专利名称：一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种采集生物电信号的装置，尤其涉及的是全差分同相并联放大
的生物电信号采集装置。
背景技术：
众所周知，生物电信号检测都在强背景干扰和存在病人极化电压的情况下进行， 由于强干扰(特别是工频干扰)的影响，需要采用仪表放大器。而生物电信号都非常微弱， 往往需要放大数百倍以上。当电极与人体皮肤接触，存在极化电压，因此普遍放大器的第一 级增益都比较小，需要用阻容电路隔离极化电压后利用第二级放大器进行放大。由于存在 时间常数电路，因此在病人极化电压比较大，造成第一级输出饱和时，会对电容进行充电， 假设此时病人状况稳定(病人上极化电压达到比较小的正常值)，则隔直电容上的电荷需 要非常长的时间才能释放完毕，此期间是无法进行ECG信号采集的。因此交流装置出信号 的速度较慢，而且基线容易漂移，基线恢复慢。传统的交流放大有如下缺点信号动态范围 小；电路十分复杂、噪声大；放大器饱和与基线恢复慢(基线漂移)的问题。起搏(PACE)脉 冲检测问题。还有抗扰能力不佳，丢失信号直流成分以及接近直流信号的交流信号的问题。 为解决以上问题，业界多采用带仪表放大器的直流放大电路装置，但是，传统的直 流放大装置但仍存在以下不足 电路仍比较复杂，且放大环节众多，对于控制系统噪声不利；抑制共模干扰的能力 差。同时采用的仪表放大器后的信号都是单端信号，对于空间偶合到仪表放大器之后信号 线上的共模干扰无法排除。 成本高昂，仪表放大器普遍价格不菲，若采用三运放搭建仪表放大器，一方面成本 仍比本文的同相并联放大器结构高，另一方面，三运放搭建的仪表放大器，共模抑制比受限 于匹配电阻精度，难以提高，一般60dB已经相当不错。 总之，采用传统的直流放大电路装置，难以同时回避成本高和共模抑制比不理想 的问题。
实用新型内容针对现有技术的不足，本实用新型提供一种低成本高性能的全差分同相并联放大 器装置，其能大大简化了生物电前端电路的设计；既可以达到很高的性能，又可以保持较低 的成本。 本实用新型是通过以下技术方案实施的 —种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置，其特征在于包括顺序连接的 输入缓冲电路、差分滤波电路、数据选择器、同相并联放大电路及模数转换电路，输入缓冲 电路首先对生物电信号进行阻抗转换，然后经差分滤波电路进行低通滤波后的生物信号通 过数据选择器、同相并联放大电路，对生物电信号进行放大并对共模信号进行抑制，再通过 抗混叠滤波网络滤除信号高频带外的生物信号的噪声，放大后的信号经模数转换电路进行模数转换后输出。 所述输入缓冲电路共有九路，即Ul U9 ;每一路由一个低噪声单运放构成，单运 放的接成电压跟随器形式，同相端与电路的限流电阻相连，反相端接输出端并与差分滤波 电路的输入级相连。 差分滤波电路共有8路，每一路由两个电阻与一个电容构成一阶的差分低通滤 波；电阻一端与缓冲电路的输出端相连，另一端连接滤波电容，电阻另一端还与数据选择器 的输入级相连，滤波电容的另一端接浮地；滤波电容两端都分别与滤波电阻相连。 所述数据选择器为高分辨率模数转换器内部集成的模拟开关，可配置为8选一差 分输入差分输出模式，8个差分输入端分别接I导、II导、VI V6导的差分滤波输出端。 所述差分同相并联放大电路为一路，电路主体由双运放U10、U11，电阻R19 R23， 电容C9构成，其中U10的同相端与数据选择器的正相输出MUXP相连；Ull的同相端与数据 选择器的负相输出MUXN相连；UIO、 Ull的反相输入端都接与电阻R19相连；UIO、 Ull的反 相端分别经过电阻R20、R21与U10、U11输出端相连；U10、U11的输出端分别与滤波网络的 电阻R22、R23 —端相连，R22，R23的另一端分别与滤波电容C9相连；与C9相连R22、R23的 一端还分别与模数转换器的正输入端IN+、负输入端IN-相连。 模数转换器的IN+、 IN-分别与R22， R23相连；模数转换器的数字信号输出端通过 SPI 口或LVDS 口与微处理器相连。 由于本实用新型采用了以上技术方案，本实用新型的噪声，共模抑制比均可以达 到很高的指标，且基线十分稳定；出生物电信号速度快。信号输入动态范围大，不容易饱和。 可靠性高，还能支持完善的PACE(起搏脉冲)检测。其成本远低于采用集成仪放的经典直 流放大装置。同时电路结构简单，高度集成化，有利于板卡小型化。产品易制易销，可广泛 用于心电，脑电，肌电等各种生物电检测仪器和各种测控系统，经济和社会效益显著。
图1是本实用新型的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步的详细说明 参见图1，本同相并联差分直流放大电路装置，包括输入缓冲器、全差分RC滤波电
路、通道选择器、同相并联差分放大电路、模数转换电路，输入缓冲电路首先对生物电信号
进行阻抗转换，然后经差分滤波电路进行低通滤波后的生物信号通过数据选择器、同相并
联放大电路，对生物电信号进行放大并对共模信号进行抑制，再通过抗混叠滤波网络滤除
信号高频带外的生物信号的噪声，放大后的信号经模数转换电路进行模数转换后输出。 其中输入缓冲电路U1 U9，一共有9路，每一路分别由气体放电管，限流电阻，滤
波电容，藕合电容，钳位双二极管组成。其中RA支路是共用的。其它8路缓冲都分别与RA
支路作差。此输入缓冲电路的目的是为后级电路提供低输出阻抗的信号源。 全差分滤波电路，共8路，每一路分别由两个电阻与一个电容组成。全差分滤波电
路的采用，保证滤波效果的同时，共模抑制比并不会因为器件参数的离散性而降低。 由高分辨率ADC集成为通道选择器，可配置为8选一差分模拟开关。[0022] 同相并联差分放大电路，电路主体由双运放UIO、 Ull，电阻R19 R23，电容C9构 成，其中U10的同相端与数据选择器U12的正相输出MUXP相连；Ull的同相端与数据选择 器U12的负相输出M腦相连;UIO、 Ull的反相输入端都接与电阻R19相连；UIO、 Ull的反 相端分别经过电阻R20、R21与U10、U11输出端相连；U10、U11的输出端分别与滤波网络的 电阻R22、 R23 —端相连，R22， R23的另一端分别与滤波电容C9相连；与C9相连R22、 R23 的一端还分别与模数转换器的正输入端I N+、负输入端IN-相连。由仪表放大器的相关理 论可知，由U10，U11构成的同相差分放大电路第一级，其共模抑制比与电阻R19 R23的精 度完全无关，与UIO， Ull自身的CMRR参数无关，仅与UIO， Ull的CMRR—致性有关。这是 因为第一级为同相并联的结构，两个电阻R20、 R21很容易对称平衡。第一级电路具有完全 对称形式，这种对称结构有利于克服电阻的失配影响。所以第一级电路外路电阻的共模抑 制能力无需再讨论。仅考虑运算放大器本身的共模抑制能力。实际上，第一级的输出U1、 U2在回路里不产生共模电流，加在电阻R19上的差动电压决定了整个电路的工作电流，而 加在这个电位器上的共模电压对此电流毫无影响。无论电阻R19、R20、R21取何值均如此。 所以电路的共模以致能力与外回路电阻是否匹配完全无关。此外，并联结构电路能利用电 路结构的对称、失调互补的原理，使共模误差电压互相抵消，获得低漂移和高稳定性。对于 差模信号可以方便地进行增益调节，给使用带来很大方便。 U10， Ull采用双运放器件，由于集成在一个硅片中，参数一致性很高，因此可保证 同相并联差分放大器有相当高的CMRR值。此级是唯一一级提供模拟增益的电路。具有以 下几个功能提供共模型抑制比与模拟增益、提供高输入阻抗的放大级、降低由于模拟开关 导通电阻造成的信号损失、兼作ADC驱动与抗混叠滤波。 模数转换器电路，包括差分输入的高分辨率ADC，集成8选一差分模拟开关，该ADC 要求具备较高的共模一致比，此处的作用相当于仪表放大器的第三个运放——差分转单端 运放。是最终的把抑制共模信号的器件。因此，本实用新型的基本原理是差分同相并联放 大电路与ADC共同组成了一个综合的仪表放大器。省略了经典的直流放大架中的仪表放大
器芯片，且能实现同样的功能。这样就达到了高性能低成本的目标。 包括ADC在内的整个同相并联差分放大电路的共模抑制比，计算公式如下 CM i =-..................1 式中CMRR为整个电路的共模抑制比，AD工为同相并联放大电路第一级的差分增益。 CMRR12为第一级的共模抑制比，CMRR3为ADC的共模抑制比。式中CMRR12由UIO、 Ull的共
模抑制比决定，即CMMi2:^ff，:^2 ............2 2式中CMRR1、 CMR2分别是UIO，
Ull运放本身的共模抑制比。由于选用集成的双运放，同种工艺保证了其参数非常接近，一 般CMRRpCMRR2可达到仅相差0. 5dB，因此由2式决定的CMRR12可高达到160dB以上。因此 1式可简化为 CMRR = AD^CMRRs 3 上式即为同相差分放大电路整个架构的共模抑制比表达式；式中AD工为同相差分 放大第一级的差分增益，CMRR3为高分辨率ADC的共模抑制比，此表达式与经典三运放构成 的仪放共模抑制比推导公式是相同的。由3式可知，为获得尽量高的CMRR，仪放的增益应尽量安排在第一级，即提高AD1，同时提高第三个运放包含外围匹配电阻在内的共模抑制比 CMRR3。由于提高CMRR3对经典仪表放大器的第三个运放外围电阻匹配要求很高，电阻精度 一般做到10E-4是困难的。因此CMRR3—般只能达到80dB。因此当总增益为2时(本例中仪 放第一级增益为2，第二级差分增益一般为1)，经典三运放仪放的CMRR仅能达到86dB(注 意此处指的是集成的仪表放大器，电阻匹配比较好。若用分立三运放与电阻搭建仪表放大 器，电阻精度一般仅在10E-3，这样CMRR —般最高只能达到66dB左右。 由于本实用新型采用了高分辨率ADC，其共模抑制比一般能达到50/60HZ@90Db， 由于是ADC提供共模抑制比，消除了常见仪表放大器电路中电阻匹配精度的不利影响。在 本同相差分放大电路中，假设同相并联级增益同为2，则整个电路的CMRR能达到96dB，不仅 关键指标CMRR大大高于分立三运放搭建的仪放(高30dB以上)，与经典的集成仪表放大器 相比也有优势，而且成本大大低于采用集成仪放的电路，性价比优异。尤其是在多通道心脑 电图机中应用，优势十分明显。
权利要求一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置，其特征在于包括顺序连接的输入缓冲电路、差分滤波电路、数据选择器、同相并联放大电路及模数转换电路，输入缓冲电路首先对生物电信号进行阻抗转换，然后经差分滤波电路进行低通滤波后的生物信号通过数据选择器、同相并联放大电路，对生物电信号进行放大并对共模信号进行抑制，再通过抗混叠滤波网络滤除信号高频带外的生物信号的噪声，放大后的信号经模数转换电路进行模数转换后输出。
2. 根据权利要求1所述的一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置，其特征在 于所述输入缓冲电路共有九路，即U1 U9 ;每一路由一个低噪声单运放构成，单运放的接 成电压跟随器形式，同相端与电路的限流电阻相连，反相端接输出端并与差分滤波电路的 输入级相连。
3. 根据权利要求1所述的一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置，其特征在 于差分滤波电路共有8路，每一路由两个电阻与一个电容构成一阶的差分低通滤波；电阻 一端与缓冲电路的输出端相连，另一端连接滤波电容，电阻另一端还与数据选择器的输入 级相连；滤波电容两端都分别与滤波电阻相连。
4. 根据权利要求1所述的一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置，其特征在 于所述数据选择器为高分辨率模数转换器内部集成的模拟开关，可配置为8选一差分输 入差分输出模式，8个差分输入端分别接I导、II导、VI V6导的差分滤波输出端。
5. 根据权利要求1所述的一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置，其特征在 于所述差分同相并联放大电路为一路，电路主体由双运放U10、U11，电阻R19 R23，电容 C9构成，其中U10的同相端与U12的正相输出MUXP相连；Ull的同相端与U12的负相输出 MUXN相连；UIO、 Ull的反相输入端都接与电阻R19相连；UIO、 Ull的反相端分别经过电阻 R20、 R21与UIO、 Ull输出端相连；UIO、 Ull的输出端分别与滤波网络的电阻R22、 R23 —端 相连，R22、R23的另一端分别与滤波电容C9相连；与C9相连R22、R23的一端还分别与模数 转换器的正输入端IN+、负输入端IN-相连。
6. 根据权利要求5所述的一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置，其特征在 于模数转换器的IN+、 IN-分别与R22、 R23相连；模数转换器的数字信号输出端通过SPI 口或LVDS 口与微处理器相连。
专利摘要本实用新型公开了一种采集生物电信号的全差分同相并联放大装置，包括顺序连接的输入缓冲电路、差分滤波电路、数据选择器、同相并联放大电路及模数转换电路，输入缓冲电路首先对生物电信号进行阻抗转换，然后经差分滤波电路进行低通滤波后的生物信号通过数据选择器、同相并联放大电路，对生物电信号进行放大并对共模信号进行抑制，再通过抗混叠滤波网络滤除信号高频带外的生物信号的噪声，放大后的信号经模数转换电路进行模数转换后输出。本实用新型的噪声、共模抑制比均可达很高的指标，基线十分稳定、信号输入动态范围大，不易饱和；可靠性高，能支持PACE检测，电路结构简单；成本低；并可用于各种生物电检测仪器和系统，经济效益显著。
文档编号G06F3/00GK201490976SQ20092017570
公开日2010年5月26日 申请日期2009年8月31日 优先权日2009年8月31日
发明者向小飞, 胡寻桥, 谢锡城 申请人:深圳市理邦精密仪器有限公司