一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器

技术领域

本发明涉及生物医疗电子技术领域，具体为一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器。

背景技术

目前，心电图监测系统、脑电图监测系统以及神经信号记录系统是国内外生物医疗电子领域的一个研究热点。心电信号、脑电信号以及神经信号的记录研究具备广泛的应用价值，其中心电信号对探测心脏生理病理变化具有重大意义，脑电信号和神经信号对探测和诊断神经性疾病，如癫痫等有很高的价值，它们的研究进展对未来神经假体、治愈神经性疾病具有重要意义。对于记录和探测以上所述生物信号的电子系统，高性能的仪表放大器是一个至关重要的模块。

生物电信号分布的频带较低，一般在10kHz以下，且信号的幅值微弱，一般在数微伏到数毫伏之间。比如，脑电信号一般分布在0.5Hz到100Hz之间，幅值一般为1μV到100μV之间；心电信号一般分布在0.5Hz到500Hz之间，幅度为1μV到500μV之间；神经信号一般分为动作电位信号和局部电位信号，频率分别在200Hz到10kHz和0.1Hz到200Hz之间，幅值也一般在数百微伏到数毫伏级别。同时在脑电、心电、神经信号的记录系统中，用于检测信号的电极会因为被周围神经元或者细胞的附着导致输出阻抗高达数千欧姆。由于生物电信号的特性，要求应用于生物信号的仪表放大器要具备低噪声、高共模抑制比、高输入阻抗以及高放大倍数。

现有的常用仪表放大电路分为两种：第一种为普通三运放结构，它的特点是结构简单，应用方便；第二种为斩波运放结构，其特点是结构复杂但是噪音和共模优于普通三运放结构。

但是现有的普通三运放结构的低噪音高共模的仪表价格比较高，主要体现在第三极的匹配电阻要求比较高难以匹配，CMRR(共模抑制比)耐压普遍十几伏到二十几伏电压；与此同时，斩波运放结构应用较多模拟开关、电路复杂、难以集成，较难在应用中实现，同时，CMRR(共模抑制比)耐压普遍十几伏到二十几伏电压。

因此急需发明创造一种通过电荷转移原理实现普通运放就能搭建较高共模比的电路，同时减少原件数量，更易于实际应用实现，减小应用电路体积，降低应用成本，扩展单运放应用在仪表电路空间的生物电信号的仪表放大器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器，通过采用高频斩波，以及增加放大器结构的使用方式，使得本发明达到很小的噪声水平并增加了共模电压，实现耦合斩波放大器输出纹波的消除，使得仪表放大器的输出不受纹波信号的干扰，得到更大的信号摆幅，从而具备减少原件数量，减小应用电路体积的优点，解决了现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器，包括信号放大模块1，所述信号放大模块1接收的微弱生物电信号，进行放大后的阻抗匹配，输出低阻抗信号；

调制电路模块2，所述调制电路模块2对所述低阻抗信号经抗混叠电路处理以用于防止低阻抗信号受高频波干扰，经一次低通滤波电路去除所述低阻抗信号中的高频杂波后调制输出高频斩波信号；

隔离供电模块3，所述隔离供电模块3形成倍压整流电路以用于对所述信号放大模块1以及所述调制电路模块2进行供电；

信号隔离模块4，所述信号隔离模块4用于减少所述隔离供电模块3中的共模电流，且同步接收所述高频斩波信号并输出；

斩波信号模块5，所述斩波信号模块5用于提供电源信号并同步解调所述高频斩波信号；

解调模块6，所述解调模块6用于对信号隔离模块4调制后输出的高频斩波信号进行二次低通滤波形成波动直流电信号并进行输出，

其中，所述调制电路模块2包括电阻R2、电阻R8、电容C11、芯片U3、电容C10以及电容C12，所述电阻R2的第一端连接电容C11的第一端，所述电容C11的第二端连接电阻R8的第一端，电阻R2的第二端连接芯片U3的引脚6，电阻R8的第二端连接芯片U3的引脚4，以用于形成抗混叠电路，所述芯片U3的引脚2连接VCC+，引脚3连接VCC-，所述芯片U3的引脚6连接电容C10的第一端，引脚4连接电容C12的第一端，所述电容C10的第二端连接所述电容C12的第二端以用于与电阻R2、电阻R8以及电容C11形成一次低通滤波电路；

所述隔离供电模块3包括由稳压二极管D1、电容C3以及电容C5组成的倍压整流电路，所述电容C3的第一端连接所述稳压二极管D1的正极后接入VCC-，所述电容C5的第一端连接所述稳压二极管D1的负极后接入VCC+，所述电容C3的第二端连接所述电容C5的第二端，所述稳压二极管D1的负极连接所述芯片U3的引脚1，用于提供此采集电路电源。

作为对本发明中所述一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器的改进，所述信号放大模块1包括由电阻R1、电容C9、电阻R9、以及电容C14组成的RC滤波电路和由第一运算放大器U2A、第二运放大器U2B、电阻R4以及电阻R7组成的放大电路，其中，电阻R1第一端和电阻R9的第一端分别接入生物电信号，电阻R1的第二端分别连接电容C9的第一端和第一运算放大器U2A的同向输入端，电阻R9的第二端分别连接电容C14的第一端和第二运放大器U2B的同向输入端，所述电容C9的第二端和电容C14的第二端分别接地，所述第一运算放大器U2A的反向输入端串联电阻R6后接入第二运放大器U2B的反向输入端，所述电阻R4的第一端连接第一运算放大器U2A的反向输入端，第二端连接第一运算放大器U2A的输出端，所述电阻R7的第一端连接第二运放大器U2B的反向输入端，第二端连接第二运放大器U2B的输出端，所述第一运算放大器U2A的输出端连接所述电阻R2的第一端，所述第二运放大器U2B的输出端连接所述电阻R8的第一端，用于将生物电信号放大，进行阻抗匹配，输出低阻抗信号至调制电路模块2。

作为对本发明中所述一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器的改进，所述信号隔离模块4包括第一信号隔离变压器T1以及第二信号隔离变压器T2，所述第一信号隔离变压器T1的引脚1接地，引脚3接地，引脚2连接所述芯片U3的引脚1后接入所述稳压二极管D1的负极，所述第二信号隔离变压器T2的引脚1连接所述电容C10的第二端，引脚2串联电阻R5后接入所述芯片U3的引脚5，所述第二信号隔离变压器T2的引脚3接地。

作为对本发明中所述一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器的改进，所述斩波信号模块5包括由电容C2、电容C1、电容C4、电容C6以及芯片U1组成的斩波信号电路，其中，所述芯片U1的引脚3连接电容C2的第一端，引脚2连接电容C4的第一端，所述芯片U1的引脚1连接电容C6的第一端，引脚4接地，所述芯片U1的引脚5连接电容C4的第一端后接入芯片U1的引脚2，所述芯片U1的引脚6连接所述电容C2的第二端后串联电容C1接入所述第一信号隔离变压器T1的引脚4，所述电容C6的第二端与所述电容C4的第二端连接后接地。

作为对本发明中所述一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器的改进，所述解调模块6包括电阻R3、电容C8组成的二次低通滤波电路、芯片U4、电容C7以及电容C13，其中，所述芯片U4的引脚1连接芯片U1的引脚3，用于解调输出所述高频斩波信号，所述芯片U4的引脚3接地，引脚4串联电容C13后接地，所述芯片U4的引脚5串联电阻R3后接入所述第二信号隔离变压器T2的引脚4，且芯片U4的引脚5串联电容C8后接地，用于形成二次低通滤波电路对第二信号隔离变压器T2输出的调制信号进行滤波处理，所述电容C7与电容C8并联，电容C7第二端连接电容C8后接地，电容C7的第一端接入芯片U4的引脚6后输出。

作为对本发明中所述一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器的改进，所述一次低通滤波电路中电容C10的第二端以及电容C12的第二端均为低通频率点，其阻容值的输出电压计算方式为：Uo＝Ui/[(2*Pi*f*R*C)^2+1]^0.5，式中：

Uo为输出电压；Ui为输入电压；Pi为圆周率；f为信号频率。

作为对本发明中所述一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器的改进，所述第一运算放大器U2A和第二运放大器U2B的放大系数均为：GAIN＝1+(R4+R7)/R6。

作为对本发明中所述一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器的改进，所述第一信号隔离变压器T1以及第二信号隔离变压器T2的隔离电压有效值均为4000VAC。

作为对本发明中所述一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器的改进，所述芯片U1、芯片U3以及芯片U4的型号均为SGM3204型。

作为本发明的第二方面，所述的一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器在生物医疗电子技术领域中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.通过采用高频斩波，以及增加放大器结构的使用方式，使得本发明达到很小的噪声水平并增加了共模电压，实现耦合斩波放大器输出纹波的消除，使得仪表放大器的输出不受纹波信号的干扰，得到更大的信号摆幅，从而具备减少原件数量，减小应用电路体积的优点；

2.本电路采用接近1MHZ的电荷泵电路，采集带宽理论值为0-100KHZ，大大满足普通生物电采集需求，且通过采用高频斩波达到了很小的噪声水平，同时，减少原件数量，更易于实际应用实现，减小应用电路体积,成本更低。

附图说明

图1为本发明一种实施例中原始生物电信号经调制解调后的输出波形示例图。

图2为本发明一种实施例中生物电信号的仪表放大器的电路原理示意图。

图3为本发明一种实施例中生物电信号传输流程示意图。

图4为本发明一种实施例中生物电信号仪表放大器的共模比高的效果示意图。

图中标注说明：1-信号放大模块、2-调制电路模块、3-隔离供电模块、4-信号隔离模块、5-斩波信号模块、6-解调模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

作为本发明的一种实施例，一种用于生物电信号的高耐压仪表放大器，如图1-3所示，包括信号放大模块1，信号放大模块1接收的微弱生物电信号，进行放大后的阻抗匹配，输出低阻抗信号；

调制电路模块2，调制电路模块2对低阻抗信号经抗混叠电路处理以用于防止低阻抗信号受高频波干扰，经一次低通滤波电路去除低阻抗信号中的高频杂波后调制输出高频斩波信号；

隔离供电模块3，隔离供电模块3形成倍压整流电路以用于对信号放大模块1以及调制电路模块2进行供电；

信号隔离模块4，信号隔离模块4采用1MHZ的振荡频率，大大降低变压器的体积和耦合电容，减少耦合电容，即，减少市电通过的共模电流，提高市电抗干扰，且同步接收高频斩波信号并输出；

斩波信号模块5，斩波信号模块5利用电荷泵的电源驱动能力和振荡信号输出，用于提供电源信号并同步解调高频斩波信号；

解调模块6，解调模块6用于对信号隔离模块4调制后输出的高频斩波信号进行二次低通滤波形成波动直流电信号并进行完整生物电信号的输出，本电路采用接近1MHZ的电荷泵电路，采集带宽理论值为0-100KHZ，大大满足普通生物电采集需求，且通过采用高频斩波达到了很小的噪声水平，同时，减少原件数量，更易于实际应用实现，减小应用电路体积,成本更低。

在本发明的一实施例中，调制电路模块2包括电阻R2、电阻R8、电容C11、芯片U3、电容C10以及电容C12，电阻R2的第一端连接电容C11的第一端，电容C11的第二端连接电阻R8的第一端，电阻R2的第二端连接芯片U3的引脚6，电阻R8的第二端连接芯片U3的引脚4，以用于形成抗混叠电路，芯片U3的引脚2连接VCC+，引脚3连接VCC-，芯片U3的引脚6连接电容C10的第一端，引脚4连接电容C12的第一端，电容C10的第二端连接电容C12的第二端以用于与电阻R2、电阻R8以及电容C11形成一次低通滤波电路；

隔离供电模块3包括由稳压二极管D1、电容C3以及电容C5组成的倍压整流电路，电容C3的第一端连接稳压二极管D1的正极后接入VCC-，电容C5的第一端连接稳压二极管D1的负极后接入VCC+，电容C3的第二端连接电容C5的第二端，稳压二极管D1的负极连接芯片U3的引脚1，用于提供此采集电路电源。

在本发明的一实施例中，信号放大模块1包括由电阻R1、电容C9、电阻R9、以及电容C14组成的RC滤波电路和由第一运算放大器U2A、第二运放大器U2B、电阻R4以及电阻R7组成的放大电路，其中，电阻R1第一端和电阻R9的第一端分别接入生物电信号IN1和IN2，电阻R1的第二端分别连接电容C9的第一端和第一运算放大器U2A的同向输入端，电阻R9的第二端分别连接电容C14的第一端和第二运放大器U2B的同向输入端，第一运算放大器U2A和第二运放大器U2B的放大系数均为：GAIN＝1+(R4+R7)/R6,电容C9的第二端和电容C14的第二端分别接地，第一运算放大器U2A的反向输入端串联电阻R6后接入第二运放大器U2B的反向输入端，电阻R4的第一端连接第一运算放大器U2A的反向输入端，第二端连接第一运算放大器U2A的输出端，电阻R7的第一端连接第二运放大器U2B的反向输入端，第二端连接第二运放大器U2B的输出端，第一运算放大器U2A的输出端连接电阻R2的第一端，第二运放大器U2B的输出端连接电阻R8的第一端，用于将生物电信号放大，进行阻抗匹配，输出低阻抗信号至调制电路模块2。

在本发明的一实施例中，信号隔离模块4包括第一信号隔离变压器T1以及第二信号隔离变压器T2，第一信号隔离变压器T1的引脚1接地，引脚3接地，引脚2连接芯片U3的引脚1后接入稳压二极管D1的负极，第二信号隔离变压器T2的引脚1连接电容C10的第二端，引脚2串联电阻R5后接入芯片U3的引脚5，第二信号隔离变压器T2的引脚3接地。

在本发明的一实施例中，斩波信号模块5包括由电容C2、电容C1、电容C4、电容C6以及芯片U1组成的斩波信号电路，其中，芯片U1的引脚3连接电容C2的第一端，引脚2连接电容C4的第一端，芯片U1的引脚1连接电容C6的第一端，引脚4接地，芯片U1的引脚5连接电容C4的第一端后接入芯片U1的引脚2，芯片U1的引脚6连接电容C2的第二端后串联电容C1接入第一信号隔离变压器T1的引脚4，电容C6的第二端与电容C4的第二端连接后接地。

在本发明的一实施例中，解调模块6包括电阻R3、电容C8组成的二次低通滤波电路、芯片U4、电容C7以及电容C13，其中，芯片U4的引脚1连接芯片U1的引脚3，用于解调输出高频斩波信号，芯片U4的引脚3接地，引脚4串联电容C13后接地，芯片U4的引脚5串联电阻R3后接入第二信号隔离变压器T2的引脚4，且芯片U4的引脚5串联电容C8后接地，用于形成二次低通滤波电路对第二信号隔离变压器T2输出的调制信号进行滤波处理，电容C7与电容C8并联，电容C7第二端连接电容C8后接地，电容C7的第一端接入芯片U4的引脚6后输出。

在本发明的一实施例中，一次低通滤波电路中电容C10的第二端以及电容C12的第二端均为低通频率点，其阻容值的输出电压计算方式为：Uo＝Ui/[(2*Pi*f*R*C)^2+1]^0.5，式中：Uo为输出电压；Ui为输入电压；Pi为圆周率；f为信号频率。

在本发明的一实施例中，第一信号隔离变压器T1以及第二信号隔离变压器T2的隔离电压有效值均为4000VAC。

在本发明的一实施例中，芯片U1、芯片U3以及芯片U4的型号均为SGM3204型。

作为本发明的一实施例，如图4所示，影响普通三运放的主要因素为：

在本发明的一实施例中，本发明在工作时，生物电信号经过信号放大模块1的放大电路放大，放大后信号由调制电路模块2变成调制信号，调制信号经信号隔离模块4隔离输出至斩波信号模块5进行解调并输出，隔离供电模块3给信号放大模块1和调制电路模块2供电，信号隔离模块4一路输出给隔离供电模块3，另一路给芯片U3，提供同步调制信号，斩波信号模块5提供电源信号和解调同步信号，通过采用高频斩波，以及增加放大器结构的使用方式，使得本发明达到很小的噪声水平并增加了共模电压，实现耦合斩波放大器输出纹波的消除，使得仪表放大器的输出不受纹波信号的干扰，得到更大的信号摆幅，从而具备减少原件数量，减小应用电路体积的优点。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。