 两端，补偿了因阻容元件不匹配导致的信号相位变化U。对取出的共模信号进行反向放大后，加至人体作为共模驱动，以提供地电平和抵消共模干扰U。采用仪用放大器芯片A D 6 2 0，它是一个差动放大器，可提供高共模抑制比并将差分信号转换成单端信号，电阻可调节A D 6 2 0的放大倍数圈2 生物电前置放大器F i g 2B i o e l e c t r i c i t yp r e a m p l i f e r根据电路理论，共模抑制比C M R R。可表示为。=C 砑M 丽R R u i l AX 珂C M R R u I：B C
16、 M R RC M R R u,，(2)-2 丽獗瓦=一，(2)式中：C M R R。是同相并联电路的共模抑制比；C M R R u，和C M R R u，。分别是运放U 1 A 和U I B 的共模抑制比可见，同相并联运放的共模抑制能力取决于运算放大器U。A 和U。n 本身共模抑制比的差异整个前置放大电路的共模抑制比近似为 6 1C M R R A D l C M R R 2，(3)式中：A D。是同相并联电路的差模增益；C M R R。是仪用放大器A D 6 2 0 的共模抑制比前置放大电路总共模抑制比主要取决于同相并联电路的差模增益和仪表放大器的共模抑制能力，据此可计算此电路的共模抑制比
17、约为1 3 0d B 1 3 交流恒流源电路在生物电信号测量过程中，通过皮肤接触阻抗可以判断电极与皮肤接触是否良好皮肤接触阻抗同步检测是将微电流交流恒流源注人生物体作为激励电流，通过测量放大器产生的电压，从而检测阻抗恒流源频率取2k H z，考虑到在人体皮肤上涂抹生理盐水后皮肤接触电阻将下降至1 0k Q 以下，故恒流源输出电流取1 弘A，这个电流对人体是安全的嘲当电极脱落或接触不良时，输出电压值将升高，涂抹导电膏或生理盐水后，接触阻抗降低，放大器输出电压值降低因此，设定某一阈值，通过比较输出万方数据1 1 4测试技术学报2 0 1 0 年第2 期电压与阈值的大小，可在生物电测量过程中实时检测
18、电极接触阻抗，判断电极连接状况交流恒流源由运算放大器构成是一种电压电流转换电路，电路输入为2k H z 振荡的恒压源，经过电压电流转换电路，变为同频率的恒流源，电路如图3 所示电路推导及计算过程参见文献 9 ，该恒流源输出电流和输出阻抗分别为，。和R oI。一面7i n，(4)R o 一鬲蔚R I 干R s 酉(R 蕊3+_ R 丽4)(5)为使恒流源输出阻抗无穷大，电阻的取值应符合式(6)，即R 2R 4+尺s，瓦2 F，由于受到电源电压和运放峰值电流T，的限制，负载电阻不能过大R L 一O p k尺。其中，y o M 为运算放大器芯片可输出的最大电压；i o p t 为输出电流的峰值两个稳
19、压二极管是为了防止由于负圈3 交流恒流源电路F i g 3C i r c u i to fA Cc o n s t a n tc u r r e n t s o u r c e载电阻过大，导致输出电压过大并联电阻R。可以有效避免信号出现交越失真电阻尺。是恒流源的负载电阻，在实际的使用中此电阻即人体接触阻抗恒流源将在此电阻上产生电压，并可依此电压判断接触阻抗的大小1 4 滤波和陷波电路设计圈4 由运放构成的5 0H z 陷波器F i g 45 0H zb a n d s t o pf i l t e rc i r c u i t s为了有效抑制各种干扰，获得有用的测量信号，电路中设计了两组带通滤
20、波器，该带通滤波器由低通和高通滤波器构成，用于获取生物电信号的带通滤波器截止频率分别为0 1H z 和1 0 0H z，用于接触阻抗检测的带通滤波器截止频率分别为1 5k H z 和2 5k H z，设计中采用具有二次S a l l e n K e y 电路形式的滤波器 9 陷波器使用了具有双运放型的电路，这种电路与双T 型陷波器比较，可获得较高的Q 值，更好地抑制5 0H z 工频干扰u0。其Q 值可单独通过R，和R。两个电阻进行调整，不会导致陷波器中心频率的改变，如图4 所示Q 值的设定可由式R。-R 2=2 X Q R。决定，根据电路参数，Q 值设定为1 0，这样既抑制了5 0H z 的
21、工频干扰，同时对有用信号的衰减也不大，符合生物电测量需要2 基于L a b v i e w 的电路参数自动测试2 1 虚拟仪器测试平台设计本文采用基于L a b v i e w 的虚拟仪器测试平台，进行电路性能参数测试，具有以下优越性：由于生物电信号的频率范围一般在0 0 5 1 0 0H z 之间，在低频频段内，频谱分析仪很难得到较高的测量精度；一般的频谱仪不具备同时产生共模和差模信号的功能；采用单片机或嵌入式处理器开发测试系统周期长且功能相对固定，不易更改，而L a b v i e w 以软件的方式代替硬件，方便修改、维护和添加新功能，万方数据(总第8 0 期)高性能生物电测量电路设计与参
22、数自动测试(李窦哲等)1 1 5图1 所示生物电测量电路信号前置输出放大器笪呈堡塑鳖皇璺=br J 共模信号差模信号蒯，信号测量电路响应信号基于L a b v i e w 的参数自动测试软件及硬件电路圈5 电路参数自动测试框图F i g 5D i a g r a mo fp a r a m e t e r sa u t o t e s t i n g具有极强的灵活性；L a v i e w 软件系统可提供强大的信号调理、测量和分析功能，例如峰峰值、均方值检测、数字滤波处理以及信号时频分析等基于L a b v i e w 的参数自动测试框图如图5 所示程序由测试信号产生、控制信号产生、信号参数测
23、量3 个模块组成测试信号发生模块产生一定频率的正弦波作为放大电路的激励信号，此正弦波或是幅值较大的共模信号或是幅值较小的差模信号；控制信号发生模块利用L a b v i e w 的时间循环结构，向继电器发出切换指令，分时向生物电放大器输入共模激励信号和差模激励信号；信号参数测量模块用于采集激励信号和响应信号，并对这两种信号进行参数测量，计算放大倍数及共模抑制比，同时绘制在对数坐标系上激励信号的频率在测试频段内随时间不断递增，同时不断描点绘制，最终可得放大器的参数特性曲线为了提高测量精度和速度，在lH z 内，以0 1H z 的频率间隔步进，在1 -1 0 0H z 内，以1H z 步进，在1
24、0 0H z 以上，以2 0H z 步进软件参数可以在测量开始前设置2 2 模拟实验测试依据以上方案，实际制作了测量电路及其相应的L a b v i e w 测试程序，通过基于L a b v i e w 的虚拟仪器测试平台，测得到了生物电放大器的幅频特性曲线和共模抑制比曲线，如图6 和图7 所示兽、筮暴暴辎幸K圈6 共模抑制比曲线圈7 帽叛特性曲线F i g 6C u r v eo fC M R RF i g 7C u r v eo fa m p l i t u d e f r e q u e n c y由图6 可见，放大器的共模抑制比约为1 2 0d B，比计算所得1 3 0d B 略低，这
25、是由于放大器U，A 和U，n 不匹配，以及电路元件参数不匹配造成的，但1 2 0d B 的共模抑制比完全可以满足大多数生物电信号采集的要求同时，测量曲线不是特别平滑，这是切换共模和差模信号时，由于时间常数电路未完全放电导致的，可通过增加测量时间改善实验中发现：测试速度越慢，获得的参数曲线越平稳为了尽可能提高测量速度，在测量电路中设置了放电装置，每一次测量完成后立即利用继电器对地短接进行放电，继而提高了测量速度2 3 生物电信号测量使用此电路测量心电标准肢体导联I 的波形，受试者为一身体健康的男性，年龄2 7 岁测试时，在电极与皮肤接触部位涂抹生理盐水，使用标准心电电极，放大器的共模输出端接至受
26、试者右脚踝内测，差分输入端接至受试者左右腕部内侧，并通过示波器观察阻抗检测输出端的电压值，约为5V，表明此时圈8 实际测量的心电信号F i g 8E C Gs i g n a lm e a s u r e db yt h ec i r c u i t s蚰龉竹加：2弱朽H p、避馨万方数据1 1 6测试技术学报2 0 1 0 年第2 期皮肤接触阻抗为1 1k Q，电极处于良好连接状态测量结果如图8 所示由图8 可见：心电信号P Q，Q R S，S T 波段均清晰可见，几乎看不到5 0H z 的工频干扰，波形稳定，证明此生物电测量电路具有优越的电路性能虽然本文实验是对心电信号进行测量，但由于该测
27、量电路设计具有高输入阻抗、高共模抑制比、高增益和强抗噪能力等特性，同样可以应用于脑电、肌电等其它生物电信号的检测中此外，这种电路结构包括了单个导联通道所需的所有电路，并且接口统一，可方便构成多导联生物电测量系统3结论本文设计的单导联生物电测量电路采用高精密运算放大器，具有约1 2 0d B 的高共模抑制比，同时具有皮肤接触阻抗同步检测功能，可在测量生物电信号的同时检测皮肤接触阻抗电路还具有5 0H z 工频陷波器和低通、高通滤波器，可对测量信号进行前期预处理采用基于L a b v i e w 平台的测量软件，对放大器的共模抑制比和幅频特性进行实时动态测试，具有较强的灵活性，是实现生物电测量的一
28、种较好的解决方案参考文献：1 S t o t tFD，W e l l e rC B i o m e d i c a la m p l i f i e r su s i n gi n t e g r a t e dc i r c u i t s J M e d i c a la n dB i o l o g i c a lE n g i n e e r i n ga n dC o m p u t i n g 1 9 7 6 1 4(6)：6 8 4 6 8 7 2 3 4 5 6 7 8 3 9 1 0 3魏彬，贾存良脑电信号预处理电路的设计口 中国组织工程研究与l 临床康复，2 0 0 7，1
29、 1(2 2)：4 3 6 2 4 3 6 4 W e iB i n，J i aC u n|i a n g D e s i g no fe l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a lp r e p r o c e s s i n g J J o u r n a lo fC l i n i c a lR e h a b i l i t a t i v eT i s s u eE n g i n e e r i n gR e s e a r c h，2 0 0 7，I1(2 2)：4 3 6 2 4 3 6 4(i nC h i n e s e
30、)王越，李刚，王立丽，等几种新型的高性能生物电放大器 J 电子设计应用。2 0 0 5(6)：1 2 6 1 2 8 W a n gY u e，L iG a n g，W a n gL i l i。e ta 1 S e v e r a ln e wt y p eh i g hp e r f o r m a n c eb i o e l e c t r i c a lp r e a m p l i f i e r J E l e c t r o n i cD e s i g n A p p l i c a t i o nW o r l d，2 0 0 5(6)：1 2 6-1 2 8(i nC h
31、 i n e s e)姜苇，李刚，虞启琏，等新型高共模抑制比生理电信号前置放大器设计的研究 J 仪器仪表学报，2 0 0 3，2 4(2 1)：1 8 4 1 8 6 J i a n gW e i，L iG a n g，Y uQ i l i a n，e ta 1 R e s e a r c ho nn o v e lh i g hC M R Rb i o p o t e n t i a la m p l i f i e r J C h i n e s eJ o u r n a lo fS e i e n t i f i cI n s t r u m e n t2 0 0 3，2 4(2 1)：
32、1 8 4 1 8 6(i nC h i n e s e)M a s h h o u rB a n iA m e N o v e ld e s i g no fab i o e l e e t r i ca m p l i f i e rw i t hm i n i m i z e dm a g n i t u d ea n dp h a s ee r r o r s J 3 J o u r n a lo fE l e c t r o n i c s，2 0 0 1。1 8(3)：2 4 7 2 4 9 杨玉星生物医学传感器与检测技术 M J 北京：化学工业出版社，2 0 0 5 曾利浪，张伟
33、成脑电图机电极与头皮接触阻抗的检测 J 3 上海生物医学工程，2 0 0 3，2 4(3)：5 7 5 9 Z e n gL i l a n g。Z h a n gW e i c h e n g T h em e a s u r eo fe l e c t r o d e s c a l pi m p e d a n c ei nE E G J S h a n g h a iJ o u r n a lo fB i o m e d i c a lE n g i n e e r i n g，2 0 0 3，2 4(3)：5 7-5 9(i nC h i n e s e)P e d r a mM o
34、 h s e n Af u l l yi n t e g r a t e dn e u r a lr e c o r d i n ga m p l i f i e rw i t hD Ci n p u ts t a b i l i z a t i o n J I E E ET r a n s a t i o n so nB i o m e d i c a lE n g i n e e r i n g，2 0 0 4，5 1(5)：3 7 4 0 日 马场清太郎运算放大器应用电路设计 M 何希才译北京：科学出版社，2 0 0 7 S t e v eW i n d e r A n a l o ga n dD i g i t a lF i l t e rD e s i g n(s e c o n dE d i t i o n)M U S A,E l s e v i e rS c i e n c eE x p r e s s，2 0 0 2 万方数据