【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物信号采集，尤其涉及一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集架构及方法。
技术介绍
1、当前神经科学正面临一个主要挑战，即开发能够在所有相关时间尺度上记录神经元活动的大规模工具。多通道并行生物电信号采集技术是解决此问题的关键途径，它通过提高同时采集通道数量来获取更全面的生物电信息。高密度神经记录系统已被广泛证明在研究人脑方面具有重要意义。然而，高密度神经植入系统的设计需要在减少系统面积和功耗方面取得平衡，以尽量降低组织损伤并确保长时间记录的可行性。在这其中，前端信号采集接口作为关键组成部分，其设计过程需要在面积、功耗、噪声、电压偏移等关键性能参数之间找到平衡，以满足高性能并行生物电信号采集的需求。
2、传统多通道并行生物电信号采集前端电路包含多个低噪声放大器(lna)、滤波器(lpf)、可调增益放大器(pga)以及模数转换器(adc)等模块，通过堆叠多个单通道记录链路来实现对多通道生物电信号的同时采集和处理，如图1所示。然而，此类架构导致系统整体臃肿，特别是当记录通道数量达到上千时，系统的面积和功耗对脑植入式芯片来说难以承受。为应对这一挑战，许多不同技术提出了通过复用关键模块的方法，例如共享前端电路、对电路进行时间复用、采用多级可调增益放大器等，以在系统架构层面寻求新的解决方案。这些技术有望在保持高性能的同时，减小系统面积和功耗，为大规模并行生物电信号采集提供更优解决方案。
3、现有用于多通道并行生物电信号采集的复用技术主要包括频分复用(frequencydivision multiple
4、此外，使用传统的时分复用技术进行高密度神经元信号记录目前仍然存在一些问题。首先，由于在时分复用架构中，不同通道的电信号仅在很短的时间内与电路系统顺序相连并采样，而大脑不同区域由于生物电化学反应在电极上呈现的平衡电势是不同的。这就导致不同通道电信号在高速采样后表现为一系列高动态阶跃，这些阶跃信号在经过有限带宽的放大器电路时会产生非线性变化，其输出随时间指数变化后趋于稳定。这样的信号在后续量化时将不可避免地引入信号的畸变，造成信号质量的下降。
5、其次，尽管通过提高信号链路的带宽可以减轻这类信号非线性变化，但高带宽低噪放大器会不可避免地导致更大的带内信号噪声水平，从而降低信噪比。这使得基于时分复用技术的多通道并行生物电信号采集系统性能不如传统堆叠单通道链路系统。同时提高带宽将付出电路功耗提升的代价，而降低噪声又需要牺牲电路的面积和功耗。为弥补信号质量损失造成的代价又违背了使用时分复用技术的初衷。因此，如何在不牺牲面积和功耗的情况下提升时分复用技术的信号质量，是当前需要解决的关键问题。
技术实现思路
1、本申请实施例的目的是提供一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集架构及方法，该方法是用于解决相关技术中存在的在不牺牲面积和功耗的情况下提升时分复用技术的信号质量的技术问题。
2、根据本申请实施例的第一方面，提供一种架构，包括：一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集架构，该架构包括：开关采样及多路器模块、低噪声放大器模块、可调增益跟踪保持放大器模块和量化器模块；
3、所述开关采样及多路器模块，包括n+1路、电极直接相连的采样开关和一个可复用的四路斩波电路，其中n为信号采集通道数，1为复用参考电极端；是用于在时域上连续高速采样不同通道的电信号并完成信号斩波功能；
4、所述低噪声放大器模块，包括基于反相器的电流复用放大器电路和用于稳定差分共模输出的共模反馈电路；是用于对开关采样及多路器模块采集的微弱生物电信号进行低噪声放大；
5、所述可调增益跟踪保持放大器模块，包括核心两级弥勒运算跨导放大器及用于采样保持的开关电容；是用于对低噪声放大器的输出信号稳定值进行跟踪保持，输出给最后一级的量化器模块进行数据量化；
6、所述量化器模块，包括一比特比较器，逐次逼近逻辑控制器和数模转换器；是用于对每个记录通道采样后的稳定值进行量化输出。
7、具体地，所述开关采样及多路器模块输出端与低噪声放大器模块的输入端是通过金属导线连接；所述低噪声放大器模块的输出端与可调增益跟踪保持放大器模块的输入端是通过金属导线连接；所述可调增益跟踪保持放大器模块的输出端与量化器模块的输入端是通过金属导线连接。
8、根据本申请实施例的第二方面，提供一种方法，包括：一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集方法，该方法包括以下步骤：
9、(1)开关采样及多路器在时域上连续高速采样多通道的微弱生物电信号；
10、(2)通过低噪声放大器对微弱生物电信号进行低噪声放大；
11、(3)利用可调增益跟踪保持放大器根据输入信号的种类调整增益，适应不同生物电信号的采集，并对前一级的低噪声放大器的输出信号稳定值进行跟踪保持，输出给最后一级量化器进行数据量化；
12、(4)最后通过量化器对每个记录通道采样后的稳定值进行量化输出。
13、进一步地，所述步骤(1)具体为：首先，开关在不同信号通道间根据周期按顺序高速采样；所述开关在芯片中由mos晶体管构成，通过外部控制信号能够快速导通和闭合，同时多路器将不同信号通道获取的信号，最后根据时间顺序串行传输至后级低噪声放大器的输入端。
14、进一步地，所述步骤(2)具体为：不同信号通道的信息串行输入至低噪声放大器；将微弱的生物电信号进行第一级放大，同时进行消除信号中的噪声。
15、进一步地，步骤(3)具体为：经过低噪声放大器放大后的信号，此时传输至可调增益跟踪保持放大器，根据不同信号的幅度特性，进行调节该级增益，得到适当放大的输出，防止超出后一级量化器量化范围；同时，通过开关电容实现对串行信号的跟踪保持，防止量化时不同通道信号串扰。
16、进一步地，所述步骤(4)具体为：所述采集架构使用量化器对每个记录通道的采样后的稳定值进行量化输出，量化器将模拟信号转换为离散的数字信号，进而进行数字信号的处理和分析。
17、根据本申请实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；
18、存储器，用于存储一个或多个程序；
19、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如所述的一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集方法。
20、根据本申请实施例的第三方面，提供计算机可读存储介质，包括：其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现所述的一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集方法步骤。
21、本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
22、本专利技术的stdm架构主要由四个本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集架构，其特征在于，该架构包括：开关采样及多路器模块、低噪声放大器模块、可调增益跟踪保持放大器模块和量化器模块；
2.根据权利要求1所述的一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集架构，其特征在于，所述开关采样及多路器模块输出端与低噪声放大器模块的输入端是通过金属导线连接；所述低噪声放大器模块的输出端与可调增益跟踪保持放大器模块的输入端是通过金属导线连接；所述可调增益跟踪保持放大器模块的输出端与量化器模块的输入端是通过金属导线连接。
3.一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：首先，开关在不同信号通道间根据周期按顺序高速采样；所述开关在芯片中由MOS晶体管构成，通过外部控制信号能够快速导通和闭合，同时多路器将不同信号通道获取的信号根据时间顺序串行传输至后级低噪声放大器的输入端。
5.根据权利要求3所述的一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集方法，其特
6.根据权利要求3所述的一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集方法，其特征在于，步骤(3)具体为：经过低噪声放大器放大后的信号，此时传输至可调增益跟踪保持放大器，根据不同信号的幅度特性，进行调节该级增益，得到适当放大的输出，防止超出后一级量化器量化范围；同时，通过开关电容实现对串行信号的跟踪保持，防止量化时不同通道信号串扰。
7.根据权利要求3所述的一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：所述采集架构使用量化器对每个记录通道的采样后的稳定值进行量化输出，量化器将模拟信号转换为离散的数字信号，进而进行数字信号的处理和分析。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如权利要求3-7所述方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集架构，其特征在于，该架构包括：开关采样及多路器模块、低噪声放大器模块、可调增益跟踪保持放大器模块和量化器模块；
2.根据权利要求1所述的一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集架构，其特征在于，所述开关采样及多路器模块输出端与低噪声放大器模块的输入端是通过金属导线连接；所述低噪声放大器模块的输出端与可调增益跟踪保持放大器模块的输入端是通过金属导线连接；所述可调增益跟踪保持放大器模块的输出端与量化器模块的输入端是通过金属导线连接。
3.一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种基于采样时分复用的并行生物电信号采集方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：首先，开关在不同信号通道间根据周期按顺序高速采样；所述开关在芯片中由mos晶体管构成，通过外部控制信号能够快速导通和闭合，同时多路器将不同信号通道获取的信号根据时间顺序串行传输至后级低噪声放大器的输入端。
5.根据权利要求3所述的一种基于...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。