用于生物電阻抗檢測(cè)的恒流源電路研究

寧可慶，尹曉亮

（北方工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100043）

0 引 言

關(guān)于生物電阻抗檢測(cè)技術(shù)利用人體組織的電特性與變化規(guī)律提取人體成分進(jìn)行檢測(cè)技術(shù)，常用于減肥效果的監(jiān)測(cè)[1-3]。在測(cè)量人體生物電阻抗的過(guò)程中，為了研究人體在不同頻率下的阻抗值，需要設(shè)計(jì)恒流源電路向人體施加1 kHz～1 MHz的正弦交流電流信號(hào)，再對(duì)人體反射回的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)分析電壓的變化來(lái)得到阻抗變化值[4,5]。其中，恒流源電路的核心是壓控電流源電路的設(shè)計(jì)，其功能是提供直接作用于人體的電流激勵(lì)信號(hào)。對(duì)于接觸式檢測(cè)方式而言，電極與人體之間存在復(fù)雜多變的接觸阻抗且阻抗值通常較大，同時(shí)輸出端易產(chǎn)生直流分量，這使得檢測(cè)結(jié)果易存在較大誤差，甚至影響到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)和人體的安全[6]。在檢測(cè)過(guò)程中，恒流源的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和安全性在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和團(tuán)隊(duì)對(duì)恒流源進(jìn)行了深入分析和研究，其中Howland電流源是生物電阻抗檢測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的電流源[7]。早期的Howland電流源電路如圖1所示。

圖1 Howland電流源電路

作為一個(gè)理想電流源，其輸出阻抗應(yīng)為∞。當(dāng)4個(gè)電阻構(gòu)成平衡電橋時(shí)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系為

則輸出電流為

由此可以看出，當(dāng)電路電阻滿足平衡電橋條件時(shí)，輸出電流與負(fù)載無(wú)關(guān)[8]。但早期的電路模型存在較大的不足，易產(chǎn)生非線性失真[9]。為了穩(wěn)定放大倍數(shù)，減小放大電路的非線性失真，并擴(kuò)展放大電路的通頻帶，專家與學(xué)者們對(duì)Howland電路進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，在電路中加入了電壓跟隨器[10-13]。改進(jìn)的Howland電路如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的Howland電路

Howland電路在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)匹配電阻的要求極其復(fù)雜，易產(chǎn)生誤差，不利于高頻條件下小信號(hào)的檢測(cè)。為了研究具有更好恒流特性且更適用于生物電阻抗檢測(cè)的恒流源，基于在電路中加入電壓跟隨器可以起到緩沖、隔離和提高帶載能力的作用的原理，對(duì)恒流源電路進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

1 恒流源設(shè)計(jì)方法

基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesis，DDS）信號(hào)發(fā)生器，所產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)被高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，ADC）模塊轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)后接到壓控電流源電路上，最終輸出電流信號(hào)。由于設(shè)計(jì)壓控電流源電路時(shí)，通過(guò)電阻搭建平衡橋的方式對(duì)電阻值要求較高，不利于實(shí)際電路的調(diào)試，因此采用多運(yùn)算放大器搭建壓控電流源電路。恒流源的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 恒流源結(jié)構(gòu)

由于人體能接受的安全電流范圍不超過(guò)5 mA，因此在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中必須要求輸出電流在5 mA以下，這樣才可以安全施加于人體。選用AD8130差分接收放大器，其采用有源反饋結(jié)構(gòu)，工作在2 MHz頻率下的共模抑制比最小為80 dB、帶寬為270 MHz、擺率為 1 090 V/μs，具有非常優(yōu)秀的性能。

多運(yùn)放型電壓控電流源電路如圖4所示。

圖4 多運(yùn)放型電壓控電流源電路

該電路以AD8130為核心，再加上2個(gè)AD8066和一些電容電阻搭建而成。由于人體阻抗測(cè)量系統(tǒng)的恒流源工作在正弦交流電壓下，因此為電路的輸出端和輸入端增加了電容C7和C8，R14為運(yùn)算放大器提供了偏置電流通道，C6是前饋的補(bǔ)償電容，R11則是決定電壓控制電流源中電流值大小的增益電阻。U2A采用AD8066運(yùn)算放大器，具有極高的輸入阻抗，組成反饋端的緩沖器，防止反饋電路及其輸出電路分流。U2B運(yùn)算放大器及其周圍的元件為直流電壓補(bǔ)償回路，其目的是穩(wěn)定電路中的直流工作點(diǎn)。

設(shè)輸入電壓為Ui、負(fù)載阻抗為RL，電路中的運(yùn)算放大器均處于理想工作狀態(tài)，根據(jù)AD8130的特性可以得出TP1的電壓與TP4點(diǎn)的電壓之和為TP2點(diǎn)電壓，由運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”特性可知TP4點(diǎn)的電壓等于TP3點(diǎn)的電壓，R1兩端的電壓U1=U2-U3=U2-U4=Ui，則i0=Ui/R1，即R1為該電壓控制電流源的增益電阻，輸出電流的大小與負(fù)載無(wú)關(guān)。由于本文所選用的激勵(lì)源為-4～+4 V的正弦交流電壓，出于安全考慮，輸出電流值不得超過(guò)1 mA，因此R1的值必須在 2 828 Ω 以上。

2 結(jié)果比較

具體實(shí)驗(yàn)中，采用NI Multisim軟件對(duì)電壓控電流源電路的恒流源特性進(jìn)行仿真。NI Multisim軟件是一款專門用于電子電路仿真與設(shè)計(jì)的EDA軟件，以SPICE3F5和Xspice內(nèi)核作為仿真引擎，與其他仿真軟件相比具有更高的可靠性和更強(qiáng)大的仿真研究能力[14-17]。

2.1 壓控電流源電路的性能測(cè)試

2.1.1 線性度

所謂線性度，指實(shí)際輸入-輸出特性曲線和理想輸入-輸出特性曲線的接近與偏離程度。高線性度的壓控電流源電路能夠更加準(zhǔn)確地控制輸出電流值，避免因電流輸出過(guò)大而對(duì)人體造成傷害，并且可以使后期計(jì)算出的人體阻抗值更加準(zhǔn)確[18-20]。

為了測(cè)量電路的線性度，分別在電壓輸入端加入幅值為4～12 V、頻率為100 kHz的正弦交流電壓信號(hào)，增益電阻值為4 kΩ。通過(guò)測(cè)量輸出電流的值，與理想狀態(tài)下計(jì)算出的輸出電流值進(jìn)行比較。當(dāng)輸入電壓幅值在4～12 V變化時(shí)，電路輸出電流的理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

根據(jù)表1，輸出電流的理論值和實(shí)際值誤差較小，誤差率均在2.8%以下，滿足作為測(cè)量人體阻抗的恒流源的要求。

2.1.2 輸出阻抗

在測(cè)量人體阻抗過(guò)程中，電極與皮膚之間存在接觸阻抗，而接觸阻抗有時(shí)會(huì)影響到測(cè)量精度。為了消除接觸阻抗的影響，壓控電流源電路應(yīng)盡可能大地提高電路的輸出阻抗值。壓控電流源測(cè)量人體阻抗的原理如圖5所示，其中R1為電路的輸出阻抗、R2為模擬人體阻抗。

圖5 壓控電流源測(cè)量人體阻抗原理

在其他條件不變的情況下，改變R2的值并記為R′2，則系統(tǒng)工作電流IS1和IS2為

由于電路的輸出阻抗遠(yuǎn)大于人體阻抗，因此IS1和IS2相等，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)關(guān)系為

則輸出阻抗為

在不同增益電阻下分別測(cè)試了壓控電流源輸出阻抗值隨系統(tǒng)工作頻率變化的情況，并將結(jié)果繪制成輸出阻抗-頻率變化曲線，如圖6所示。

圖6 輸出阻抗-工作頻率變化曲線

由圖6可知，改進(jìn)后的電路輸出阻抗隨著工作頻率的升高而降低。對(duì)于不同的增益電阻值，其阻抗變化趨勢(shì)也有很大區(qū)別。當(dāng)增益電阻為4 kΩ時(shí)，輸出阻抗隨頻率的下降程度較為緩慢。

3 結(jié) 論

以AD8130差分接收放大器為核心構(gòu)建電路，加入輸入阻抗極高的AD8066運(yùn)算放大器來(lái)增加AD8130差分接收放大器輸入引腳的輸入阻抗，避免電流分流，同時(shí)運(yùn)用積分電路穩(wěn)定直流工作點(diǎn)有效避免人體細(xì)胞間的極化現(xiàn)象。在輸出端加入屏蔽驅(qū)動(dòng)電路，提高電路的抗干擾能力。為了驗(yàn)證壓控電流源電路的恒流特性，對(duì)電路輸入端施加不同幅值的交流電壓，并且記錄輸出電流值，將其與理論值進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)證明，基于AD8130組成的電壓控電流源電路線性度誤差小于0.4%，可以用于生物電阻抗檢測(cè)領(lǐng)域。