本發(fā)明電子領(lǐng)域，特別涉及一種用于生理電信號(hào)采集前端處理電路。

背景技術(shù)：

在采集常見(jiàn)的生理電信號(hào)如心電(ECG)、肌電(EMG)、腦電(EEG)等時(shí)，由于人體生理特征包括呼吸、運(yùn)動(dòng)等的影響，采集得的生理電信號(hào)會(huì)產(chǎn)生較大的基線飄移，影響電路后端對(duì)信號(hào)的處理和分析。為避免基線飄移，并增加采集電路前端的輸入阻抗，常用在差分電路正負(fù)端分別添加偏置電壓的方法。

由于偏置電壓的分壓電阻在工程化時(shí)很難保證阻值的一致性，導(dǎo)致差分電路正負(fù)兩端的偏置電壓出現(xiàn)差異，由此引入了共模噪聲，大大降低了電路本身的共模抑制比(CMRR)。由于不同的生理電信號(hào)處于不同的頻段，如單單EEG就有4個(gè)不同的頻段，α(8-13Hz)、β(14-30Hz)、δ(1-3Hz)、θ(4-7Hz)，而ECG又處于(0-40Hz)頻段。針對(duì)不同的生理電信號(hào)，采集電路前端的頻率響應(yīng)若不能處于合適的范圍，會(huì)給后端處理電路帶來(lái)極大的壓力，造成信號(hào)或失真、或噪聲較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問(wèn)題而提出的一種用于生理電信號(hào)采集前端處理電路的方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案：一種用于生理電信號(hào)采集前端處理電路，包括：左、右采集單元、模擬電源AVDD和集成ADC；所述左、右采集單元采集電信號(hào)分別通過(guò)兩個(gè)相同容值的電容C1、C2接入，所述模擬電源AVDD被兩個(gè)電阻R3和R4分壓后得到偏置電壓V_z，V_z通過(guò)兩個(gè)相同的阻抗器件Z1和Z2分別接到電容C1、C2的后部，經(jīng)上述電路處理的電信號(hào)經(jīng)過(guò)集成ADC放大后輸出。

所述阻抗器件Z1和Z2既可以為阻性，也可以為容性器件。

所述集成ADC連接右腿驅(qū)動(dòng)放大器，并分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)反饋?zhàn)杩蛊骷3和Z4接到電容C1、C2的前端。

所述反饋?zhàn)杩蛊骷3和Z4既可以為阻性，也可以為容性器件。

左右采集單元分別通過(guò)一個(gè)相同容值的電容接入，偏置電壓由兩個(gè)電阻將模擬電源分壓而得，并通過(guò)兩個(gè)相同阻抗的器件分別接在左右采集單元電容的后端。左右采集單元信號(hào)再接入集成ADC經(jīng)過(guò)放大，即可采集得可處理的生理電信號(hào)。

上述方案進(jìn)一步的改進(jìn)在于：阻抗器件不限于阻性或容性的器件。在用于干性電極或濕電極進(jìn)行接觸采集時(shí)，阻抗器件可選為阻性器件；在用于通過(guò)隔著衣物進(jìn)行非接觸生理信號(hào)采集時(shí)，阻抗器件可選為容性。

上述方案進(jìn)一步的改進(jìn)在于：在阻抗器件選為阻性器件時(shí)，通過(guò)調(diào)整前端電容和阻抗器件阻值的大小，可以改善前端采集電路的頻率響應(yīng)，適用于不同頻段生理電信號(hào)的采集。

進(jìn)一步的，通過(guò)集成ADC的右腿驅(qū)動(dòng)，分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)反饋?zhàn)杩蛊骷尤胱笥也杉瘑卧娙萸岸耍靡砸种迫梭w的工頻噪聲。

上述方案進(jìn)一步的改進(jìn)在于：反饋?zhàn)杩蛊骷幌抻谧栊曰蛉菪云骷?。在用于干性電極或濕電極進(jìn)行接觸采集時(shí)，阻抗器件可選為阻性器件；在用于通過(guò)隔著衣物進(jìn)行非接觸生理信號(hào)采集時(shí)，阻抗器件可選為容性。

上述方案進(jìn)一步的改進(jìn)在于：在反饋?zhàn)杩蛊骷x為阻性器件時(shí)，反饋?zhàn)杩蛊骷柚挡幌抻?M、10M或20M，根據(jù)前端電容的容值大小靈活選擇，控制前端采集電路的頻率響應(yīng)。

本發(fā)明方案可大大提高電路的匹配性，增加采集前端的共模抑制比，有效抑制人體的工頻噪聲。同時(shí)，可靈活控制采集前端的頻率響應(yīng)，使本發(fā)明方案可廣泛應(yīng)用于各類微弱信號(hào)的采集領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1是常規(guī)的用于差分電路中正負(fù)輸入端偏置電壓的電路方案結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例用于生理電信號(hào)采集前端處理電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1是常規(guī)的用于差分電路中正負(fù)輸入端偏置電壓的電路方案結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中的電路方案，由于工程化中阻值的差異性，在較理想的情況下仍有δ％的差異，在此情況下，用于分壓的電阻R最高可達(dá)2δ％差異。偏置電壓分別為：

ΔV_{z_dc}＝V_{z1_dc}-V_{z2_dc}＝δ×AVDD (3)

圖1中的電路方案，在阻值為δ％的差異和容值δC％為情況下，設(shè)S＝j(luò)ω，輸入為交流信號(hào)時(shí)偏置電壓分別為：

圖2是實(shí)施例用于生理電信號(hào)采集前端處理電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

左右采集單元通過(guò)干性電極接觸人體皮膚，左右采集單元電信號(hào)標(biāo)記為V_i1和V_i2，V_i1和V_i2分別通過(guò)兩個(gè)相同容值的電容C1、C2。偏置電壓V_z由R3和R4將模擬電源AVDD分壓而得，大小為R4/(R3+R4)×AVDD。V_z通過(guò)兩個(gè)相同的阻抗器件Z1和Z2分別接到電容C1、C2的后部。經(jīng)此電路處理的電信號(hào)V_o1和V_o2經(jīng)過(guò)增益為G的集成ADC放大后輸出電信號(hào)V_out。集成ADC的右腿驅(qū)動(dòng)放大器通過(guò)兩個(gè)反饋?zhàn)杩蛊骷3和Z4接到電容C1、C2的前端。

當(dāng)Z1和Z2選擇為阻性器件時(shí)，電阻分別為R1和R2，若在左右采集兩端通過(guò)獨(dú)立的分壓電阻分別接在C1、C2后，采用本實(shí)施方案的由此可知，偏置電壓電壓偏差ΔV_{z_dc}'＝0。

生理電信號(hào)采集前端處理電路在輸入為交流信號(hào)時(shí)偏置電壓如下：

圖2生理電信號(hào)采集前端處理電路與圖1方案的對(duì)比，可清晰發(fā)現(xiàn)，輸入為直流信號(hào)時(shí)偏置電壓差距為δ×AVDD。常規(guī)的AVDD為3.3V，δ理想情況下為1％。即圖1方案的偏置電壓壓差可達(dá)33mV，這在幅度較小的生理電信號(hào)采集時(shí)中會(huì)造成極大的噪聲影響。

通過(guò)對(duì)比公式(6)和公式(9)，設(shè)δ＝1％，δ_C＝5％?？赏茖?dǎo)出，圖1的電路方案，在輸入為交流信號(hào)時(shí)偏置電壓偏差約為AVDD*24％，圖2生理電信號(hào)采集前端處理電路方案在輸入為交流信號(hào)時(shí)偏置電壓偏差約為AVDD*8％。通過(guò)具體數(shù)據(jù)對(duì)比，本發(fā)明擁有更高的共模抑制比，能對(duì)噪聲進(jìn)行有效抑制。

在左右采集單元電路中，C1和R1、R4，C2和R2、R4分別構(gòu)成了兩組無(wú)源高通濾波電路，用于控制采集電路的頻率響應(yīng)。電路的微分方程為：

對(duì)(9)(10)分別取拉普拉斯變換，可得傳遞函數(shù)：

可得左右采集單元電路的截止頻率，分別為(R1+R3//R4)C1S和(R2+R3//R4)C2S，通過(guò)對(duì)阻容的靈活取值，可方便的變換采集電路的頻率響應(yīng)，適用于不同頻段的生理電信號(hào)采集。

集成ADC的右腿驅(qū)動(dòng)，為通用的共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋的電路方案。即從前置放大電路兩個(gè)相等的偏置電阻中間取出人體的共模電壓，依次經(jīng)電壓跟隨器隔離和反向放大后與右腿相連。集成ADC的右腿驅(qū)動(dòng)通過(guò)反饋?zhàn)栊缘淖杩蛊骷3、Z4，加在電容C1和C2的前端，能有效抑制人體的工頻噪聲。既去除了右腿驅(qū)動(dòng)電極，增加了采集的舒適性，又提高了信號(hào)的質(zhì)量，使生理電信號(hào)更加穩(wěn)定。

優(yōu)選的，在本實(shí)施例中，可將Z1、Z2、Z3、Z4更換為容性器件，可在采集時(shí)隔著衣物進(jìn)行非接觸測(cè)量，大大提高了生理電信號(hào)測(cè)量的舒適度，避免了在采用干性或濕性接觸時(shí)對(duì)一些敏感人群造成過(guò)敏的現(xiàn)象。

可得左右采集單元電路的截止頻率，分別為(R1+R4)C1S和(R2+R4)C2S，通過(guò)對(duì)阻容的靈活取值，可方便的變換采集電路的頻率響應(yīng)，適用于不同頻段的生理電信號(hào)采集。

在本實(shí)施例中，可將Z1、Z2、Z3、Z4更換為容性器件，可在采集時(shí)隔著衣物進(jìn)行非接觸測(cè)量，大大提高了生理電信號(hào)測(cè)量的舒適度，避免了在采用干性或濕性接觸時(shí)對(duì)一些敏感人群造成過(guò)敏的現(xiàn)象。

本發(fā)明不限于上述各實(shí)施例，凡采用等同變換的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。