电阻抗成像系统信号源的设计与实现

由图 1 可知 , DDS 主要由相位累加器、 相位调制器、 正 弦波数据查找表( ROM) 、 D/ A 转换器等 5 部分组成, 其中 相位累加器是核心部分。 1. 2 DDS 的实现 本系统使用 Analog Devices 公 司的 DDS 集成芯 片 A D9851。它可以产生一个频率和相位可控的稳定度非常 高的正弦波。该芯片在基准时钟、 频率转化字的控制下产 生频率和相位确定的模拟正弦信号 [ 6] 。数学表达式如下 : f OUT = ( Phase SystemClock) / 232 ( 1) 式中: Phase 是 32 bit 的频率控制字, 可通过 AD9851 的 并行接口或者串行接口送入内部寄存器。 Sy stem Clock 是 基准时钟的频率 ( M H z) , f OUT 是输 出正弦信 号的频 率 ( M H z) 。 在电路中使能 AD9851 的 6 倍频 , 由于外部晶体为 30 M H z, 所以内部时钟为 180 M H z。假设要求得到的输出频 率 f OUT = 100 kH z, 那么频率控制字由式( 1) 可得: 232 f OUT = 23. 861 100 000= 2 386 100 Phase = Syst emC lock ( 2) 转换为 2 进制控制字 , Phase = 100100, 01101000, 10110100。图 2 为硬件接口示意图。
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Io = 1+
( A + A c ) R4 Vi R 3 + R4 R1 (A 2 - A 2 A + A2 c) c R3R ( R 5 + R) ( R1 + R 2 ) ( A - A c + 1) (R 3 + R 4 ) (A - A c + 1)
( 5)
图5
ad829 实现的三运放 VCCS 中国科 技核心期刊
Design and implementation of bio electrical impedance tomography system source
Chen Xiaoyan Xiong Wei
( College of Electr onic I nfor mation and A uto mation, T ianjin U niversity of Science & T echnolog y, T ianjin 300222, China)
收稿日期 : 2010 10
[ ห้องสมุดไป่ตู้] [ 1]
1 正弦电压源
1. 1 DDS 的工作原理 正弦信号源采用直接数字合成( DDS) 技术, 即以一定 频率连续从 EPROM 中读取正弦信号采样数据, 经 D/ A 转换并滤波后产生 EIT 所需的正弦信号, 其原理框图如 图 1 所示。它具有成本低、 电路简单、 便于控制、 分辨率
Abstract: Th is paper proposes a met hod for the s ignal source of biomedical electrical im pedance tom ography system. Sine volt age signal is generated through using direct digital synt hesis ( DDS ) t echnology, and it is converted into excitat ion current signal through three op amp volt age cont rolled current source ( VCCS ) circuit . S imulat ion and experim ental results show t hat: the signal source not only has advantages of w aveform dist ortion, am plitude st abilit y, and the adjustable frequency, amplit ude, phase, etc, but also has a high stability and big out put im pedance in t he range 0~ 70 M H z. It is an ideal signal source for biom edical im pedance imaging system . Keywords: EIT; signal source; DDS; VCCS
图3 A D9851 流程图
DDS 信号源必须要求结合低通滤波器来使用的 , 所 以本文设计 AD9851 产生的交流信号经过 70 M H z 的 LC 低通滤波器滤除噪声后才能用作激励源。该滤波器设计 简单、 使用方便、 成本低廉。
2 VCCS 的设计
考虑人体所能接受的安全电流范围及电极与皮肤之
2011 年 1 月
应 用 天 地
第 30 卷 第 1 期
生物医学电阻抗成像系统信号源的设计与实现
陈晓艳 熊 伟
天津 300222) ( 天津科技大学电子信息与自动化学院
摘 要 : 提出一种生物医学电阻抗成像系统的 信号源设计和实现的 方法。利用直 接数字合成 技术 ( DDS) 产 生正弦电 压信号 , 并将其经三运放电压控制电流源 ( V CCS) 电路转换成为生物电阻抗激励所需电流 信号。仿真与 实验结果表 明 : 信 号源具有波 形失真小、 幅值稳定 , 且频率、 幅值、 相位可调等优点 , 而 且在 0~ 70 M H z 测试 范围内具有较高的稳定度和输出阻抗 , 是较理想 的生物医学电阻抗成像系统信号源。 关键词 : 电阻抗成像 ; 信号源 ; 直接数字合成技术 ; 电压控制电流源 中图分类号 : T P29 文献标识码 : A
0 引
言
的功能[ 4] 。因此, 生物医学电阻抗成像技术中信号源的质 量是影响成像效果的关键因素之一, 设计和实现高品质的 信号源是生物医学电阻抗十分重要的环节。 本文提出由正弦电压源和电压控制电流源( VCCS) 两 部分设计实现生物医学电阻抗成像系统的信号源。正弦 电压源是利用直接数字合成技术 ( DDS) 产生 EIT 数据采 集系统需要的正弦电压信号; VCCS 是由三运放组成 , 通 过在反馈回路中加入输入阻抗极高的电压跟随器来降低 反馈电流, 从而保证恒流源有较高的输出阻抗。
M AX
其等效输出阻抗 Ro 为: Ro = ( A - A ) R1 R5 (R 1 + R2 )( A - A c + 1) (A + A c )R 3 (A - A c) R 1 A + Ac - 1 R3 + R 4 R1 + R 2 A - Ac+ 1 R5 + ( 6) 2. 2 VCCS 电路仿真 由于设计的三运放电路应具有较高的开环增益[ 9] , 所 以 设 计 中 采 用 Analog Devices 公 司 的 增 益 带 宽 为 120 MH z 的运放 AD829 来实现 VCCS 电路 , 如图 5 所示。 利用 Multisim 10. 0 电路仿真软件 , 输入幅值为 10 V, 频率 50 kH z 信号, 虚拟示波器输出仿真结果如图 6 所示。
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应 用 天 地
单运放 VCCS、 双运放 VCCS、 镜像 VCCS 等, 但它们都一 定程度上存在不稳定的问题。 单运放组成的 VCCS 电路结构简单, 但对运放的开环 增益要求很高, 外接电阻匹配程度的要求严格, 而且随着 负载增大, 输出的非线性增大。 双运放 VCCS 不能消除电路中的直流信号, 这将导致 生物体中产生极化现象 , 影响测量的准确度, 虽然可在输出 端串联一个隔直电容进行改善[ 7] , 但又会引起饱和问题。 2. 1 三运放 VCCS 的工作原理 为了克服单运放 VCCS 电路线性度差的缺点和双运 放不能消除直流信号的缺点, 在反馈回路中加入了输入阻 抗极高的电压跟随器来降低反馈电流, 组成了一个三运放 的转换电路。该电路对运放的共模抑制比( CM RR) 要求 不高, 输出线性度较高。 如图 4 所示。 当运放工作在理想状态时 , 输入电压为 V , 负载阻抗 为 R , 其输出电流 I 为: R4 V R3 + R4 I = ( 3) R1 R3 R1 R5 R+ R1 + R 2 R3 + R 4 R 1 + R2 R1 R3 当 = 0, 即 R 1 R4 = R 3 R 2 时, R 1 + R2 R 3 + R4 R4 I = V ( 4) R 3R 5
图4
第 30 卷 第 1 期
三运放电压控制电流源电路
可知在 R 3 = R 4 的条件下, 输出电流 I 的大小由输入 电压 V 和采样电阻 R 5 来调节。 在实际电路中, 令 R1 = R2 = R3 = R4 , 通过调节 R5 的 大小来控制电流 I 的大小。 VCCS 采用可变电阻作为采样 电阻 , 设计恒流源电流变化范围是 0. 5 ~ 5 mA( 安全电流 小于 5 m A) 。 由此可知, R1 、 R2 、 R 3、 R4 的匹配程度会影响 恒流源的精度 。 在非理想条件下 , 忽略运放输入偏置电流的情况下 , 设 A 为运放的开环差模增益 , A c 为运放的开环共模增益 的 1/ 2。 其输出电流的一般方程为 :
图2 硬件接口示意图
本文采用单片机 mega16 作为微处理器 , 对 40 bit 的 控制字 ( 32 bit 的频率控制字和 5 bit 的相位控制字和 3 bit 芯片工作方式控制字) 串行写入, 单片机对 A D9851 信号 发生器的控制流程如图 3 所示。
间的接触阻抗等因素 , 本文设计最大输出幅值为 5 mA 的电流源。 理想的电流源必须有无限高的输出电阻 , 才能保证输 出电流与负载电压之间的独立性 , 然而实际的电流源 , 其 [ 6] 输出阻抗都是有限的 。目前电压控制电流源 ( VCCS) 有