电阻抗层析成像测量电路参数优化仿真研究

E ＯＣＣＵＰＡＴＩＯＮ
129
2012 04
实践与探索
XPLORATION
电阻抗层析成像测量电路参数优化仿真研究
文/周丹娜
摘要：本文利用Pspice9.2仿真软件，对ERT信号处理电路进行了仿真，通过对仿真参数的优化，浅析了对电路产生主要影响的参数应如何选取，归纳出优化电路的一般性建议。

关键词：pspice仿真　ERT信号处理电路　参数优化 电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)技术是目前过程检测仪表领域中的新技术。

该技术基于电学敏感原理，采用位于边界处的电极阵列对被检测物场的电阻抗分布信息进行检测，适用于液-气混合或液-固混合场的二维/三维截面信息测量，具有信息量大、非侵入性、成本低、安全性好等特点，可以实现对被测物场分布的在线可视化测量与监控，在生产过程和环境监测等诸多领域存在广泛应用前景，是目前关注和研究的热点。

在EIT系统中，由于电阻抗测量问题是影响电阻抗层析成像系统测量精度和重建图像质量的关键和难点之一，所以对微小电阻抗测量电路的研究是极为重要的。

并且电阻抗层析成像系统要求实时处理数据，对数据处理的速度也有较高的要求。

因此，本文针对EIT系统中电阻抗测量电路及其测量数据处理模块进行研究。

利用Pspice仿真软件输出的直观数据，设计出合理的信号测量电路，并在此基础上进行参数优化，归纳得到EIT系统测量电路参数优化的一般准则，以满足成像系统在不同应用领域的同一要求，实现更灵活的、有效的工业过程自动化监控功能。

一、基于ｐｓｐｉｃｅ的电阻抗层析成像测量电路优化仿真
EIT系统由四个功能模块组成，分别是信号发生模块、电极选通模块、信号测量模块以及数据采集与通信模块。

其中，数据测量模块由前置差分放大、带通滤波器、相敏解调、低通滤波器四个子模块组成。

１．可控增益差分放大
接收电极上测得的信号很小，需要进行适当的放大，同时滤除信号中的噪声，以使后面的测量能得到较好的效果，本文选用芯片AD624完成这一功能，其pspice仿真电路
及参数设置如图1所示。

图1　ERT仿真电路
２．带通滤波
前置放大电路由于芯片内部本身电阻不匹配的问题，会导致共模抑制较理想情况有很大下降，这样会使部分共模信号耦合到输出端，经放大之后叠加在解调电路输出，影响系统精度。

所以在信号解调之前，用窄带带通滤波器滤除噪声。

本文采用集成运放及外围电容、电阻构成的二阶带通滤波器，其pspice仿真电路及参数设置如图2所示。

等效品质因数Q 值是带通滤波的一个重要指标，Q 值越高，滤波器的陡峭系数越高，滤波性能越好，通过仿真发现电容C2与C3是影响滤波效果的关键参数。

图2　二阶带通滤波器仿真
３．相敏解调
前置差分放大电路输出的信号依然是交流信号，无法作为成像数据，因此必须经过相敏解调电路将其转化为直流信号，并经过低通滤波器滤除噪声干扰信号，得到的直流电压信号就可以作为成像数据了。

相敏解调方法可以分为开关解调、乘法解调以及数字解调。

开关解调会产生较大的噪声，且激励源的频率相对
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较低，应用较少；数字解调电路设计复杂，对A/D转换和CPU的要求很高。

因此，本文选用乘法解调的方式来解决问题。

设输入信号V in 与参考信号V r 是频率相同，但相位不同的信号：
V in =A sin （ωt +φ），V r =sin （ωt +θ）,乘法器输出电压为V d =A sin （ωt +φ）sin （ωt +θ）=A [cos （φ-θ）-cos （2ωt +φ-θ）]/2。

经低通滤波器滤掉高频成分后信号变为：V dLFP =A cos （φ-θ）/2。

由上式可知，输入信号与参考信号间的相位差决定了输出电压值的大小，相位差越小，则输出越接近理论值。

因此可以通过采用相位补偿电路来尽可能减小输入端的相位偏差，优化解调输出。

电路中的乘法器选用AD734。

AD734为四象限乘法器，全功率带宽为10MHz，静态精度为0.15%，该芯片无需复杂的参数调节电路，控制灵活。

４．　低通滤波
由于传感器电极的模拟开关在切换的过程中会引入高频的开关噪声，对有用信号造成干扰，影响电路正常工作，因此乘法解调的结果需要送到低通滤波环节，给直流电路滤除干扰，以供A/D采样转换。

低通滤波所用时间占整个数据处理环节的大部分，因此，缩短低通滤波器的稳定时间可以提高整个信号处理模块的实时性。

就滤波效果而言，当然是阶数越高效果越好，但使用更多的储能元件，会增加滤波器稳定的延迟时间。

因此，在力求不影响系统精度的前提下，改善滤波环节的实时性，所以本文选用二阶巴特沃思滤波器。

二、仿真实验及结果
１．差分放大仿真与结果
共模抑制比是差分放大电路的关键指标，在仿真中，差模增益设置为200，将AD624的差模输入端进行短接后，在输入端送入峰值为1V到10V不等的频率为50kHz的信号，测出输出端的电压，根据公式计算发现，随输入共模信号的增加，共模抑制比呈上升趋势，满足电路中要求的60dB 到80dB范围的要求。

２．带通滤波仿真与结果
在不断改变电容C2与C3的条件下，研究它们对带通滤波器幅频特性的影响，通过实验发现，当C2取值470pF附近时，波形最尖锐，Q 值高，通带范围是35kHz～66kHz，满足系统要求。

当C3取值10pF附近时，该窄带带通滤波器的滤波效果最好。

３．相敏解调的仿真结果
实验发现，输入信号与输出信号之间满足二倍频的关系，且输出包含直流成分，证明了该乘法器电路正确可
行。

如果输入信号与参考信号之间有相位差，假设偏差π/2，此时包含有效信息的直流分量被衰减为零。

前文已经提出，可以通过相位补偿的方法，改善解调输出，下面给出一个可行的方案。

图3为相位补偿电路仿真图。

图3　相位补偿电路仿真图
通过调节电容C1的取值，对于同一输入信号，输出信号的相位及幅值有所改变。

４．　低通滤波的仿真结果
实验表明打破低通滤波器输入端电阻的平衡，可以提高输入电阻，减小输出电阻，缩短滤波器的稳定时间，但需要以增益的减小为牺牲。

实验结果详见表1。

表1中电阻单位是Ω，时间单位是μs。

表1
R 3取值输入电阻输出电阻稳定时间状态增益5.1k 1.643E+11 2.729E-04 1.8140平衡2100k 1.653E+11 1.434E-04 1.5799不平衡 1.051500k
1.653E+11 1.378E-04
1.4598
不平衡
1.010
本文利用pspice软件优化仿真EIT系统数据测量模块中的核心电路，通过优化仿真参数，分析仿真结果，归纳出
了此类电路的参数选定一般建议。

参考文献：
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[6]赵昀,黄志尧等.基于神经网络及机理分析的气力输送粉料质量流量软测量[J],仪器仪表学报,2000(4).
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（作者单位：广西大学计算机与信息学院）。