基于A(yíng)D5933的高精度生物阻抗測量方法*

高精度電阻校準

　　AD5933將同相分量Uo1，正交分量Uo2作為結果輸出，在理想情況下，不考慮放大器等電路引起的幅值和相位的變化，利用解調后同相和正交分量Uo1，Uo2結合激勵信號的幅值，參比電阻的值就可以計算出阻抗的幅值和相位信息，如下式所示。

　　但是實(shí)際情況下，由于放大器等電路引起的幅值B和相位a的變化，測量得到的同相和正交分量為，，利用這兩個(gè)結果通過(guò)計算得到的幅值和相位分別為
，，顯然存在系統誤差。為了消除系統誤差，本文通過(guò)測量精密電阻來(lái)校準被測電阻。假設測量精密電阻得到輸出值分別為，其中CX為校準電阻的電導值，精密電阻為純電阻不引起相位變化。同理計算校準電阻的幅值和相位得到的計算值為，。由此利用測量計算值進(jìn)行比較可得被測電阻的準確值，。
由此可見(jiàn)，只要合理的選擇校準點(diǎn)和校準點(diǎn)之間的間隔，通過(guò)校準可以去除由于放大器等電路引起的幅值和相位系統誤差，得到一個(gè)高精度的測量結果，這種計算的方法，由于測量條件完全相同，使得系統誤差完全抵消，相比之下比基于A(yíng)D8302的生物阻抗頻譜測量?jì)x的研制[3]一文和基于虛參考點(diǎn)的生物阻抗測量方法一文提出的方法，對校準電阻和待測電阻采用兩路電路分別測量，將很難保證兩路的對稱(chēng)性，對精度的提高有限。

非線(xiàn)性補償

　　如上所述，使用本系統對一組不同阻值的標準電阻進(jìn)行測量，得到測量模塊輸出的解調結果，建立解調結果與實(shí)際阻值的對應關(guān)系，利用此對應關(guān)系可以通過(guò)查表或差值的辦法，通過(guò)解調結果計算待測電阻的阻值，進(jìn)一步補償誤差提高精度，這就是對系統的非線(xiàn)性補償。對于控制器而言查表方法占用存儲空間，而復雜的插值影響速度。本系統利用單片機作為控制器，在有限的存儲空間和運算速度的條件下，采用分段線(xiàn)性插值的方法實(shí)現非線(xiàn)性補償。

　　實(shí)施方法為：首先將系統測量一組標準電阻，得到的一組輸出值，將輸出值轉換成幅值并與實(shí)際阻值一一對應的存入一組表格。當系統進(jìn)行實(shí)際測量時(shí)，將實(shí)測阻抗值換算成實(shí)測幅值，即DX，查表找到DX對應的幅值所在表格的區間，在這個(gè)區間上做線(xiàn)性擬合，計算出實(shí)測阻抗的幅值，并返回輸出。

　　在某個(gè)激勵頻率下，測量純電阻網(wǎng)絡(luò )時(shí)，目標內部的容性成分可以被忽略，此時(shí)，系統測量到的相角，主要由系統相移構成。將對應檢測到的相角作為相位補償值，即可通過(guò)加減運算對實(shí)測相位進(jìn)行補償。

　　在不同放大倍數、不同激勵頻率下執行上述表格生成和相位補償的測量，就可以得到一系列表格和相位補償值。實(shí)際測量過(guò)程中，根據放大倍數和激勵頻率選擇相應的表格和相位補償值，進(jìn)行電阻抗值的計算和補償，即可進(jìn)一步提高系統的精度。

結果

　　筆者利用現有系統測量了一組由變阻箱產(chǎn)生的純電阻，實(shí)測結果和電阻理論值以及相對誤差列在表1中。測量條件為：測量電阻在1k到10k之間，激勵頻率50kHz，激勵幅值1V。

表1  實(shí)測數據

結論

　　本文采用的阻抗測量芯片AD5933，是一款具有很高的集成度的片上系統，片上集成了DDS、12位的ADC和實(shí)現DFT算法的DSP，作為一個(gè)片上系統本身就具有抗外界噪聲干擾和簡(jiǎn)化測量電路的優(yōu)點(diǎn)。而且這款芯片從測量原理、解調原理、添加校準點(diǎn)等方面提高了精度，芯片本身的設計符合了設計高精度測量系統的基本要求。最后筆者通過(guò)分段線(xiàn)性差值的方法，利用單片機控制器的有限資源，進(jìn)一步提高了系統的精度。并且通過(guò)本文所述四個(gè)部分的有機結合，有效降低了對電流源和參比電阻精度的要求，提高了系統的工藝性。最終實(shí)現了一種高精度，工藝性好，電路簡(jiǎn)單的高性能阻抗測量的方法。

參考文獻：
1.  董秀珍，生物電阻抗技術(shù)研究進(jìn)展，中國醫學(xué)物理學(xué)雜志，2004，21(6)：311~317
2.  王超、王湘崳、孫宏軍等，用于生物阻抗測量的雙反饋電流源研究，生物醫學(xué)工程學(xué)雜志，2006，23(04)：304~307
3.  楊宇祥、王玨、牛飛龍等，基于A(yíng)D8302的生物阻抗頻譜測量?jì)x的研制，儀器儀表學(xué)報，2006，27(06)：168~170
4.  王超、王化祥，基于虛參考點(diǎn)的生物阻抗測量方法，天津大學(xué)學(xué)報，2005,38(04)：352~355
5.  霍旭陽(yáng)、尤富生、史學(xué)濤等，一種高精度生物電阻抗測量系統的設計，儀器儀表學(xué)報，2007，28(06)：994~998
6.  周黎明、楊玉星、袁世英等，基于坐標變換迭代擬合法的生物電阻抗模型參數提取方法研究，生物醫學(xué)工程學(xué)雜志，2006，23(01)：56~59