利用AD5933的高精度生物阻抗測(cè)量方案

生物電阻抗技術(shù)是利用生物組織與器官的電特性及其變化規(guī)律提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的檢測(cè)技術(shù)。

目前針對(duì)生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)的研究和文章很多，主要集中在對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)某組成部分的設(shè)計(jì)。顯然，這些研究和設(shè)計(jì)工作均在某一方面對(duì)生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)的精度提高做出了貢獻(xiàn)，但是單一的方法對(duì)精度的提高有限，本文采用ADI公司的高度集成的阻抗測(cè)量芯片AD5933設(shè)計(jì)了一種精度高的阻抗測(cè)量方法，利用比例測(cè)量，DFT數(shù)字解調(diào)，軟件校準(zhǔn)和補(bǔ)償四項(xiàng)技術(shù)，整體上提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。

比例測(cè)量方法

　　對(duì)電阻的測(cè)量，通常使用伏安法，生物阻抗測(cè)量也是基于伏安法的原理。即已知一個(gè)元件的電阻等于此元件兩端的電壓降與流過(guò)其電流的比值，RX=UX/IX。然而在實(shí)際測(cè)量中往往使用比例測(cè)量的方法，在被測(cè)回路中串入采樣電阻RS，有IX=US/RS，因此：RX =UX/IX=RS×UX/US，這樣就把電阻的測(cè)量轉(zhuǎn)換成為兩電壓之比的測(cè)量，降低了對(duì)電壓源US的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的要求，測(cè)量結(jié)果的精確度只與參比電阻的精度有關(guān)。比例測(cè)量的具體電路非常簡(jiǎn)單，如圖1所示，用一只運(yùn)算放大器接成電壓并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)即可。


圖1　比例法測(cè)量電阻的原理圖


　　本文采用的阻抗測(cè)量芯片AD5933利用了上述比例測(cè)量的原理，測(cè)量電路如圖2所示。利用DDS產(chǎn)生的正弦交流信號(hào)作為激勵(lì)源以獲得阻抗的完整信息，待測(cè)阻抗可等效為電容和電導(dǎo)的并聯(lián)模式，即YX=GX+jCX=AXφ。在理想狀態(tài)下不考慮放大器等電路引起的幅值和相位的變化，設(shè)激勵(lì)信號(hào)U1=U1msinwt，I=U1×YX，則響應(yīng)信號(hào)U2=-I×RS=-U1×YX×RS=-U1m×RS×AXsin(wt+j)，其中j被測(cè)電導(dǎo)的相位，AX為被測(cè)電導(dǎo)幅值，RS為參比電阻。只要將U2與U1做比較就可以得到待測(cè)阻抗的信息，避免了電壓源不穩(wěn)定帶來(lái)的誤差，測(cè)量結(jié)果的精度取決于參比電阻的精度。


圖2　AD5933比例法測(cè)量生物阻抗原理圖

DFT數(shù)字解調(diào)

　　上述響應(yīng)信號(hào)U2包含了阻抗的信息，與U1進(jìn)行比較可以獲得阻抗的信息，但是由于U2(調(diào)制信號(hào))是U1(載波)經(jīng)過(guò)阻抗的調(diào)制得到的，U2中含有載頻信息，不利于后面的阻抗信息提取，所以需將對(duì)響應(yīng)信號(hào)U2解調(diào)，即去除載頻w，還原為零基帶信號(hào)。目前阻抗測(cè)量系統(tǒng)中常用的解調(diào)方式有硬件解調(diào)：整流濾波、開(kāi)關(guān)解調(diào)、模擬乘法器、數(shù)字解調(diào)。模擬乘法器解調(diào)是常用的方法之一，它利用正交解調(diào)原理，具有電路簡(jiǎn)單，測(cè)量速度快且適合于較高較寬的頻率范圍內(nèi)工作的優(yōu)點(diǎn)。
利用乘法器正交解調(diào)的過(guò)程描述如下：假設(shè)要將上述響應(yīng)信號(hào)解調(diào)，首先利用乘法器將響應(yīng)信號(hào)(U2=-U1m×RS×AXsin(wt+j))與一對(duì)正交本振(U1=U1msinwt，U3= U1mcoswt)相乘(本振信號(hào)要求與載波同頻同相，并且兩個(gè)本振信號(hào)嚴(yán)格正交)，然后利用積化和差公式將載頻與基頻分離，再通過(guò)濾波或積分運(yùn)算去掉載頻，將信號(hào)變?yōu)榛l。

　　正交本振信號(hào)與上述響應(yīng)信號(hào)相乘，利用三角函數(shù)里的積化和差公式，得到兩路信號(hào)Uo1和Uo2，將載頻信號(hào)與基帶信號(hào)分離。



將上述兩路信號(hào)在周期T時(shí)間上做積分并求平均值去除載頻。



　　以上過(guò)程完成了正交解調(diào)，顯然Uo1，Uo2中已經(jīng)去除了載波，并且仍然包含被測(cè)電阻的實(shí)部和虛部信息，只要與電壓源幅值信息比較就可以得到被測(cè)阻抗的完整信息。
類似的，AD5933也是基于正交解調(diào)的原理，對(duì)ADC采樣數(shù)據(jù)做離散傅立葉變換(數(shù)字正交解調(diào))，也即1024個(gè)數(shù)組成的數(shù)字序列與正交向量相乘再求和的過(guò)程，如下式所示：
(1)
　　利用DFT數(shù)字正交解調(diào)與利用乘法器正交解調(diào)相比的優(yōu)勢(shì)在于：正交解調(diào)方法要求本振和信號(hào)載波同頻同相，否則解調(diào)后的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生頻差和相差，不利于信號(hào)恢復(fù)。利用模擬乘法器方法解調(diào)，很難實(shí)現(xiàn)載波同步，甚至還要增加模擬鎖相環(huán)電路，而DFT從算法上嚴(yán)格保證了本振和載波的同頻同相。其次正交解調(diào)要求兩個(gè)本振信號(hào)完全正交，否則恢復(fù)原信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生虛假信號(hào)，DFT算法很好的保證兩個(gè)本振嚴(yán)格正交。DFT算法實(shí)現(xiàn)了數(shù)字鎖相的過(guò)程，保證了本振和載波的同頻同相，簡(jiǎn)化了模擬電路，并且求和平均的過(guò)程抑制了噪聲，調(diào)高了信噪比。