Design of Lock-in Am p lifier on Weak Signal Measuring Module in Respiratory Inductive Plethysmography System*

Huang Zengyue，JI Jun，*，WANG Yunlong，YUAN Qing

(1.Graduate College，Southern Medical University，Guangzhou 510515，China; 2.Medical Engineering Department，The305 Hospital of Chinese People’s liberation Army，Beijing 10017，China)

Design of Lock-in Am p lifier on Weak Signal Measuring Module in Respiratory Inductive Plethysmography System*

Huang Zengyue1，JI Jun1，2*，WANG Yunlong2，YUAN Qing2

(1.Graduate College，Southern Medical University，Guangzhou 510515，China; 2.Medical Engineering Department，The305 Hospital of Chinese People’s liberation Army，Beijing 10017，China)

In respiratory inductive plethysmogrphy measuring system，weak induced voltage with the magnitude of nV～μV is usuallymeasured.During the processing period，the inductive coils of sensor vest is easily affected by themeasuring environment，movements besides the respiratory ones and electronic noise.A kind ofweak physiological signalmeasuring module is developed for adapting the RIP system and reducing the effects from noises.The module is designed based on lock－in amplifier(LIA)composed of AD630.The linearity of input－output of lock－in amplifier in themodule is above 0.9696.The module can detect the induced voltage and separate the direct voltage，reduce the impacts from the noises and improve the precision of themeasuring system.The weak induced voltagemeasuringmodulemay also be applied to other weak physiological signals detecting.

respiratory inductive plethysmography(RIP);weak induced voltage;lock－in amplifier(LIA)

呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)RIP(Respiratory Inductive Plethysmogrphy)是一種新型的無創(chuàng)呼吸運(yùn)動(dòng)而變化的電感量，從而測(cè)量出呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)人體胸腹腔的體積變化［1－3］。這種技術(shù)能較吸測(cè)量技術(shù)，將兩條絕緣的電感線圈分別纏繞在人胸腔和腹腔兩個(gè)位置，測(cè)量電感線圈隨呼好地測(cè)量胸、腹的呼吸波形，經(jīng)一定的校準(zhǔn)方法可獲得潮氣量、流量等肺功能指標(biāo)。但是，呼吸運(yùn)動(dòng)引起電感線圈的電感量變化非常小(低于幾百nH)，其產(chǎn)生感應(yīng)電壓的變化在nV～μV級(jí)之間，甚至比噪聲還要?。?－5］。一般的線性放大器在獲取傳感線圈信號(hào)的同時(shí)，引入了大量的噪聲，加大了后續(xù)濾波電路和檢波電路的設(shè)計(jì)難度，降低了系統(tǒng)測(cè)量的精度。

鎖相放大器LIA(Lock－In Amplifier)已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用在不同的領(lǐng)域［6－9］，如激光的微信號(hào)檢測(cè)［8］，氣體的痕量檢測(cè)［9］和便攜式傳感器的微信號(hào)檢測(cè)［6－7］等等，本文采用了ADI公司推出的同步解調(diào)器AD630設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)微弱生理信號(hào)的模塊。該模塊基于鎖相放大電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行高精度測(cè)量的原理［10－12］，由鎖相放大器對(duì)被呼吸運(yùn)動(dòng)調(diào)制的傳感信號(hào)進(jìn)行同步檢波。本電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)線性度高，適合用于檢測(cè)伴有強(qiáng)噪聲的生理信號(hào)。

1 RIP系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)框架

本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的基于RIP技術(shù)的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了CPLD芯片，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC(Digital to Analog Converter)，低通濾波器、壓控恒流源電路、鎖相放大器、自動(dòng)增益控制電路AGC (Automatic Gain Control)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(Analog to Digital Converter)、串口通信等部分組成。系統(tǒng)的工作過程如下:CPLD與DAC構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)375 kHz的正弦信號(hào)，經(jīng)低通濾波器后將信號(hào)分別送入壓控恒流源電路和鎖相放大器參考信號(hào)端。恒流源電路輸出的電流激勵(lì)電感線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓;感應(yīng)電壓經(jīng)呼吸運(yùn)動(dòng)調(diào)制后通過前置放大進(jìn)入鎖相放大電路輸入信號(hào)端。鎖相放大器后接低通濾波器，分離出直流分量，并通過自動(dòng)增益控制電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。用16 bit A/D轉(zhuǎn)換電路采集直流分量，并通過RS232的串口將信號(hào)送到PC端。本文針對(duì)RIP技術(shù)測(cè)量呼吸參數(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種鎖相放大模塊，該模塊大大地抑制了噪聲對(duì)信號(hào)的影響，提高了系統(tǒng)測(cè)量的精度。

圖1 RIP呼吸測(cè)量系統(tǒng)總框圖

1.2 AD630鎖相放大電路

本文設(shè)計(jì)的基于AD630鎖相放大電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由參考信號(hào)通道、輸入信號(hào)通道、相敏檢波通道和低通濾波器組成。在RIP呼吸測(cè)量系統(tǒng)中，傳感線圈經(jīng)恒流源激勵(lì)后產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號(hào)會(huì)被呼吸運(yùn)動(dòng)調(diào)制，這個(gè)調(diào)制信號(hào)通過前置放大和電壓跟隨器進(jìn)入鎖相放大器的輸入信號(hào)端。同時(shí)，恒流源電路中的八階巴特沃斯低通濾波器的輸出信號(hào)經(jīng)直流隔離電路后進(jìn)入鎖相放大器的參考信號(hào)端。

本文設(shè)計(jì)的鎖相放大器采用了同步解調(diào)器AD630作為核心，其輸出信號(hào)Uo是輸入信號(hào)Vs和參考信號(hào)Vf的乘積。

圖2 鎖相放大電路結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)輸入信號(hào)為Vs(t)，角頻率設(shè)為ω1，初相位設(shè)為φ1，幅值設(shè)為A1，由于輸入信號(hào)是經(jīng)呼吸運(yùn)動(dòng)調(diào)制后的信號(hào)，設(shè)其所含的調(diào)制信號(hào)為sinα，調(diào)制系數(shù)為α，則輸入信號(hào)可表示為:

參考信號(hào)設(shè)為Vf(t)，參考信號(hào)與輸入信號(hào)具有相同的頻率，可表示為

輸入信號(hào)Vs(t)與參考信號(hào)Vf(t)在同步解調(diào)器AD630相乘后經(jīng)輸出濾波器濾除2ω1成分，得到的檢波輸出信號(hào)為:

當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，cosφe∞≈1，乘法器輸出的直流成分Adcosφe∞約等于Ad，它與輸入信號(hào)載波振幅A1成正比。因此，利用低通濾波器將這個(gè)直流成分提取出來，即實(shí)現(xiàn)了鎖相放大電路的同步檢波功能。采用本文設(shè)計(jì)的鎖相放大電路對(duì)電感線圈的感應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行同步檢波處理，不僅避免了一般包絡(luò)檢波器檢波弱信號(hào)時(shí)門限電平高、檢波效率低和失真大等問題，還大大降低了噪聲對(duì)電感線圈信號(hào)的影響，提高了系統(tǒng)測(cè)量的精度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 鎖相放大器的線性性能

同步解調(diào)器作為鎖相放大電路的核心，它的線性度決定了整個(gè)RIP呼吸測(cè)量系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力。并且經(jīng)測(cè)量，恒流源電路與其負(fù)載電阻產(chǎn)生的信號(hào)為正弦信號(hào)，頻率為375 kHz。為了檢測(cè)本設(shè)計(jì)的線性度，實(shí)驗(yàn)采用了ATANA公司生產(chǎn)的AT3020信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)頻率為375 kHz，與恒流源感應(yīng)電壓信號(hào)的頻率基本一致(誤差為0.7%，誤差對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)影響很小，可忽略不計(jì))，幅值為1.2 V的正弦信號(hào)作為鎖相放大電路的參考信號(hào)Vf。

在圖3中，A代表鎖相放大電路的輸入信號(hào)，單位為mV，B代表電路中低通濾波的輸出信號(hào)，單位為mV。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖(3)所示，只改變輸入信號(hào)的幅值大小，并用示波器測(cè)量低通濾波器的輸出信號(hào)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，低通濾波的輸出與輸入信號(hào)的相關(guān)系數(shù)R=0.9696，P＜0.001。說明本文所涉及的鎖相放大電路具有穩(wěn)定的線性度，適合用于檢測(cè)弱信號(hào)。

圖3 鎖相放大器的線性度

2.2 鎖相放大器降噪能力檢測(cè)

為了檢測(cè)鎖相放大器降低噪聲的能力，實(shí)驗(yàn)采用了ATANA公司生產(chǎn)的信號(hào)發(fā)生器AT3020產(chǎn)生一個(gè)頻率為375 kHz，幅值為1 V的正弦信號(hào)作為鎖相放大電路的參考信號(hào)Vf(t)。在RIP呼吸測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器的電感線圈經(jīng)恒流源激勵(lì)后產(chǎn)生的感應(yīng)電壓會(huì)被呼吸運(yùn)動(dòng)所調(diào)制，本文取調(diào)制后的信號(hào)為Vs(t)，如圖4(c)(圖中下半部的信號(hào))所示。將參考信號(hào)與輸入信號(hào)與鎖相放大電路連接后，用示波器觀察電路的輸出波形。

圖4(a)所示為傳感器經(jīng)恒流源激勵(lì)的感生電壓信號(hào)，即鎖相放大器的輸入信號(hào)的頻譜，圖4(b)為鎖相放大器的輸出信號(hào)(未進(jìn)入低通濾波器前的信號(hào))頻譜圖。從圖中可以看出，信號(hào)的噪聲明顯地被削弱了。雖然圖4(b)中引入了一些高頻信號(hào)，根據(jù)鎖相放大原理，這些高頻信號(hào)都是輸入信號(hào)的倍頻信號(hào)。為了獲得輸出信號(hào)的直流分量，在鎖相放大器后置一個(gè)合適的低通濾波器，進(jìn)一步降低倍頻信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響，如圖4(c)、4(d)。

圖4 鎖相放大器的輸入輸出信號(hào)

3 結(jié)論

本文提出了一種微弱感應(yīng)電壓信號(hào)檢測(cè)模塊，該模塊基于AD630的鎖相放大器而設(shè)計(jì)，選取與傳感器感應(yīng)電壓信號(hào)的頻率和相位基本相同的濾波信號(hào)作為鎖相放大電路的參考電壓。經(jīng)測(cè)試，該模塊的穩(wěn)定性高，線性度的相關(guān)系數(shù)大于0.9696，重復(fù)性好，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出RIP呼吸測(cè)量系統(tǒng)中微弱感應(yīng)電壓信號(hào)的變化，精度較高，大大降低了噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，提高了RIP呼吸測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度和信號(hào)檢測(cè)能力，有望運(yùn)用于其他生理微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域。

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黃增躍(1988－)，男，廣東人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄茚t(yī)療儀器設(shè)計(jì)、醫(yī)療設(shè)備計(jì)量與質(zhì)量控制，wanilala@163.com;

姬軍(1970－)，男，北京人，副主任技師，碩士研究生導(dǎo)師，2006年于第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系獲博士學(xué)位，主要從事生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理、智能醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)、醫(yī)療設(shè)備計(jì)量與質(zhì)量控制等方面工作，kx68@163.com。

呼吸感應(yīng)體積描記系統(tǒng)中弱信號(hào)鎖相放大模塊的設(shè)計(jì)*

黃增躍1，姬軍1，2*，王云龍2，袁青2

(1.南方醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，廣州510515;2.解放軍第305醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，北京100017)

在呼吸感應(yīng)體積描記呼吸測(cè)量系統(tǒng)中，需要測(cè)量nV～μV級(jí)的微弱感生電壓信號(hào)，而且在測(cè)量過程中，做為傳感器的電感線圈容易受到測(cè)量環(huán)境，呼吸運(yùn)動(dòng)以外的其他運(yùn)動(dòng)和電子噪聲等影響。為適應(yīng)系統(tǒng)測(cè)量范圍并降低噪聲的影響，設(shè)計(jì)了一種基于AD630鎖相放大電路微弱生理信號(hào)檢測(cè)模塊。該模塊的鎖相放大器具有大于0.96的良好線性度，能檢測(cè)出傳感器的感生電壓信號(hào)，并分離出直流分量，有效地降低噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)測(cè)量的精度，并有望應(yīng)用于其他微弱生理信號(hào)檢測(cè)。

呼吸感性體積描記;微弱感生電壓;鎖相放大電路

TP212.3

A

1004－1699(2014)01－0017－04

2013－08－12修改日期:2013－12－05

C:7230J

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.004

項(xiàng)目來源:首都醫(yī)學(xué)發(fā)展基金項(xiàng)目(2007－3038)