用于生物阻抗测量的同步多通道高精度恒流源-高精度恒流源芯片

用于生物阻抗测量的同步多通道高精度恒流源:高精度恒流源芯片引言生物电阻抗检测和成像系统的目标检测量是生物组织的电阻抗信息，对于接触式检测方式，其硬件部分为体表电位测量系统：对于非接触式检测方式，其硬件部分为微弱磁场测量系统。这两种测量系统一般都由激励源、电极、信号处理电路、A/D转换电路和控制单元等部分组成。其中，激励源的作用是提供直接作用于人体的电流或磁场激励信号，其精度和稳定性对于整个测量系统的性能起着决定性的作用。同时，由于其直接作用于人体，对其安全性又提出特殊的要求。目前已有文献报道的生物电阻抗检测和成像系统的激励源主要包括以下几种：由PLD、可编程时钟芯片和高速DAC组成的激励源：由可编程信号发生器MAX038实现的激励源；用FPGA实现的基于DDS（数字直接合成）原理的激励源：以及采用现有专门的口口5集成芯片在DSP的控制下实现的激励源等。其中，基于DDS原理的FPGA实现方法与专门DDS集成芯片应用较为广泛。相对而言，专门口口5集成芯片以其频率稳定度高、分辨率高、调节方便、输出范围宽以及转换速度快、相位噪声低、与单片机、DSP等通讯方便等特点尤其受到人们的青睐。第1页共10页本文分析了生物电阻抗测量和成像系统对激励源性能的特殊要求，阐述了口口5芯片人口9959在生物电阻抗测量和成像系统中的优势应用，随后介绍了人口9959的使用方法，并设计了基于AD9959的生物电阻抗测量系统的高性能激励源电路。生物电阻抗测量和成像系统对激励源的特殊要求作为用于检测人体电阻抗信息的生物电阻抗测量和成像系统，对其激励源部分有以下特殊要求：(1)激励和参考信号相位方便调整。现有的生物电阻抗检测和成像系统中，多数使用模拟锁相解调的方法测量采集到的携带阻抗信息的电压信号，此时激励源不仅提供激励信号，同时也提供用于锁相解调的参考信号。而参考信号与激励作用下传感器产生的待测信号在进入锁相解调电路之前往往经过不同的信号通路，通常都存在不同的相移，如不进行补偿，该相移就会被叠加在由待测生物阻抗引起的相移中，带来测量误差。尤其对于非接触式阻抗测量和成像系统，由于激励电极和测量电极其一或均为线圈，往往需要后接高阶的滤波电路以滤除干扰，将造成待测信号与参考信号较大的相对相移，此时必须对参考信号相位进行补偿。调整DDS芯片参考信号通道的相位控制字为一种可行、可靠、有效的补偿方式。(2)对激励信号幅值、频率、相位的精度要求。在生物电阻抗测量和成像系统中，测量电极采集到的信号是对激励信号的第2页共10页直接响应，因此，激励信号的幅值精度直接决定了生物电阻抗测量和成像系统的测量精度。具体的，应使激励信号的幅值误差小于测量电路采用ADC的1LSB。当进行生物阻抗谱的测量时，需要激励源工作于扫频模式，此时高频率分辨率保证了可以实现任意步长的扫频模式。非接触式检测时，传感器(感应线圈)输出的感应电动势是信号频率的一次函数，信号频率发生微小波动时，会直接影响测量结果，因此要求信号源具有高的频率精度和稳定度。为了满足上述通道相位补偿的准确性，也希望激励信号的相位有较高的精度。(3)激励源输出信号为电流信号，并对于待测生物组织呈现恒流特性。生物电阻抗测量和成像系统通过向人体注入激励电流后，检测组织内部建立的电流场分布来获得被测点的阻抗信息。激励源的恒流特性可使其受电极未知接触阻抗影响较小，减少负载阻抗在测量中引入的误差。负载阻抗通常包括电极与皮肤的接触阻抗、电极本身的阻抗以及待测生物组织阻抗，其中电极本身的阻抗一般约为0.1〜3kQ,待测生物组织的阻抗约为几百千欧，因此通常需要激励源电流输出阻抗约为几兆欧时，才会对生物组织呈现出较好的恒流特性。(4)尽可能宽的激励信号输出范围。目前，公认的生物阻抗检测特征频率为50卜以，然而又有研究发现人体组织复阻抗的虚部包含着丰富的生理、病理信息，该虚部信息十分微弱，但第3页共10页其大小随激励信号频率的提高而增强，因此在某些检测场合中希望激励源可实现尽可能高的激励频率。DDS芯片AD9959AD9959简介AD995%ADI新推出的一款DDS芯片，采用高级DDS技术，可在低功耗下提供高性能。它集成了四个直接数字频率合成器(DDS)内核，四路具有卓越宽带和窄带5尸口1性能的高速10bitDAC,共8个输出通道，每个通道均具有专用的32bit频率控制字、14bit相位控制字和10bit幅值控制字，每个通道均可提供独立的频率、相位和幅度控制。其采样时钟高达500MSPS,内有范围为4〜20的倍增因数配合参考时钟使用，最终可使每个通道的信号频率最大为116MHz。其可通过串口方便宴现与控制单元的通信。AD9959的性能足以满足低相位噪声、低杂散噪声、快速频率切换以及宽带线性扫描等要求。AD9959作为生物阻抗测量和成像系统激励源的应用优势对比其他DDS芯片，AD9959不仅在功耗和性能方面优于其他，更具有一些特性使之特别适用于生物电阻抗测量和成像系统。首先，AD9959DDS核的固有同步性为实现优良的参考信号提供了保证。AD9959用一个公用参考时钟同步其4个DDS核及DAC通道，避免了多个单通道口口5同步过程中由于器件特性差第4页共10页异造成同步困难的问题，避免了复杂的同步设计。在通常的同步设计中，要使各DDS同步，首先要将参考时钟的相位差最小化、时钟边沿要足够的陡、其次同步改变工作寄存器的值，再次还要处理各DDS时钟路径不同造成的时间信号相位延迟的问题。4+DDS核的固有同步性降低了系统成本，大大简化了系统同步设计的复杂度，保证了基于锁相放大的生物电阻抗测量和成像系统的参考信号与激励信号的同步性，为参考信号通道相位补偿提供了基础。其次、人口9959各通道独立的相位、幅度控制可使参考信号在信号通路中形成的相位误差得到补偿，并满足不同应用场合对参考信号幅值的要求。对于非接触式生物电阻抗测量和成像系统，高阶滤波电路将引入极大的相位误差，严重的时候会使模拟锁相放大后的输出信号衰减几个量级，增加后续电路动态输入范围的需求，增加信号处理电路的复杂性。因此，AD9959在用以实现非接触式生物阻抗测量系统的激励源时。激励信号通道与参考信号通道的相位控制寄存器和幅值控制寄存器可根据要求分别设置为不同的值，显示出极大的应用优势。再次，人口9959集成的4个DAC均为电流输出型口人风为生物阻抗测量和成像系统的恒流源实现提供了基础。每个DAC均具有各自的可编程基准源，用于实现每个通道不同的满量程电流，通过更改幅值控制寄存器的值，可实现对注入人体电流的第5页共10页精确控制，保证测量安全。DAC的电流输出可以看为是具有高输出阻抗的电流源，其输出阻抗的典型值约为100kQ。而在通常的生物阻抗测量和成像系统中，负载阻抗变化一般不超过70。。因此，可通过电流传输器与之匹配，从而实现满足要求的恒流源。另外，AD99s9还支持线性频率、幅度或相位扫描，为生物阻抗谱的测量和相位补偿的实现提供了方便。当满量程电流输出为10mA时，幅值分辨率可达9.8uA；其相位分辨率为0.022°读。AD9959作为生物电阻抗测量系统激励源的设计系统原理与设计设计的激励源用于基于锁相放大技术的非接触式生物电阻抗检测系统。要求激励源输出两路同频信号，输出电流频率为10kHz-150kHz,其中一路作为激励信号，电流幅值为2mA、5mA或10mA；一路作为参考信号，输出幅值保持在10mA,对参考信号利用后续锁相放大电路实现相位自调整；参考信号经电流电压转换电路转换为幅值为0.5V的电压信号后输入到后续测量电路中。系统每次进行测量时，先进入相位自校准模式：以标准导线代替待测生物体，令AD9959参考信号进行线性相位扫描，激励信号保持频率、相位、幅值不变，测量系统采集参考信号相位变化时的各次测量结果，之后找出其中最大值，此时参考第6页共10页信号与由激励信号引起的响应信号的相位差最小，也即参考信号通道相对于测量信号通道的相移得到了补偿，该相位即为参考信号通道相对于测量信号通道的相移值。记录该相位值，并将其置入AD9959参考信号通道的相位控制寄存器，后使参考信号通道工作于固定频率、相位、幅值输出模式，系统进入测量模式。采用这种方法即可实现参考信号的相位自校准，从而补偿测量电路两信号通道间的相对相移。硬件设计为了实现对AD99S9的方便控制，同时与其他测量部分相匹配，采用ADI公司的MCU芯片ADuC848作为其控制单元。ADuC848为单指令周期MCU，数据处理速度达12MIPS,有62K程序内存，并集成了三，△型ADC，设计简单，噪声低，非常适用于精密仪器仪表。AD9959工作电路详述如下。（1）电源：ADuC848供电范围为，2.7—3.6丫，为了与AD9959相匹配，采用3.3V供电。AD9959的DDS内核（AWD和口丫口口引脚）采用1.8V电源供电，数字I/O接口（sPI）在3.3V电压下工作，此时需要将口丫口口1/0（引脚49）连接至3.3丫电压。需特别注意的是，CLK_MODE_SEL是模拟输入，需要在1.8V电源下工作。设计中采用ADI公司的电源芯片AD3338为其提供电源，只需在其输入、输出管脚连接山尸的对地电容即可实现良好的去耦效果。AD9959具有硬件和软件的掉电控制功能，通第7页共10页过配置外部电源掉电控制引脚PWR_DWN_CTL与内部寄存器，可以控制输入时钟电路、PLL、DAC和数字逻辑部分等的掉电，减小AD9959的功耗。(2)时钟：AD9959的参考时钟由xxxx管脚输入，所有通道共用该参考时钟，该REFCLK可由外部时钟源或晶振直接驱动，外接晶振的频率必须在20MHz与30MI-Iz之间。将CLKMODESEL管脚接高电平时，使能内部振荡器与外部参考时钟配合使用，该管脚接低电平时振荡器被旁路。设计中的时钟解决方案如图1所示，采用有源晶振作为REFCLK的输入，不使用内部倍频器，从而减小输出的相位噪声。由电容和电感构成PI型滤波网络，并在输出端串联一个小阻值电阻，以降低时钟源产生的噪声。(3)AD9959与上位机的通讯：AD9959通过串口与单片机进行通讯，工作于SPI模式。人口9959有四个串行数据引脚(SDIO_0/SDIO_1/sDIO_2/5DIO3),支持多种配置，具有很大的灵活性。通过寄存器的配置可以实现串行I/0的四种可编程模式，即单bit两线模式、单bitm线模式、双方1模式和四bit模式，xxxx,提供了先高位后低位和先低位后高位的传输方式。本设计为了与ADuC848相匹配，选用单6设三线、先高位后低位的传输方式。此时SDIO0为数据输入引脚，SDIO2为数据输出引脚，通过一个正脉冲使串口恢复为初始等待指令状第8页共10页态。一个串口通信周期分为指令周期和数据周期：首先传送指令阶段的8位指令字，对应于SCLK的8个上升沿，然后执行由指令设定的1〜4个字节的数据读写。完成后再等待下一个指令周期的到来。指令字节和数据字节在SCLK的上升沿写入AD9959,在SCLK的下降沿读取数据字节，这些操作只有在片选引脚/cs为低电平时才有效。(4)控制寄存器和控制管脚：AD9959的运行是主控芯片(单片机、DSP或可编程逻辑)通过串行I/O改写其内部寄存器值来实现的。控制寄存器主要完成通道选择，多设备同步及相位累加器清零等功能；通道控制寄存器主要完成各通道功能的选择，频率、相位、幅度的设置。AD9959的四个通道共享一组寄存器地址，这种地址共享机制可以同时向四个通道的配置寄存器写入相同的数据。当需要对四个通道进行不同设置时，可以通过设置通道使能位来各自独立地写入每个通道设置的数据。AD9959的控制寄存器如表1所示，控制管脚如表2所示。ADuC848与AD9959的接口连接如图2所示。(5)DAC的电流输出：DAC的输出电流须经电阻或AVDD中心抽头变压器连接到人丫口口，从而使差分电流变化为单端电流。DAC满量程电流最大为15mA,但是为了提供良好的无杂散动态范围可以将其限定为10mA,这是通过将DACRSET引脚通过一个外接电阻R5£1接地来实现的。RSET=18.91/IOUT。当选电阻为第9页共10页1.91kQ时满量程电流为10mA。值得注意的是，对于电流输出型口人风输出电流在负载上建立的电压的值须在DAC的输出电压范围之内。结束语高性能、低功