生物电阻抗丈量体系包含电阻抗成像优化电极装备计划、高速高精度电阻抗丈量办法、高速数据实时处理办法、阻抗图画重建办法等。高速高精度电阻抗丈量办法中，信号收集体系的前端信号检测调度是影响信号收集速度和精度的要害要素。因而，怎么规划弱小信号检测调度体系成为生物电阻抗丈量体系的要点之一。
本章首要介绍弱小信号检测调度单元的规划。包含各个模块的规划思维和规划原理，给出各个模块的实践规划电路图。本章最终经过对PCB功用板进行试验测验，到达预期的增益调度才干和共模按捺才干，阐明本文规划的检测电路合理可行，调度单元对信号进行了有用改进。
4.1弱信号检测调度体系总体规划
4.1.1体系要求
信号检测调度单元是生物电阻抗丈量体系的前端，所要检测的信号是弱小信号，即弱电流信号或许弱电压信号。由于所规划的鼓励源是电压源，因而本文所规划的调度单元是以电压输入的。根据生物电阻抗丈量体系的特殊性，信号检测调度单元有必要满意以下目标：
1、体系输入阻抗大于1M.
2、信号检测功用板能检测到mV级弱小信号。
3、信号的有用带宽50MHz，前端处理模块的有用带宽应大于250MHz.
4、调度单元的输出信号无杂散动态规模到达50dB以上。
5、在共模噪声按捺方面，调度单元将信号共模按捺比进步8dB.
6、体系的信号增益可控方面，信号增益操控规模到达-11.5dB至+20dB.
4.1.2体系总体规划
由于生物医学信号的特殊性，传感器的输出信号一般都很弱小，并且淹没在强噪声布景中，因而一般需求经过必定的预处理才干进行有用而精确的改换，这种对信号的前端调度进程称为弱信号预处理进程，信号检测预处理包含扩大、滤波、电气阻隔以及为传感器供给鼓励电压或许电流等。
前端调度电路的功用对整个丈量体系的功用有着至关重要的影响，假如前置电路的信噪比、漂移和噪声功用很差的话，那么被测信号在进入ADC之前就会混入很大的噪声，即使选用高精度和低噪声的ADC也没有含义了。
在生物电阻抗丈量体系中，ADC的前端规划是重要的一环，为了确保整个模仿通道中的信号不失真地传递给ADC，本文首要根据以下要害点考虑弱信号检测预处理电路的总体规划。
1、阻抗匹配。
在体系中，若有信号传递时，最好状况是由信号的宣布端起，在能量丢失最小的景象下，能顺畅传到接纳端，并且接纳端将其彻底吸收而不作任何反射[19]。
2、共模按捺比。
在电源鼓励信号丈量中，由于电极在人体外表的安放部位不同使得电极与皮肤间的触摸也不同，导致在扩大器的输入端有几毫伏以上的直流电压，加上人体外表各部位还存在必定的电位差，信号检测扩大器的输入端总会存在比有用信号大几十倍的直流信号，这样就约束了共模按捺比的进步。
3、可控增益。
在体系中，由于固定增益将使得大信号进入非线性作业区且或许导致扩大信号超出数据收集的量程规模而呈现信号被削平的现象，或许使得小信号扩大缺乏，不能使扩大信号到达或挨近数据收集的量程规模而发生较大的量化差错。因而选用可编程增益扩大器规划，使扩大通道增益可控。
4、输入失调电压。
一般两个输入端电压差为零（两输入端短接地）时，其输出都不为零。假如在恣意一个输入端加上一个巨细和方向适宜的直流电压，便可人为地使输出为零，这个外加的直流电压即运放的失调电压。
5、输入噪声。
输入噪声分电压噪声和电流噪声。低频规模（生理信号）的1/f噪声，会引起运放作业点漂移；电阻、半导体结间噪声受温度、频率影响。
由于模数转化器的转化速率、分辨率、失真度以及输入通道、输入结构、电源要求方面的差异，从而使规划特定的ADC前端时，有必要考虑阻抗匹配、电荷注入、噪声按捺、输出精度和输出驱动才干等许多要素。
本文规划的前端弱信号检测预处理电路包含：衰减匹配电路、射随、可编程增益扩大、ADC前端调度电路。其体系框图如图4.1所示。
由于源端信号起伏改变规模较大，因而规划了衰减电路；射随电路是为了有用的完结源端与处理端的阻隔，选用ADA4871芯片。可编程运放完结信号的扩大与衰减，可由FPGA进行编程操控，选用TI公司的PGA870芯片。ADC前端调度选用差分方法，时钟规划选用%&&&&&%S8430芯片。
4.2弱信号检测调度模块规划
4.2.1阻抗匹配电路模块
阻抗匹配电路规划是弱信号检测预处理的前端规划，是整个体系的最前端。经过阻抗匹配电路进行开始的调度，确保前端输入的生物信号的完整性。由于前端电源鼓励信号的输出阻抗的不确认性，不能确保其和信号处理端信号传输阻抗的50Ω相匹配，因而有必要在前端参加一个阻抗匹配电路使其输入阻抗与电源鼓励信号的输出阻抗相匹配，完结输出端与信号处理端的信号传输阻抗相匹配。
4.2.1.1衰减电路剖析
典型的衰减匹配电路有π型电路和T型电路，如图4.2所示。为坚持输入输出的阻抗持平，电路呈对称方法，因而，不管是π型仍是T型衰减电路，R2和R3都取相同的值。但本体系中输入阻抗不确认，而π型电路和T型电路时针对具有确认输入阻抗的体系而规划的，因而不能运用这两种典型电路。
根据生物电阻抗丈量体系特性考虑，衰减电路规划要有灵活性，能匹配必定规模内的输入阻抗。规划时考虑：1、参加0电阻以备工程中调理；2、恰当添加冗余布线，以悬空不焊接的方法冗余备用；3、参加恰当的电容，以作为在输入频率变高时，电阻阻抗改变的补偿。
4.2.1.2衰减电路规划
为处理常用衰减电路难以匹配不确认性输入阻抗的问题，根据生物电特性和鼓励信号考虑，本文规划的衰减电路如图4.3所示。
根据鼓励信号的特色，衰减网络的输入阻抗要求到达1M.本文规划的衰减电路有必定的灵活性，在电阻R 1后端串一个0的电阻R 2，以方便在工程中根据实践状况调理。由于实践中电阻都有必定的寄生电容，为确保衰减通道的频带平整性，电阻R 1和R 3上别离并上一个补偿电容C 1和C 2。
该规划有如下推导：由于图中C 3、R 4、C 4、R 5都不焊接，故该电路等效于C 1 //R 1串上C 2 //R 3。由频域剖析，%&&&&&%阻抗为1/ jωC.所以有：
从（4.2）中能够看出，输出与输入坚持同频同相，这样就到达了衰减要求和频带平整性的要求。
取R 3 =400k欧，则C 2 =18pF
由于R3C2 =R1C1
所以R 1 =600k欧姆，C 1 =12pF
4.2.2射随模块
由于电源鼓励信号的信号强度十分弱小，简略遭到噪声的污染，因而添加一级射随电路确保信号具有较强的驱动才干，以确保不由于驱动才干弱而使信号被衰减。
4.2.2.1射随电路规划剖析
射随电路首要功用是坚持输入信号的幅频特性，即坚持信号起伏和频率不变。但是在射随前端须确保信号的完整性且信号具有较小的衰减，在射随的输出端与输入端坚持起伏和频率的共同并且具有较强的驱动才干，因而射随电路有必要具有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗。射随电路的规划，是根据以下考虑规划的：
1.完结射随功用。使输入信号经过电路坚持信号完整性。
2.确保功用目标彻底完结。体系规划的底子根据是体系所要到达的功用目标，因而体系功用目标需首要得到确保。如输入阻抗大于1M等。
3.模块规划的灵活性。电源鼓励信号十分弱小，并且动态规模较大。场效应扩大电路模块规划需具有习惯动态规模大的特色。
4.安全可靠性。有满意的抗干扰才干，要确保在规则的作业环境下，体系能安稳，可靠地作业。确保体系精度能符合要求。
5.信号频率考虑。射随电路的频带有必要大于250MHz. 6.经济性准则。在遵从以上规划准则的条件下，在器材挑选上尽量以完结相同的功用的根底上挑选那些价格相对来说比较低一些的器材为规范，这样能够有用地下降生产成本，为产品进入市场打下杰出的根底。
4.2.2.2 ADA4817芯片的使用
ADA4817是一款安稳的单位增益扩大器，它供给超高速电压反应，场效应输入。该扩大器能取得超低噪声和高输入阻抗。ADA4817输出0.1Vpp时，信号有用带宽1050MHz，满意频带要求。
ADA4817从模仿设备上引出一条新的低失真引出线，比较于传统的引出线，该低失真引出线有两个优势。一是能改进二次谐波失真功用，它能物理阻隔扩大器的输入管脚和负电接入管脚电路。二是布局简略，它能进步倒相输入，答应严密的布局和容易的布局，协助减小寄生增益和安稳性增加。
广泛的带宽和较低的噪声使之成为扩大器的抱负挑选，特别是在高速收集信号检测预处理的使用。
ADA4817各管脚描绘如表4.1所示：
ADA4817各参数的最大肯定定额值如表4.2所示：
4.2.2.3射随扩大电路规划
场效应扩大器广泛用于数据收集体系，射随电路选用ADA4817芯片。本文规划该电路首要完结射随电路功用。
射随电路规划计划如图4.4所示。
