一种数字补偿的差分信号采集系统电路及补偿方法技术方案

本发明专利技术涉及信号处理技术领域，具体地说是一种数字补偿的差分信号采集系统电路及补偿方法，包括高频电磁干扰滤波器、差动放大器、模数转换器件、处理器、控制器，高频电磁干扰滤波器的输出端与差动放大器的输入端连接，差动放大器的输出端与模数转换器件的模拟输入端连接，模数转换器件的数字输出端与处理器的数字输入端连接，模数转换器件的控制输入端与控制器的控制输出端连接，控制器的时序控制输出端与模数转换器件的时序控制输入端连接，本发明专利技术同现有技术相比，克服由模拟器件精度失配和漂移带来的通道间不匹配、降低共模抑制比的技术问题，同时降低了器件成本，减低了设备运行的功率和温度，提高了设备的稳定性。

A circuit and compensation method of differential signal acquisition system with digital compensation

【技术实现步骤摘要】
一种数字补偿的差分信号采集系统电路及补偿方法
本专利技术涉及信号处理
，具体地说是一种数字补偿的差分信号采集系统电路及补偿方法。
技术介绍
在信号采集系统中，尤其是涉及医用诊断信息的采集系统中，经常会将单端信号转换为差分信号，以增强在信号传递链路中的抗干扰性。一对差分信号可由以下公式来描述：，其中，为共模信号，在、两极为幅度和相位均相等；为差模信号，在、两极为幅度相等，相位相差180°。在电生理系统中，来自人体的单端电信号被体表和体内的电极拾取后，经由单端转差分处理后，进入差动放大器被放大，如图1所示的差动放大器电路。理想条件下，放大器的输出电压由以下公式给出：。进一步地，当满足的条件，并将代入，可进一步简化为。即在理想情况下，共模信号被差动放大器完全抑制，而仅有差模信号被放大。上述讨论所基于的条件是：1）放大器为理想放大器，即对有完全抑制的能力；2）的条件被完全满足。在实际情况中，由于放大器内部电路不可能做到完全对称，因此无法做到对的完全抑制。所描述的实际电阻阻值不可能做到完全相等，电阻比例也不可能完全适配。同时，电阻阻值在温度变化的环境中，会以的规律发生变化，其中，为电阻在温度时的阻值，为电阻在温度时的阻值，为温度变化引起的电阻变化值，为温度相对于温度的变化量，通常在机箱内部，最大可达50-60℃，为电阻在的范围内电阻阻值随温度的平均变化率，对于常用的厚膜贴片电阻，一般为±200-400PPM/℃。假设电阻为厚膜贴片电阻，在25℃时的零功率电阻为1000Ω，则在散热良好的机箱中，其阻值会变化为1000±6Ω，变化量达到了0.6%的原始阻值。以上讨论的电阻漂移，会导致一部分向变化，导致基于模拟电路的放大器性能指标的下降。工程上将放大器对共模信号的抑制能力称为共模抑制比CMRR，给出其数学定义，其中，表示放大器对差模信号的增益，表示放大器对共模信号的增益。下面以图1为例，讨论外围电阻失配对放大器共模抑制比的影响。假设电阻采用的精度是相同的，其允差为，，则式中，与可由表示。由电阻导致的共模抑制比记为，由放大器器件导致的共模抑制比记为，两者整体的共模抑制比R记为，则：，。即电阻导致的共模抑制比与差模增益和电阻精度有关，整体的共模抑制比由和中更小的值确定。在，的基础上，假设差模增益，，，则计算得到。若其他条件不变，，则计算得到。若需完全利用放大器的共模抑制比，则对应的电阻精度，从技术和经济的角度来说显然是不现实的。由于半导体技术的不断发展，目前放大器器件本身的共模抑制比最高可达到120~140dB，即在放大器输出端的共模信号幅度，最小可达到输入共模信号幅度的10-6至10-7倍，为了达到如此优异的共模抑制性能，所需电阻适配的要求会更严苛，加之电路板布线的微小差异和通道切换器件之间的导通电阻差异，在模拟域中几乎是不可能实现的。图2是现有多通道医用电信号采集处理系统的整体电路结构。其中，BUF1到BUFN为模拟缓冲放大器，起到阻抗变换的作用，用于从高信号源内阻的人体中取得微弱的电信号。AMP1到AMPN为差动放大器，其具有图1所示的电路结构，一般理论增益为20-100V/V。AAF1到AAFN为抗混叠滤波网络，通常由一个低通RC滤波器组成，用于将所需频谱之外的信号滤除，从而不至在后续的处理中出现频谱混叠失真。MUX为通道选择网络，通常由多路模拟开关组成，其通道导通阻抗约为数十到数百欧姆，且各通道之间的导通阻抗一致性比较差，更加剧了通道间的增益失配。ADC为模数转换器件，一般在医疗领域采用至少14bit，采样速率至少100kSa/s，以满足采集微弱信号的需求。PROC为处理器，与模数转换器件直接连接，用于接收从模数转换器件发来的已数字化的电生理信号，同时与控制器CTRL之间通信，控制通道选择网络MUX进行通道切换。由此可发现，现有多通道医用电信号采集处理系统中，由于存在较多的模拟器件，如电阻和电容等，按照的讨论，会对放大器的共模抑制比产生较大影响，其直接结果就是不同通道之间的增益不相同，因此，无法将每一个通道直接作差形成所谓双极信号，大大降低了采集系统的灵活性和可靠性。由上述分析，目前信号处理领域，特别是医用电生理信号处理领域，需要设计一种数字补偿的差分信号采集系统电路及补偿方法，放宽模拟器件的精度要求，降低系统复杂度和制造成本，提升系统稳定性，解决由模拟器件精度和漂移带来的上述技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供了一种数字补偿的差分信号采集系统电路及补偿方法，放宽模拟器件的精度要求，降低系统复杂度和制造成本，提升系统稳定性。为了达到上述目的，本专利技术是一种数字补偿的差分信号采集系统电路，包括高频电磁干扰滤波器、差动放大器、模数转换器件、处理器、控制器，其特征在于：高频电磁干扰滤波器的输出端与差动放大器的输入端连接，差动放大器的输出端与模数转换器件的模拟输入端连接，模数转换器件的数字输出端与处理器的数字输入端连接，模数转换器件的控制输入端与控制器的控制输出端连接，控制器的时序控制输出端与模数转换器件的时序控制输入端连接，差动放大器包括基准电压源、参考数模转换器一、参考数模转换器二、放大器，基准电压源的输出端与参考数模转换器一的电源端连接，参考数模转换器一的输入端与数字参考源连接，参考数模转换器一的输出端与放大器的同相输入端连接，放大器的反相输入端与高频电磁干扰滤波器的输出端连接，参考数模转换器二的输入端与数字增益信号连接，参考数模转换器二的输出端与放大器的增益控制输入端连接，放大器的输出端与模数转换器件的模拟输入端连接。所述的高频电磁干扰滤波器为电感和电容组成的LC网络，所述的LC网络-3dB频率小于20MHz。所述的模数转换器件的最大采样频率大于500KSa/S，有效转换位数大于等于12，所述的处理器的时钟频率大于24MHz，所述的控制器为32位或64位控制器。所述的基准电压源的输出初始准确度小于±0.2%，输出噪声幅度小于100μVpp，所述的参考数模转换器一、参考数模转换器二的有效转换位数大于等于12。所述的放大器为可变增益放大器或固定增益放大器，所述可变增益放大器的增益可在3dB至40dB范围内连续可调，所述固定增益放大器的增益范围为10-200V/V。一种数字补偿的差分信号采集系统电路的补偿方法，其特征在于：获取通道的增益幅频响应曲线的步骤如下：步骤1，确定理论增益；步骤2，确定起始频率，将频率为、幅度为的正弦信号加载到放大器的输入端；步骤3，测量放大器的输出正弦信号幅度为；步骤4，计算放大器在频点处的增益；步骤5，将幅度为的正弦信号频率增大到，加载到放大器输入端；步骤6，测量放大器的输出正弦信号幅度为；步骤7，计算放大器在频点处的增益；步骤8，重复步骤1~步骤7，其中，频点处的正弦信号频率为，测得的正弦信号幅度为，计算的增益；步骤9，设采样频率为，则当时，将有序数对按照顺序描绘在直角坐标系中，即为通道的增益幅频响应曲线。所述的中，i为大于等于1的自然数。在获取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数字补偿的差分信号采集系统电路，包括高频电磁干扰滤波器、差动放大器、模数转换器件、处理器、控制器，其特征在于：高频电磁干扰滤波器的输出端与差动放大器的输入端连接，差动放大器的输出端与模数转换器件的模拟输入端连接，模数转换器件的数字输出端与处理器的数字输入端连接，模数转换器件的控制输入端与控制器的控制输出端连接，控制器的时序控制输出端与模数转换器件的时序控制输入端连接，差动放大器包括基准电压源、参考数模转换器一、参考数模转换器二、放大器，基准电压源的输出端与参考数模转换器一的电源端连接，参考数模转换器一的输入端与数字参考源连接，参考数模转换器一的输出端与放大器的同相输入端连接，放大器的反相输入端与高频电磁干扰滤波器的输出端连接，参考数模转换器二的输入端与数字增益信号连接，参考数模转换器二的输出端与放大器的增益控制输入端连接，放大器的输出端与模数转换器件的模拟输入端连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种数字补偿的差分信号采集系统电路，包括高频电磁干扰滤波器、差动放大器、模数转换器件、处理器、控制器，其特征在于：高频电磁干扰滤波器的输出端与差动放大器的输入端连接，差动放大器的输出端与模数转换器件的模拟输入端连接，模数转换器件的数字输出端与处理器的数字输入端连接，模数转换器件的控制输入端与控制器的控制输出端连接，控制器的时序控制输出端与模数转换器件的时序控制输入端连接，差动放大器包括基准电压源、参考数模转换器一、参考数模转换器二、放大器，基准电压源的输出端与参考数模转换器一的电源端连接，参考数模转换器一的输入端与数字参考源连接，参考数模转换器一的输出端与放大器的同相输入端连接，放大器的反相输入端与高频电磁干扰滤波器的输出端连接，参考数模转换器二的输入端与数字增益信号连接，参考数模转换器二的输出端与放大器的增益控制输入端连接，放大器的输出端与模数转换器件的模拟输入端连接。


2.根据权利要求1所述的一种数字补偿的差分信号采集系统电路，其特征在于：所述的高频电磁干扰滤波器为电感和电容组成的LC网络，所述的LC网络-3dB频率小于20MHz。


3.根据权利要求1所述的一种数字补偿的差分信号采集系统电路，其特征在于：所述的模数转换器件的最大采样频率大于500KSa/S，有效转换位数大于等于12，所述的处理器的时钟频率大于24MHz，所述的控制器为32位或64位控制器。


4.根据权利要求1所述的一种数字补偿的差分信号采集系统电路，其特征在于：所述的基准电压源的输出初始准确度小于±0.2%，输出噪声幅度小于100μVpp，所述的参考数模转换器一、参考数模转换器二的有效转换位数大于等于12。


5.根据权利要求1所述的一种数字补偿的差分信号采集系统电路，其特征在于：所述的放大器为可变增益放大器或固定增益放大器，所述可变增益放大...

【专利技术属性】
技术研发人员：仓学习，张勇，谷双全，刘宇，曾志槐，李章俊，戴振华，叶有利，
申请(专利权)人：上海宏桐实业有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31