用Microchip智能傳感器方案構建高性能的生物電信號

　　自1903年愛(ài)因多芬發(fā)明了心電圖儀，百年來(lái)隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人們開(kāi)發(fā)了大量行之有效的方法來(lái)采集和分析心電（ECG），腦電（EEG），肌電（EMG），胃電（EGG）等人體生物電信號，為醫生的診斷提供了大量有意義的參考數據。

　　在這些生物電信號采集分析系統中，信號的隔離設計必不可少，它一方面能夠防止被測人員觸電[1]。另一方面切斷了系統前后端的電氣連接，降低電磁干擾對信號的影響[1][3]。但是目前的生物信號系統中往往采用成本高，耗電多，體積大的傳統的模擬隔離的方法，造成相關(guān)儀器成本高，無(wú)法便攜化和家用化。

　　本文闡述了一種用Microchip智能傳感器解決方案，將具有信號處理能力和模擬功能的DSC器件放在隔離前端的模塊內，在模塊內的隔離系統之前對模擬信號進(jìn)行數字處理（包括采樣和濾波處理），變傳統的隔離模擬信號為隔離數字信號的方法。這種方法具有以下優(yōu)勢：

　　1、 隔離電路不再傳遞容易失真的模擬信號，改為傳遞抗噪性能較強的數字信號，且縮短了模擬信號傳遞的路徑，可以大大提高生物電信號采集系統的信噪比。

　　2、 由于將具有數字信號處理能力的器件放在隔離前端，系統用過(guò)采樣和數字濾波的方法取代模擬低通濾波器和工頻陷波器，降低了電路的復雜程度、功耗和成本。

　　3、 在多路采集系統中傳統方法需要和信號路數相同的模擬隔離電路，而采用智能傳感器方案則只需一個(gè)數字隔離通道。成倍的降低了功耗和成本。

　　4、 采用數字隔離電路，降低所需電壓和電流，實(shí)現便攜化并降低了成本。

　　5、 無(wú)需主計算機系統干預信號的采樣和濾波過(guò)程，分擔了中央處理器的工作負擔，降低了軟件開(kāi)發(fā)的總體難度。

　　6、 數字隔離方法省去了過(guò)去系統人工挑選配對光耦和調整工作點(diǎn)的過(guò)程，節約了大量的人力，適于批量生產(chǎn)。

　　傳統設計方法

　　傳統生物電信號采集系統一般具有如圖1所示的結構。

圖1 傳統生物電信號采集系統框圖

　　其中的模擬隔離放大器通常采用圖2所示電路，由普通數字光耦構成。

圖2利用兩只光耦的一致性構成的模擬隔離放大器

　　光耦VT1和VT2是經(jīng)過(guò)人工挑選，電流傳輸比一致性較好的普通光耦。這樣生產(chǎn)者不但需用人工從一批光耦中尋找電流傳輸比接近的兩只配對使用。另外，由于很難找到兩只電流傳輸比在整個(gè)工作范圍都相等的普通光耦，不一樣的電流傳輸比，將帶來(lái)信號協(xié)波失真。該方法還需要高達正負10V以上的電源電壓為模擬電路供電，極不利于產(chǎn)品向低電壓，低功耗和電池供電的便攜化方向發(fā)展。

　　如果采用各大公司生產(chǎn)的集成模擬隔離放大器（如AD20，ISO124[1] [4]）能夠有效降低信號的協(xié)波失真。但由于這類(lèi)器件往往采用高頻調制的方法實(shí)現隔離，內部結構復雜，成本很高，且需要較高的正負雙電源電壓供電，增大了系統的總功耗；另外為了防止高頻調制信號造成結果的混疊現象，必須在這類(lèi)隔離放大器之后增加模擬有源低通濾波器濾波。

　　綜上，開(kāi)發(fā)一種能夠同時(shí)解決失真度和功耗問(wèn)題的隔離方法是下一代的便攜式生物電信號儀器的必然要求。

　　基于數字隔離的生物電信號采集模塊

　　總體設計思路

　　本文提出圖3所示的，采用隔離數字信號的方法代替隔離模擬信號的方法。將具有模數轉換功能和數字信號處理能力的DSC放到隔離前端，直接對模擬信號采樣和進(jìn)行數字濾波，再傳遞經(jīng)過(guò)處理的數字信號的方法。

圖3 基于DSC和數字隔離的新型生物電信號采集系統