CN104917471B - 一种生理信号采集放大电路 - Google Patents

Abstract

一种生理信号采集放大电路，包括：差分输入及初级放大电路，连接于输入的生理信号，对生理信号进行采样及初次放大；滤波电路，连接于差分输入及初级放大电路的输出端，对差分输入及初级放大电路的输出信号进行带通滤波及50Hz工频陷波；二级放大及电压抬升电路，连接于滤波电路的输出端，对滤波之后的信号进行再次放大并将放大后的信号最低值抬升至零伏以上；其中，所述差分输入及初级放大电路包括差分高阻输入子电路、阻容滤波子电路、一级放大子电路和基准电位反馈子电路。本发明提供一种有效对身体保护、精度较高、准确性良好的生理信号采集放大装置。

Description

一种生理信号采集放大电路

技术领域

本发明涉及医学测量仪器技术领域，尤其涉及肌电、心电等生理信号采集放大电路。

背景技术

现有的生理信号采集放大电路包括：采集电路，用于将生理信号采集入电路；滤波电路，用于将采集电路采集到的生理信号按生理信号特性进行滤波处理；放大电路，用于将滤波之后的生理信号放大，便于显示。存在的技术缺陷为：(1)输入阻抗低，皮肤与电路的隔离效果不好；(2)共模抑制比不高；滤波电路阶数较低，或采用无源滤波，滤波效果较差；上述问题导致目前的采集电路对身体的保护不够，并且采样精度不高，无法用于医学检测，实验数据对准确判断身体状况的参考意义不大。

发明内容

为了克服已有生理信号采集放大方式的对身体保护不够、精度较低、准确性较差的不足，本发明提供一种有效对身体保护、精度较高、准确性良好的生理信号采集放大电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种生理信号采集放大电路，包括：

差分输入及初级放大电路，连接于输入的生理信号，对生理信号进行采样及初次放大；

滤波电路，连接于差分输入及初级放大电路的输出端，对差分输入及初级放大电路的输出信号进行带通滤波及50Hz工频陷波；

二级放大及电压抬升电路，连接于滤波电路的输出端，对滤波之后的信号进行再次放大并将放大后的信号最低值抬升至零伏以上；

其中，所述差分输入及初级放大电路包括

差分高阻输入子电路，包括正输入、基准、负输入三个输入端，分别连接于人体表面的不同位置，并采用两路BiFET运算放大器分别对正输入、负输入的生理信号进行差分高阻处理；

阻容滤波子电路，连接于差分高阻输入子电路的输出端，对两路BiFET运算放大器的输出分别进行滤波特性相同的阻容滤波；

一级放大子电路，连接于阻容滤波子电路的输出端，采用仪表放大器对阻容滤波子电路的两路输出进行差分放大并将输出作为差分输入及初级放大电路的输出供给后级的滤波电路，同时一级放大子电路产生参考电位输出；

基准电位反馈子电路，连接于一级放大子电路的参考电位输出，并采用运算放大器进行有源滤波及放大处理，产生基准电位输出，并将基准电位输出反馈至基准输入端，同时前馈至阻容滤波子电路。

进一步，所述滤波电路包括：

带通滤波子电路，连接于差分输入及初级放大电路的输出端，对输入信号进行带通滤波；

工频陷波子电路，连接于带通滤波子电路的输出端，对输入的信号进行50Hz工频陷波。

再进一步，所述差分高阻输入子电路包括BiFET运算放大器U1和U2、电阻R6、R7、R8，电容CC1、CC2、CS1、CS2，差分高阻输入子电路的正输入端与BiFET运算放大器U1正输入相连，BiFET运算放大器U1负输入一条路通过电阻R6与BiFET运算放大器U1输出端相连，另一条路与电阻R7的一端相连，差分高阻输入子电路负输入端与BiFET运算放大器U2正输入相连，BiFET运算放大器U2负输入一条路通过电阻R8与BiFET运算放大器U2输出端相连，另一条路与电阻R7的另一端相连，BiFET运算放大器U1的输出引脚与阻容滤波子电路的输入端CR+相连，BiFET运算放大器U2的输出引脚与阻容滤波子电路的输入端CR-相连。

所述阻容滤波子电路包括电容C2、C3，电阻R9、R10，阻容滤波子电路输入端CR+经电容C2一路与电阻R9一端相连，另一路与一级放大子电路的输入端OP1+相连，阻容滤波子电路输入端CR-经电容C3一路与电阻R10一端相连，另一路与一级放大子电路的输入端OP1-相连，电阻R9另一端与R10另一端相连，此连接点又与基准电位反馈子电路的输出端相连。

所述一级放大子电路包括仪表放大器U4、电阻R1、R2、R3、电容CC3、CS3，其中电阻R3与电阻R2串联之后与电阻R1并联接入仪表放大器U4的两个增益控制引脚，仪表放大器的输出端OP1_OUT作为一级放大子电路的输出与滤波电路的输入端相连，电阻R2和R3的中间点与基准电位反馈子电路的输入端相连。

基准电位反馈子电路包括运算放大器U3，电阻R4、R5，电容C1、CC4、CS4，其中基准电位反馈子电路的输入端一路与运算放大器U3负输入端相连，第二路与电阻R5一端相连，电阻R5的另一端连接至运算放大器U3的输出端，第三路经电阻R4与电容C1串联连接至运算放大器U3的输出端，运算放大器的正输入端接地，运算放大器U3的输出端一路连接至差分输入及初级放大电路的基准端，另一路连接至阻容滤波子电路中R9与R10的中间点。

所述带通滤波子电路包括运算放大器U5A与U5B，电阻R11、R12、R13、R14、R15，电容C4、C5、C6、C7、C8、CC5、CS5，其中差分输入及初级放大电路的输出端通过电容C4一路通过电阻R11接地，第二路通过C5与运算放大器U5A的负输入端相连，第三路通过电容C6与运算放大器U5A的输出端相连，电阻R12一端接运算放大器U5A负输入端，另一端与运算放大器U5A的输出端相连，所述运算放大器U5A的输出端通过R13一路通过C7接地，第二路通过电阻R14与运算放大器U5B的负输入端相连，第三路通过电阻R15与运算放大器U5B的输出端相连，电容C8一端接运算放大器U5B负输入端，另一端与运算放大器U5B的输出端相连，U5B的输出端即带通滤波子电路的输出端BP_OUT，运算放大器U5的正电源引脚一路接9V正电源VCC，另一路通过电容CC5接地，运算放大器U5的负电源引脚一路接-9V负电源VSS，另一路通过电容CS5接地。

所述工频陷波子电路包括两个运算放大器U5C与U5D，电阻R23、R24、R25、RW2、RW3、RW4、RW1、R19，电容C9、C10、C11、C12，所述工频陷波子电路输入端一路按序串联电阻R23、RW2、RW3、R24然后连接至运算放大器U5D正输入端，另一路按序串联电容C9、C10然后连接至运算放大器U5D正输入端，电容C9与C10中间点按序连接RW4、R25、C11然后连接至电阻RW2与RW3的中间点，C12与C11并联，运算放大器U5D的负输入端与运算放大器U5D的输出端相连，运算放大器U5D输出端连接电阻RW1一路连接运算放大器U5C正输入端，另一路通过电阻R19接地，运算放大器U5C的负输入端与运算放大器U5C的输出端相连，运算放大器U5C的输出端连接至电阻R25与电容C11的连接点形成反馈，运算放大器U5D的输出端即工频陷波子电路的输出端Trap_OUT与二级放大与电压抬升电路输入端相连。

所述二级放大及电压抬升电路包括两个运算放大器U6A与U6B，基准电源U10，电阻R20、R21、RW5、R27、R28，电容C13、CC6、CS6、CC7，所述二级放大与电压抬升电路输入端通过电阻R20一路与运算放大器U6A负输入端相连，另一路按序串联R21与RW5连接至运算放大器U6A的输出端，运算放大器U6A的正输入端接地，运算放大器U6A的输出端通过电阻R27与运算放大器U6B正输入相连，基准电源U10输出端一路通过电阻R28连接至运算放大器U6B正输入端，另一路通过电容C13接地，运算放大器U6B的负输入端与运算放大器U6B的输出端相连，运算放大器U6A和U6B的正电源引脚一路接9V正电源VCC，另一路通过电容CC6接地，运算放大器U6A和U6B的负电源引脚一路接-9V负电源VSS，另一路通过电容CS6接地，基准电源U10的电源引脚一路接9V正电源VCC，另一路通过电容CC7接地，基准电源U10的使能引脚接正电源VCC，运算放大器U6B的输出端即所述二级放大与电压抬升电路的输出端，也即所述生理信号采集放大电路的输出端PS_OUT。

本发明的技术构思为：采用BiFET运算放大器提高输入阻抗，采用差分输入与基准电压两次反馈的方法提高共模抑制比，采用四阶带通滤波加工频陷波的方法提高滤波效果。相比目前便携性生理信号采集电路精度偏低的问题，本发明在保持低成本，小体积，高便携性等优点的同时，提高了信号采集精度，可以进行辅助医疗检测。

本发明的有益效果主要表现在：在保证精度的同时将生理信号检测设备便携化，使基础性的生理信号检测不必依赖于医院，并且将检测成本降低。

附图说明

图1是本发明的原理图框图；

图2是差分输入及初级放大电路原理图框图；

图3是滤波电路原理图框图；

图4是二级放大及电压抬升电路原理图；

图5是差分输入及初级放大电路差分高阻输入子电路原理图；

图6是差分输入及初级放大电路阻容滤波子电路原理图；

图7是差分输入及初级放大电路一级放大子电路原理图；

图8是差分输入及初级放大电路基准电位反馈子电路原理图；

图9是滤波电路带通滤波子电路原理图；

图10是滤波电路工频陷波子电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图10，一种生理信号采集放大电路，包括：

差分输入及初级放大电路，连接于输入的生理信号，对生理信号进行采样及初次放大；

滤波电路，连接于差分输入及初级放大电路的输出端，对差分输入及初级放大电路的输出信号进行带通滤波及50Hz工频陷波；

二级放大及电压抬升电路，连接于滤波电路的输出端，对滤波之后的信号进行再次放大并将放大后的信号最低值抬升至零伏以上。

进一步，所述差分输入及初级放大电路包括四个子电路：

差分高阻输入子电路含正输入、基准、负输入三个输入端，分别连接于人体表面的不同位置，并采用两路BiFET运算放大器分别对正输入、负输入的生理信号进行差分高阻处理；

阻容滤波子电路，连接于差分高阻输入子电路的输出端，对两路BiFET运算放大器的输出分别进行滤波特性相同的阻容滤波；

一级放大子电路，连接于阻容滤波子电路的输出端，采用仪表放大器对阻容滤波子电路的两路输出进行差分放大并将输出作为差分输入及初级放大电路的输出供给后级的滤波电路，同时一级放大子电路产生参考电位输出；

基准电位反馈子电路，连接于一级放大子电路的参考电位输出，并采用运算放大器进行有源滤波及放大处理，产生基准电位输出，并将基准电位输出反馈至基准输入端，同时前馈至阻容滤波子电路；

再进一步，所述滤波电路包括两个子电路：

带通滤波子电路，连接于差分输入及初级放大电路的输出端，对输入信号进行带通滤波；

工频陷波子电路，连接于带通滤波子电路的输出端，对输入的信号进行50Hz工频陷波；

如图4所示，所述二级放大及电压抬升电路包括运算放大器U6A与U6B，基准电源U10，电阻R20、R21、RW5、R27、R28，电容C13、CC6、CS6、CC7，所述二级放大与电压抬升电路输入端通过电阻R20一路连接运算放大器U6A负输入端相连，另一路按序串联R21与RW5连接至运算放大器U6A的输出端，运算放大器U6A的正输入端接地，运算放大器U6A的输出端通过电阻R27与运算放大器U6B正输入相连，基准电源U10输出端一路通过电阻U28连接至运算放大器U6B正输入端，另一路通过电容C13接地，运算放大器U6B的负输入端与运算放大器U6B的输出端相连，运算放大器U6的正电源引脚一路接9V正电源VCC，另一路通过电容CC6接地，运算放大器U6的负电源引脚一路接-9V负电源VSS，另一路通过电容CS6接地，基准电源U10的电源引脚一路接9V正电源VCC，另一路通过电容CC7接地，基准电源U10的使能引脚接正电源VCC，运算放大器U6B的输出端即所述二级放大与电压抬升电路的输出端，也即所述生理信号采集放大电路的输出端。

如图5所示，所述差分高阻输入子电路包括BiFET运算放大器U1和U2、电阻R6、R7、R8，电容CC1、CC2、CS1、CS2，差分高阻输入子电路正输入端与BiFET运算放大器U1正输入相连，BiFET运算放大器U1负输入一条路通过电阻R6与BiFET运算放大器U1输出端相连，另一条路与电阻R7的一端相连，差分高阻输入子电路负输入端与BiFET运算放大器U2正输入相连，BiFET运算放大器U2负输入一条路通过电阻R8与BiFET运算放大器U2输出端相连，另一条路与电阻R7的另一端相连，BiFET运算放大器U1的输出引脚与阻容滤波电路的输入端CR+相连，BiFET运算放大器U2的输出引脚与阻容滤波电路的输入端CR-相连，BiFET运算放大器U1的正电源引脚一路接9V正电源VCC，另一路通过电容CC1接地，BiFET运算放大器U1的负电源引脚一路接-9V负电源VSS，另一路通过电容CS1接地，BiFET运算放大器U2的正电源引脚一路接9V正电源VCC，另一路通过电容CC2接地，BiFET运算放大器U2的负电源引脚一路接-9V负电源VSS，另一路通过电容CS2接地。

如图6所示，所述阻容滤波子电路包括电容C3、C4，电阻R9、R10，阻容滤波子电路输入端CR+经电容C2一路与电阻R9一端相连，另一路与一级放大电路的输入端OP1+相连，阻容滤波电路输入端CR-经电容C3一路与电阻R10一端相连，另一路与一级放大电路的输入端OP1-相连，电阻R9另一端与R10另一端相连，此连接点又与所述差分输入及初级放大电路基准电位反馈子电路的输出端即运算放大器U3的输出端相连，并连接至生理信号采集放大电路的基准端。

如图7所示，所述一级放大子电路包括仪表放大器U4、电阻R1、R2、R3、电容CC3、CS3，其中电阻R3与电阻R2串联之后与电阻R1并联接入仪表放大器U4的两个增益控制引脚，仪表放大器U4的输出端与带通滤波电路的输入端相连，电阻R2和R3的中间点与所述差分输入及初级放大电路基准电位反馈子电路的输入端相连，仪表放大器U4的正电源引脚一路接9V正电源VCC，另一路通过电容CC3接地，仪表放大器U4的负电源引脚一路接-9V负电源VSS，另一路通过电容CS3接地。

如图8所示，所述基准电位反馈子电路包括运算放大器U3，电阻R4、R5，电容C1、CC4、CS4，其中基准电位反馈子电路的输入端一路与运算放大器U3负输入端相连，第二路与电阻R5相连，电阻R5的另一端连接至运算放大器的输出端，第三路经电阻R4与电容R1串联连接至运算放大器U3的输出端，运算放大器的正输入端接地，运算放大器U3的输出端连接至所述差分输入及初级放大电路阻容滤波子电路中R9与R10的中间点，运算放大器U3的正电源引脚一路接9V正电源VCC，另一路通过电容CC4接地，运算放大器U3的负电源引脚一路接-9V负电源VSS，另一路通过电容CS4接地。

如图9所示，所述通滤波子电路包括运算放大器U5A与U5B，电阻R11、R12、R13、R14、R15，电容C4、C5、C6、C7、C8、CC5、CS5，其中滤波电路带通滤波子电路的输入端通过电容C4一路通过电阻R11接地，第二路通过C5与运算放大器U5A的负输入端相连，第三路通过电容C6与运算放大器U5A的输出端相连，电阻R12一端接运算放大器U5A负输入端，另一端与运算放大器U5A的输出端相连，所述运算放大器U5A的输出端通过R13一路通过C7接地，第二路通过电阻R14与运算放大器U5B的负输入端相连，第三路通过电阻R15与运算放大器U5B的输出端相连，电容R8一端接运算放大器U5B负输入端，另一端与运算放大器U5B的输出端相连，U5B的输出端即所述滤波电路带通滤波子电路的输出端，运算放大器U5的正电源引脚一路接9V正电源VCC，另一路通过电容CC5接地，运算放大器U5的负电源引脚一路接-9V负电源VSS，另一路通过电容CS5接地。

如图10所示，所述工频陷波子电路包括运算放大器U5C与U5D，电阻R23、R24、R25、RW2、RW3、RW4、RW1、R19，电容C9、C10、C11、C12，所述滤波电路工频陷波子电路输入端一路按序串联电阻R23、RW2、RW3、R24然后连接至运算放大器U5D正输入端，另一路按序串联电容C9、C10然后连接至运算放大器U5D正输入端，电容C9与C10中间点按序连接RW4、R25、C11然后连接至电阻RW2与RW3的中间点，C12与C11并联，运算放大器U5D的负输入端与运算放大器U5D的输出端相连，运算放大器输出端连接电阻RW1一路连接运算放大器U5C正输入端，另一路通过电阻R19接地，运算放大器U5C的负输入端与运算放大器U5C的输出端相连，运算放大器U5C的输出端连接至电阻R25与电容R11的连接点形成反馈，运算放大器U5D的输出端即带所述滤波电路工频陷波子电路的输出端与二级放大与电压抬升电路输入端相连。

本实施例中，所述正输入、基准、负输入可按顺序连接成一线连接至人体所需测量的肌肉上采集肌电信号，也可将正输入端置于相对于负输入端离心脏更近的位置上，基准端大约置于正、负输入端中间位置，采集心电信号。

Claims (9)

1.一种生理信号采集放大电路，其特征在于：包括：

差分输入及初级放大电路，连接于输入的生理信号，对生理信号进行采样及初次放大；

滤波电路，连接于差分输入及初级放大电路的输出端，对差分输入及初级放大电路的输出信号进行带通滤波及50Hz工频陷波；

二级放大及电压抬升电路，连接于滤波电路的输出端，对滤波之后的信号进行再次放大并将放大后的信号最低值抬升至零伏以上；

其中，所述差分输入及初级放大电路包括：

差分高阻输入子电路，包括正输入、基准、负输入三个输入端，分别连接于人体表面的不同位置，并采用两路BiFET运算放大器分别对正输入、负输入的生理信号进行差分高阻处理；

阻容滤波子电路，连接于差分高阻输入子电路的输出端，对两路BiFET运算放大器的输出分别进行滤波特性相同的阻容滤波；

一级放大子电路，连接于阻容滤波子电路的输出端，采用仪表放大器对阻容滤波子电路的两路输出进行差分放大并将输出作为差分输入及初级放大电路的输出供给后级的滤波电路，同时一级放大子电路产生参考电位输出；

基准电位反馈子电路，连接于一级放大子电路的参考电位输出，并采用运算放大器进行有源滤波及放大处理，产生基准电位输出，并将基准电位输出反馈至基准输入端，同时前馈至阻容滤波子电路。

2.如权利要求1所述的生理信号采集放大电路，其特征在于：所述滤波电路包括：

带通滤波子电路，连接于差分输入及初级放大电路的输出端，对输入信号进行带通滤波；

工频陷波子电路，连接于带通滤波子电路的输出端，对输入信号进行50Hz工频陷波。

3.如权利要求1或2所述的生理信号采集放大电路，其特征在于：所述差分高阻输入子电路包括BiFET运算放大器U1和U2、电阻R6、R7、R8和电容CC1、CC2、CS1、CS2，差分高阻输入子电路的正输入端与BiFET运算放大器U1正输入端相连，BiFET运算放大器U1负输入端一条路通过电阻R6与BiFET运算放大器U1输出端相连，另一条路与电阻R7的一端相连，差分高阻输入子电路负输入端与BiFET运算放大器U2正输入端相连，BiFET运算放大器U2负输入一条路通过电阻R8与BiFET运算放大器U2输出端相连，另一条路与电阻R7的另一端相连，BiFET运算放大器U1的输出引脚与阻容滤波子电路的输入端CR+相连，BiFET运算放大器U2的输出引脚与阻容滤波子电路的输入端CR-相连。

4.如权利要求1或2所述的生理信号采集放大电路，其特征在于：所述阻容滤波子电路包括电容C2、C3和电阻R9、R10，阻容滤波子电路输入端CR+经电容C2一路与电阻R9一端相连，另一路与一级放大子电路的输入端OP1+相连，阻容滤波子电路输入端CR-经电容C3一路与电阻R10一端相连，另一路与一级放大子电路的输入端OP1-相连，电阻R9另一端与R10另一端相连，此连接点又与基准电位反馈子电路的输出端相连。

5.如权利要求1或2所述的生理信号采集放大电路，其特征在于：所述一级放大子电路包括仪表放大器U4、电阻R1、R2、R3、电容CC3、CS3，其中电阻R3与电阻R2串联之后与电阻R1并联接入仪表放大器U4的两个增益控制引脚，仪表放大器的输出端OP1_OUT作为一级放大子电路的输出与滤波电路的输入端相连，电阻R2和R3的中间点与基准电位反馈子电路的输入端相连。

6.如权利要求1或2所述的生理信号采集放大电路，其特征在于：基准电位反馈子电路包括运算放大器U3、电阻R4、R5和电容C1、CC4、CS4，其中基准电位反馈子电路的输入端一路与运算放大器U3负输入端相连，第二路与电阻R5一端相连，电阻R5的另一端连接至运算放大器U3的输出端，第三路经电阻R4与电容C1串联连接至运算放大器U3的输出端，运算放大器的正输入端接地，运算放大器U3的输出端一路连接至差分输入及初级放大电路的基准端，另一路连接至阻容滤波子电路中R9与R10的中间点。

7.如权利要求2所述的生理信号采集放大电路，其特征在于：所述带通滤波子电路包括运算放大器U5A与U5B、电阻R11、R12、R13、R14、R15和电容C4、C5、C6、C7、C8、CC5、CS5，其中差分输入及初级放大电路的输出端通过电容C4一路通过电阻R11接地，第二路通过C5与运算放大器U5A的负输入端相连，第三路通过电容C6与运算放大器U5A的输出端相连，电阻R12一端接运算放大器U5A负输入端，另一端与运算放大器U5A的输出端相连，所述运算放大器U5A的输出端通过R13一路通过C7接地，第二路通过电阻R14与运算放大器U5B的负输入端相连，第三路通过电阻R15与运算放大器U5B的输出端相连，电容C8一端接运算放大器U5B负输入端，另一端与运算放大器U5B的输出端相连，U5B的输出端即带通滤波子电路的输出端BP_OUT。

8.如权利要求2所述的生理信号采集放大电路，其特征在于：所述工频陷波子电路包括两个运算放大器U5C与U5D、电阻R23、R24、R25、RW2、RW3、RW4、RW1、R19和电容C9、C10、C11、C12，所述工频陷波子电路输入端一路按序串联电阻R23、RW2、RW3、R24然后连接至运算放大器U5D正输入端，另一路按序串联电容C9、C10然后连接至运算放大器U5D正输入端，电容C9与C10中间点按序连接RW4、R25、C11然后连接至电阻RW2与RW3的中间点，C12与C11并联，运算放大器U5D的负输入端与运算放大器U5D的输出端相连，运算放大器U5D输出端连接电阻RW1一路连接运算放大器U5C正输入端，另一路通过电阻R19接地，运算放大器U5C的负输入端与运算放大器U5C的输出端相连，运算放大器U5C的输出端连接至电阻R25与电容C11的连接点形成反馈，运算放大器U5D的输出端即工频陷波子电路的输出端Trap_OUT与二级放大与电压抬升电路输入端相连。

9.如权利要求1或2所述的生理信号采集放大电路，其特征在于：所述二级放大及电压抬升电路包括两个运算放大器U6A与U6B、基准电源U10、电阻R20、R21、RW5、R27、R28和电容C13、CC6、CS6、CC7，所述二级放大与电压抬升电路输入端通过电阻R20一路与运算放大器U6A负输入端相连，另一路按序串联R21与RW5连接至运算放大器U6A的输出端，运算放大器U6A的正输入端接地，运算放大器U6A的输出端通过电阻R27与运算放大器U6B正输入相连，基准电源U10输出端一路通过电阻R28连接至运算放大器U6B正输入端，另一路通过电容C13接地，运算放大器U6B的负输入端与运算放大器U6B的输出端相连，运算放大器U6B的输出端即所述二级放大与电压抬升电路的输出端，也即所述生理信号采集放大电路的输出端PS_OUT。