本实用新型专利技术涉及微小信号的直流数字放大器。所要解决的的问题是：提供一种体积小、功耗小、便携式记录人体以及非人体微小信号的直流数字放大器。特点是：包括阻抗变换器、通道选择器Ｕ１、全差分放大器Ｕ６、模数转换器和单片机Ｕ２，还包括数字直流分离单元和阻抗脉冲开关单元。由于本装置耗电少，使用４节可充电２２００ｍＡｈ五号镍氢金属电池供电可持续工作达４０小时，使用外接电源则可持续更长时间；其重量轻，小于３００克，可以应用于临床病人的远程记录和远程诊断。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及一种直流数字放大器，确切地说是记录微小信号的直流数字放大器。
技术介绍
人体及非人体生理信号，包括血压、脉搏、心跳、心电图(ECG/EKG)、脑电图(EEG)、肌电图(EMG)、视网膜电图(ERG)、眼电图(EOG)、胃电图、诱发电位(evoked potential)、事件相关电位(ERP)、动作电位(action potential)、膜电位(membrane potential)、离子电位/电流、荧光电流、微弱光电信号、等等，其振幅在微伏(uV)至毫伏(mV)不等，频率通常在5kHz以下。目前在临床诊断和生物医学研究中用于记录这些信号的放大器，其结构为多级放大器(输入阻抗变换级、前置放大级、隔离放大级、高通滤波级、低通滤波级、交流陷波级、后置放大/衰减级等)，其放大倍数通常在×1000至×500000倍，其输出振幅达到±0.1-±10.0伏特，以满足显示、分析、记录、和采集(acquisition)等要求。这类放大器有如下问题1.内部噪声大。模拟放大器件的内部随机噪声可用公式Et＝2√(KTBRs)来描述(K波兹曼常数，T绝对温度，B放大器带宽，Rs输入内阻)。由于每级模拟放大器/滤波器均产生内部噪声，在相同器件条件下，多级模拟放大电路的总和内部噪声将远大于单/双级模拟放大电路的内部噪声。多极模拟放大电路所需要的外周元件(如阻容元件等)亦加添随机噪声。此外，多极模拟放大比单/双级模拟放大需要更大的功耗，其电路板设计需要更大空间，因此也更容易引入噪声。即使一个设计优良的模拟放大器，其内部噪声水平在5-20uV(RMS)或更高。通常模拟放大器的RMS在50uV左右，用于微伏级的微小信号放大时引入比信号更大的噪声。2.信号失真大。由于每一级模拟放大器/滤波器均产生失真，多极模拟放大电路亦比单/双级模拟放大电路的信号失真大。3.动态范围小(约2-3 log units)。以放大倍数为×10000，工作电压范围±10.0V计，这类模拟放大器的最大输入信号范围为±1.0mV。如以最小可测输入信号为±10.0uV计，其动态范围Dynamic Range＝最大输入信号范围/最小可测输入信号＝1.0mV/10.0uV＝100，即2 log units。如果放大器的放大倍数更高，其动态范围会更小。对于含有较大直流偏移(offset)的微小人体及非人体生理信号来说，这类放大器的小动态范围是无法胜任直流和交流混合的人体及非人体生理信号的放大的。4.不可记录毫/微伏级信号所含有的直流成分和近直流的交流信号。由于这类放大器动态范围小，直流和交流混合的人体及非人体毫/微伏级生理信号造成放大器饱合而不能被直接放大，所以在实际临床应用及非临床研究中，这类放大器使用RC模拟直流分离电路去除直流成分，而成为交流放大器，仅仅放大记录交流部分。然而，任何模拟直流分离电路都使得接近直流的交流成分与直流成分同时丧失，而不能被放大和记录。这个频率部分含有的重要人体或生物体信息，因此被丢失。5.放大器的饱合与恢复问题。使用模拟电路隔离/分离直流的方法去除直流成分，造成一个严重问题，即比微小信号更大的瞬时扰动(如人体或器官的移动、肌肉的收缩、细胞膜电位的变化等)可造成放大器饱和/截至或远离零点电位。如果隔离/分离直流的频率较高(例如＞1.0Hz)，放大器在1秒钟之内可恢复到零点电位附近。然而如果隔离/分离直流的频率很低(例如＜0.1Hz)，大的瞬时扰动可造成放大器长时间(＞30秒钟)因饱和/截至而不能工作，使得在临床及非临床实验中记录这类接近直流的低频信号(1.0Hz以下)成为不实际。6.毫伏级信号的直流漂移问题。使用小动态范围放大器的另一个严重问题是，当记录信号中有毫伏级直流漂移时，如果隔离/分离直流的频率很低，放大器会时常出现饱和而停止工作。由于临床及非临床实验中使用的记录电极存在着直流介面电位及漂移，这类放大器无法用于低频率信号的放大和记录。7.易受干扰。目前市场上用于临床及非临床人体及非人体生理信号记录的放大器，特别是多通道放大器，输出为模拟(analog)信号方式，耗电多(＞10W)，体积大(＞10×10×20cm^3)，并且易受工频(50/60Hz)的干扰，因此导致记录的信号品质下降，甚至无法用于分析和诊断。同时，多通道(如16通道)模拟放大器装置由于体积大功耗大也无法成为便携式进入病患者的家庭。目前几乎所有的生物医学信号放大器都无例外地输出至模数转换器，将模拟信号转换成数字信号后在计算机上显示、分析、记录、和储存。模数转换器按转换原理分为逐次逼近型(SAR)方式和Delta-Sigma方式，前者技术已成熟多年，精度以12-16位最为常用，转换速度快，但在转换速度接近信号频率时易出现伪信号效应(signalaliasing)。逐次逼近型模数转换得到的数据并不能通过叠加平均来提高微小信号的信噪比，因为微小信号接近位噪声时，叠加平均不能有效减少位噪声水平。后者为近年出现的新模数转换技术，转换精度可达24位，其内部时钟频率远高于模数转换速度，因此即使转换速度接近信号频率时也没有伪信号效应的问题，但其转换速度通常比逐次逼近型慢。目前各种生物医学信号放大器所关联的模拟转换装置均为这两种类型。由于这些生物医学信号放大器动态范围较小，实际有效的模数转换精度仅在12-14位，限制了高精度(16-24位或更高)模数转换的功用。如果使用低模数转换速度，通道间滞后时间(1ag time)效应对低频(DC-100Hz)生物医学信号分析的影响变得明显，例如当模数转换速度为100sps时，通道间的滞后时间为10mS。特别是多通道情况下，第一个通道与最后一个通道的滞后时间甚至大于最后一个通道与下一个采样点的时间，例如，当16个通道采样时，第一通道与第十六通道的时间差为150mS。这样的通道间时间差异对于测量时间相关事件(time-lockedevents)是不准确的，而目前几乎所有的多通道生物医学模数转换器件都存在这个问题。模数转换后的数字信号数据可被输送至计算机或其他设备而不会被进一步加添模拟噪声。如果放大器装置本身没有模拟转换器，模拟信号通常被输出至装在计算机或其他设备上的模数转换器。这种连接有可能进一步加添模拟噪声。而安装在计算机或其他设备上的模数转换器，则受限于计算机种类(台式或笔记本式)、模数转换器的接口方式(如ISA、PCI、PCMCIA、USB等)、模数转换器的指标(如转换精度、转换速度、通道数等)、模数转换器的驱动程序等条件。人体及非人体生理信号的信号源阻抗随不同的测量而不同，使用皮肤电极或其他接触电极记录人体或动物体信号时，其阻抗大约在20千-50千欧姆。如果使用细小电极(如针电极、丝电极、微电极等)，其阻抗可在1-50兆欧姆以上。信号源阻抗过大提示电极接触或连接不良，将影响纪录结果，需要检查并排除电极接触或连接不良的原因。目前用于人体及非人体生理信号的放大器多数无信号源内阻的阻抗测量，部分先进的放大器装置，配备有交变恒流源，可加在放大器的输入端通过电极连接至信号源，然后测量信号源的交变电压值。由电压值和恒流源即可算出信号源的内阻。这种阻抗测量方法的最大问题是交变恒流源必须使用小电流(＜100uA)，否则时间累积本文档来自技高网...
【技术保护点】
记录人体以及非人体微小信号的直流数字放大器，其特征在于：阻抗变换器、通道选择器Ｕ１、全差分放大器Ｕ６、模数转换器和单片机Ｕ２，还包括数字直流分离单元和阻抗脉冲开关单元； Ａ、所述阻抗变换器由１７个超低噪声低功耗场效应三极管Ｔ１－Ｔ１７组成，１７个超低噪声低功耗场效应三极管的栅极分别为信号输入端，１７个超低噪声低功耗场效应三极管的源极输出端分别连接着通道选择器Ｕ１的１７个模拟输入端； Ｂ、通道选择器Ｕ１的输出端通过电阻Ｒ１８、Ｒ１９连接着全差分放大器Ｕ６的输入端，与电阻Ｒ２０、Ｒ２１连接构成低放大倍数的全差分放大； Ｃ、全差分放大器Ｕ６的输出端连接着通道选择器Ｕ１的模数转换器的输入端； Ｄ、模数转换器的数字信号输出端连接着单片机Ｕ２的数据输入接口； 单片机Ｕ２的端口Ｄ＋／Ｄ－作为ＵＳＢ２．０仿真高速串行数据口（ＣＯＭ）传输人体及非人体生理信号数据，其高速串行口，即Ｒｘ口和Ｔｘ口或并行口，即Ｐｏｒｔ Ｄ口和控制线，与ＬＡＮ、高速光纤、或高速ＲＦ无线、触摸屏ＬＣＤ显示面板、闪存记忆体接口等模块相连接，实现多种方式的数据传输、数据显示、和数据储存； Ｅ、所述数字直流分离单元包括数字电位器Ｕ５、光电隔离器Ｕ７、电容Ｃ３７、Ｃ３８和５个电阻Ｒ２４－Ｒ２８， 数字电位器Ｕ５的数字控制输入端与光电隔离器Ｕ７的输出端连接，光电隔离器Ｕ７的输入端与单片机Ｕ２的数据输出端连接，数字电位器Ｕ５的电位输出端与全差分放大器Ｕ６的输出共模电压控制端连接，数字电位器Ｕ５的电位器高端（Ａ端）和低端（Ｂ端）分别连接正、负电源； 电容Ｃ３７的一端连接数字电位器Ｕ５的电位器输出端，另一端接电源正极；电容Ｃ３８的一端连接数字电位器Ｕ５的电位器输出端，另一端接电源负极； 电阻Ｒ２４、Ｒ２５作为限流电阻分别连接在光电隔离器Ｕ７的输出端与电源之间；电阻Ｒ２６、Ｒ２７、Ｒ２８连接在单片机Ｕ２的输出端与光电隔离器Ｕ７的输入端之间； Ｆ、所述阻抗脉冲开关单元包括电阻Ｒ２２和１６个电容Ｃ１－Ｃ１６； 电阻Ｒ２２的一端与电源正极连接，另一端与１６个电容Ｃ１－Ｃ１６的一端连接，１６个电容Ｃ１－Ｃ１６的另一端分别与信号输入通道１６个接口相连；同时，电阻Ｒ２２与１６个电容Ｃ１－Ｃ１６的连接端连接着光电隔离器Ｕ７的输出端，光电隔离器Ｕ７的输入端通过电阻Ｒ２６与单片机Ｕ２的数据输出口连接。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曹阳，
申请(专利权)人：曹阳，
类型：实用新型
国别省市：34[中国|安徽]
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