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利用AD5933的高精度生物阻抗测量方案_欧亿平台登录网址

  • 12月 07, 2020
  • 科技
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生物电阻技术是利用生物组织和器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术。 目前对生物电阻测量系统的研究和文章很多,主要集中在整个测量系统的某个组成部分的设计上。 这些研究和设计工作似乎有助于提高生物电阻测量系统的精度,但单一的方法受限于提高精度。

本文利用ADI公司高度构建的电阻测量芯片AD5933设计了高精度的电阻测量方法,利用比例测量、DFT数字调制、软件校正和补偿四种技术,整体提高了系统的测量精度。 比例测量法测量电阻,一般用于伏安法,生物电阻测量也基于伏安法的原理。 也就是说,未知的一个元件的电阻相等,该元件两端的电压反转及其电流中流过的比是RX=UX/IX。

但是,在实际测量中经常使用比例测量的方法,由于在被测量电路中采样的电阻RS以IX=US/RS串联连接,因此RX=UX/IX=RSUX/US,将电阻的测量切换为两电压之比的测量,电压源US的精度图1的比例法电阻测量的原理图本文使用的电阻测量芯片AD5933利用了上述比例测量的原理,测量电路如图2右图所示。 通过以DDS产生的正弦交流信号为激励源取得电阻的原始信息,被测量电阻与电容和电导的并联模式,即YX=GX jCX=AX等价。

在理想的状态下,如果不考虑放大器等电路引起的振幅和振幅的变化,而设为激励信号U1=U1msinwt,I=U1YX,则为呼吁信号U2=-IRS=-u1yx RS=-u1 MRSA xsin (wtj )。 比较U2和U1可以得到被测量电阻的信息,防止电压源不稳定引起的误差,测量结果的精度各参照电阻的精度不同。

图2的2 AD5933比例法测定生物电阻原理图DFT数字调制上述呼吁信号U2包含电阻的信息,与U1展开相比可以取得电阻的信息,U2 (调制信号)是U1 (载波)经过电阻的调制得到的,U2 现在电阻测量系统常用的调制方式是整流滤波、电源调制、模拟乘法器、数字调制。 模拟乘法器调制是常见的方法之一,利用矢量调制原理,具有电路非常简单、测量速度快、适合在宽频率范围内工作的优点。 乘法器矢量调制的过程是,假设对上述呼吁信号进行调制,首先通过乘法器将呼吁信号(U2=-U1mRSAXsin(wt j ) )和一对矢量平衡(U1=U1msinwt,U3=U1mcoswt )相加矢量平衡信号与上述呼吁信号相加,利用三角函数中的积和差式得到两个系统的信号Uo1和Uo2,分离载波频率信号和基带信号。

将上述两个系统信号在周期t的时间内进行分数化,求出平均值,除去载波频率. 以上过程完成了矢量调制。 在Uo1,Uo2中好像已经去除了载体。 而且,依然包含被测量电阻的实部和虚部的信息,如果与电压源的振幅信息进行比较,可以得到被测量电阻的原始信息。

类似地,AD5933也是基于矢量调制的原理,对ADC样本数据进行线性傅立叶变换(数字矢量调制),即将由1024个数字序列和矢量相加并递归地求和的过程,(1)DFT数字矢量如果用模拟乘法器的方法进行调制,则难以构建载波的实时性,也难以降低模拟锁相环电路,但DFT在算法上难以确保本地振动和载波的同一频率。 其次矢量调制几乎拒绝两个本地平衡信号的矢量。 否则,恢复原始信号时会发生非法信号。

DFT算法很好地确保了两个本地平衡的严格矢量DFT算法构建了数字锁相的过程,确保了本地振荡和载波的同一频率相互相同,修正了仿真电路,并提出了平均值的过程高精度电阻校准AD5933将相位差分量Uo1、矢量分量Uo2作为结果输入,理想的是不考虑放大器等电路引起的振幅和振幅的变化,使用调制后的相位差和矢量分量Uo1、Uo2融合激励信号的振幅,参照电阻的但是实际上,根据放大器等电路引起的振幅b和振幅a的变化,通过测定得到的同相和矢量成分是,利用这两个结果通过计算得到的振幅和振幅似乎分别没有系统误差。 为了避免系统误差,通过测量测量仪的电阻来校正被测量电阻。

将得到测定器电阻输入值分别作为校准电阻的电导值,将设备电阻作为显示电阻,产生振幅变化. 同样根据计算出的校准电阻的振幅和振幅得到的计算值,由此,展开通过测量计算出的值,求出被测量电阻的正确值。 由此,如果合理自由地选择校准点和校准点的间隔,则可以通过校准消除放大器等电路产生的振幅和振幅的系统误差,得到高精度的测量结果。

该计算方法测量条件完全相同,几乎抵消了系统误差。 与此相对,基于AD8302的生物电阻谱测定器的研究开发[3]和基于元神基准点的生物电阻测定方法是明确提出的方法,如果使用两个系统的电路分别测定校正电阻和被测定电阻,则难以确保两个系统的对称性,精度非线性补偿如上所述,在本系统中测量具有不同电阻值的一组标准电阻,得到从测量模块输入的调制结果,建立调制结果和实际电阻值的对应关系。 利用这种对应关系,可以根据调制结果计算被测电阻的电阻值,进一步补偿误差,提高精度。 这就是系统的非线性补偿。

对控制器来说,排序方法占用了存储空间,简单的插值会影响速度。 本系统利用单片机作为控制器,在有限的存储空间和运算速度的条件下,采用分段线性插值的方法构建非线性补偿。

执行方法是,首先系统测量一组标准电阻,将得到的一组输入值转换为振幅,作为与实际电阻值一一对应的现金集合表。 系统展开实测后,将计测电阻值换算为计测振幅即DX,对查找存在与DX对应振幅的表的区间进行排序,在该区间制作线性数值,计算出有计测电阻的振幅,返回输入。

在某个激励频率下,测量显阻网络时,可以忽略目标内部的电容性成分,此时,系统测量的相角主要包含在系统光波中。 通过取与检测出的相位角对应的振幅校正值,可以校正通过该类推运算测量出的振幅。

通过以不同的变焦倍率、不同的激励频率继续上述表的分解和振幅补偿的测量,可以得到一系列的表和振幅补偿值。
在实际测量中,根据变焦倍率和激励频率自由选择合适的工作台和振幅补偿值,展开电阻值的计算和补偿,可以进一步提高系统的精度。 结果笔者用现有系统测定了电阻变化箱产生的一组纯电阻,测量结果和电阻理论值及相对误差如表1所示。 测量条件是测量电阻在1k到10k之间,激发频率为50kHz,激发振幅为1V。

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