应用于生理信号采集的直流抑制装置的制作方法

本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种应用于生理信号采集的直流抑制装置。

背景技术

在电生理信号采集中，通常会受到周围各种噪声的干扰，特别是共模信号的干扰，因此共模抑制比是差动前置放大器的重要技术指标。在同等的工艺条件下，进一步提高共模抑制比的方法是提高前置放大器差模电压的放大倍数，但电生理信号中的直流偏移电压的存在限制了前置放大器的差模电压放大倍数，因此在没有消除直流偏压的情况下想进一步提高前置放大器的共模抑制比是非常困难的。

enriquem等在《accoupledthreeop-ampbio-potentialamplifierwithactivedcsuppression》(ieeetransactionsonbiomedicalengineering,vol.47,no.12,december2000)中提出了交流耦合三运算放大器去除直流的方法。

但该方法存在很大的缺陷：第一个问题是积分电路的使用是不恰当的，该文章中采用的积分电路中的电容ci没有电阻与其构成回路，很容易使放大器产生饱和，此时输出最大直流信号，不仅没有去除直流偏压，反而会产生新的直流电压偏移量，严重时可能引起整个运算放大电路的饱和；第二个问题是积分电路的截止频率由于硬件限制不能做的很低，因此它提取的信号包括了直流信号和一定成份的交流信号，当这些信号被叠加到三运算放大电路的输入端时，会将这些低频的交流信号叠加在有用的源信号中，由于这些低频信号被包含在有用信号频带的范围内很难被滤除，所以引入了新的干扰源，严重影响了信号的准确性；第三个问题是该文章中所选用的光耦芯片属于非线性的器件，在没有对隔离器件产生的电流和偏移电压产生的电流进行对应修正的情况下，光电器件所产生的电流可能与偏移电压在输入端产生的电流不一致，从而无法对直流偏移电压进行消除甚至有可能引入新的电压偏移量。

专利cn1414701a提供了提高前置放大器共模抑制比的方法，它采用并联型双运放，放大器的输出端分别与两组阻容耦合电路连接的方法来提高前置放大器的共模抑制比。这种方法因为引入了电容，由于电容的匹配程度很低，容易将共模信号转换成差模干扰信号，从而引入了新的干扰，而且通过电容滤除直流电压时需要的电容容值很大，实现起来比较困难。

在消除直流偏压的问题上，专利cn102185812a通过分析其它专利在消除直流偏移电压时存在的问题并提出了自己的解决办法，通过提取直流信号然后与原始信号相减的方法来消除偏移电压。这种方法虽然方法比较简单，但是在三运算差动前置放大电路中因为电路是差分输入，如果采用此方案将会破坏电路的对称性，无法提高共模抑制比。

技术实现要素：

本发明的发明目的是：为了解决直流偏置电压超出模数转换器的有效转换范围时输出数据无效的技术问题，本发明提出了一种应用于生理信号采集的直流抑制装置。

本发明的技术方案是：一种应用于生理信号采集的直流抑制装置，包括信号采集电极、仪用运算放大器、信号处理电路、信号传输电路和直流校正电路；所述信号采集电极、仪用运算放大器、信号处理电路、信号传输电路依次连接；所述直流校正电路采集仪用运算放大器的输出信号，对所述输出信号中的直流成份进行直流偏移电压校正后反馈至仪用运算放大器。

进一步地，所述直流校正电路包括运算放大器、mcu单元和双极性电压比较器，所述运算放大器采集仪用运算放大器的输出信号并传输至mcu单元，所述mcu单元对所述输出信号进行低通滤波提取直流成份并根据直流成份的电压范围输出预设电压至双极性电压比较器，所述双极性电压比较器将mcu单元的输出电压与比较电压进行比较后输出直流偏移校正电压至仪用运算放大器的基准电压端。

进一步地，所述mcu单元中设定电压阈值，当直流成份大于电压阈值时利用数模转换器端口输出预设第一电压，当直流成份小于负的电压阈值时利用数模转换器端口输出预设第二电压，当直流成份处于电压阈值和负的电压阈值之间时利用数模转换器端口输出与电压阈值相同的预设第三电压。

进一步地，所述双极性电压比较器比较mcu单元的输出电压与比较电压，当mcu单元的输出电压大于比较电压时输出与比较电压相等的直流偏移校正电压至仪用运算放大器的基准电压端，当mcu单元的输出电压小于比较电压时输出与负的比较电压相等的直流偏移校正电压至仪用运算放大器的基准电压端，当mcu单元的输出电压等于比较电压时输出值为0v的直流偏移校正电压至仪用运算放大器的基准电压端。

本发明的有益效果是：本发明利用运算放大器、mcu单元和双极性电压比较器组成直流校正电路，通过直流校正电路采集仪用运算放大器的输出信号并输出直流偏移校正电压至仪用运算放大器的基准电压端，从而将直流偏移电压下拉至有效范围之内，实现直流偏移的动态消除。

附图说明

图1是本发明的应用于生理信号采集的直流抑制装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中直流校正电路的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明的应用于生理信号采集的直流抑制装置的结构示意图。一种应用于生理信号采集的直流抑制装置，包括信号采集电极、仪用运算放大器、信号处理电路、信号传输电路和直流校正电路；所述信号采集电极、仪用运算放大器、信号处理电路、信号传输电路依次连接；所述直流校正电路采集仪用运算放大器的输出信号，对所述输出信号中的直流成份进行直流偏移电压校正后反馈至仪用运算放大器。

在本发明的一个可选实施例中，上述信号采集电极用于获取人体表面的生理电信号，比如头皮表面脑电，皮肤表面肌电等。

在本发明的一个可选实施例中，上述仪用运算放大器用于抑制信号采集电极引入的共模噪声并放大有用信号。

在本发明的一个可选实施例中，上述信号处理电路用于抗混叠滤波、滤除高频干扰、同时将模拟信号转换为数字信号。

在本发明的一个可选实施例中，上述信号传输电路用于将信号通过蓝牙、usb等方式传输到pc端。

上述信号采集电极、仪用运算放大器、信号处理电路、信号传输电路均为本领域常规电学器件，本领域技术人员根据上述内容的教导，可以不需要付出创造性劳动的实现该方案，因此本发明不做赘述。

在本发明的一个可选实施例中，由于当前高精度模数转换器ad的有效转换范围在正负2.5v，当直流偏置电压超出模数转换器的有效转换范围时，输出结果将全部为0或者1，数据没有意义，因此本发明利用直流校正电路将仪用运算放大器输入端的直流偏移电压抑制在正负2.5v以内，从而防止电路饱和。

如图2所示，为本发明实施例中直流校正电路的结构示意图。本发明的直流校正电路包括运算放大器u2、mcu单元和双极性电压比较器u3；运算放大器的同相输入端与仪用运算放大器u1的输出端uout连接，反相输入端与其输出端连接，输出端还与mcu单元连接；mcu单元的输出端与双极性电压比较器u3的正输入端连接；双极性电压比较器u3的负输入端接入2.5v比较电压，正输出端与仪用运算放大器u1的基准电压端ref连接。

本发明的运算放大器u2用于采集仪用运算放大器u1的输出信号uout并传输至mcu单元，该功能的实现可以采用基本运算放大器，如ad8639，所组成的射随器，通过利用基本运算放大器高输入阻抗的特性，避免对主信号电路产生干扰。

本发明的mcu单元用于对所述输出信号进行低通滤波提取直流成份并根据直流成份的电压范围输出预设电压至双极性电压比较器u3，该功能的实现可以采用数字处理器，如tms320f2812等；mcu单元每隔一分钟采集500ms数据进行ad转换，再通过低通滤波提取直流成份vdc，并在mcu单元中设定电压阈值，优选设置电压阈值为2.5v，对直流成份vdc的值进行判断，具体为当直流成份vdc大于电压阈值2.5v时利用数模转换器da端口输出预设第一电压，优选设置预设第一电压为1v电压值，当直流成份vdc小于负的电压阈值-2.5v时利用数模转换器da端口输出预设第二电压，优选设置预设第二电压为3v电压值，当直流成份vdc处于电压阈值2.5v和负的电压阈值-2.5v之间时利用数模转换器da端口输出与电压阈值相同的预设第三电压，优选设置预设第三电压为2.5v电压值。

本发明的双极性电压比较器u3用于将mcu单元的输出电压与比较电压进行比较后输出直流偏移校正电压至仪用运算放大器u1的基准电压端ref，该功能的实现可以采用双极性电压比较器lm339等；双极性电压比较器u3比较mcu单元的输出电压与比较电压，优选设置比较电压为2.5v，当mcu单元的输出电压大于比较电压2.5v时输出与比较电压相等的直流偏移校正电压至仪用运算放大器的基准电压端，即直流偏移校正电压为2.5v，当mcu单元的输出电压小于比较电压2.5v时输出与负的比较电压相等的直流偏移校正电压至仪用运算放大器的基准电压端，即直流偏移校正电压为-2.5v，当mcu单元的输出电压等于比较电压2.5v时输出值为0v的直流偏移校正电压至仪用运算放大器的基准电压端，即直流偏移校正电压为0v。

由于仪用运算放大器u1的的输出端uout＝uo+ref，uo包含了信号输入端的有用信号和直流偏移电压，ref值为仪用运算放大器的基准电压，因此当直流偏移电压超过2.5v和-2.5时，本发明通过直流校正电路输出直流偏移校正电压至仪用运算放大器的基准电压端，从而将直流偏移电压下拉至2.5v和负2.5的范围之内，避免直流偏置电压超出模数转换器的有效转换范围，实现直流偏移的动态消除。

本发明能够动态的去除直流偏移电压，实现在不同的状态下使用，尤其是应用在日常生活中的便携式的电生理信号采集仪中，具有很大的灵活性；用于电生理信号采集时，可以获取0.01hz以上的电生理信号，为脑认知的研究提供更丰富的数据，从而推动脑科学的发展；并且电路的整体性能可靠，在提高共模抑制、消除偏移电压时基本没有引入新的噪声源，可以广泛的应用到电生理信号采集中。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。