构建高性能的生物电信号采集系统前端模块

图4 自适应滤波器的拓扑结构

　　构造出相位相差，频率分别为50、100、150Hz的六个“假想噪声”，然后在滤波过程中不断调整权值向量W，进而从有用信号和噪声的叠加信号T中得出和“假想噪声”最大线性相关的时间序列a，从模拟放大器的混合输出信号T中减去和“假想噪声”线性相关的序列a，就得到了和a不相关的误差序列e，这个序列就是所需的陷波结果。
效果比较
功耗的比较
　　根据实测，使用图2所示电路时，电源为正负12V，静态电流约为36.5mA，实际功耗为0.876W。使用集成模拟隔离放大器ISO124时，需使用正负5V电源，根据实测，这部分电路的实际静态电流约为25.8mA，实际功耗为0.258W。
　　本文所述方法，电路可以用3V的单电源供电，且省去模拟低通滤波器和工频陷波器。使用运行速度为8MIPS的dsPIC30F3012和数字隔离器ADuM2401来实现隔离。根据实测，这部分电路的电流为29.6mA，实际功耗为88.8mW。仅为第一种方法的约1/10，第二种方法的约1/3。以上功耗的计算方法还没有考虑多路信号同时采集的情况。根据上面的分析，对于一个四路同时采集的心电信号放大器而言，新方法的耗电量将仅是第一种方法的1/40，第二种方法的1/12。
信号失真度的比较
　　用峰峰值为0.5mV、频率为170Hz的正弦信号作为衡量上述几种隔离电路失真性能的标准信号（该信号由台湾INSTEK公司型号为GFG-3015的信号发生器产生，初始峰峰值为1V，通过电阻分压产生所需幅值的信号）。标准信号通过增益为1000的心电信号放大电路放大到1V，分别通过上述三种隔离电路隔离后，进行采集和存储。采样率都为4096Hz，采样长度为4096（即1S内的信号），其中使用模拟隔离的两种传统方法在隔离后用MAX197进行量化，该转换器的信噪比为70dB，能够完成量化任务而不造成附加失真；新方法则直接使dsPIC30F3012片内集成的12位模数转换器进行量化。量化结果加Blackman窗后进行FFT和归一化处理得到图12所示的结果。

图5 使用不同隔离方法传输正弦信号的频谱特性

　　从图5中可以发现，上述数字隔离电路和采用集成隔离放大器ISO122的隔离电路得到的协波失真和信噪比基本相同，说明这两种隔离方法对信号的信噪比影响较小。而采用普通光耦隔离的正弦信号的协波失真却高于另外两种方法，其中最坏协波失真在3次协波频率，仅为-30dB左右。分析其原因，主要是两只光耦的性能不一致造成的。另外由于它们分别在工作点上下两边的对称性也不佳造成3次协波失真大于2次协波失真的现象。
电路板面积的比较
　　对于便携式系统，电路板面积是一个非常重要的因素。经过实际测试，数字隔离电路所需电路板的大小仅为模拟隔离电路的一半以下。
结语
　　本文用Microchip公司的DSC平台的传感器方案设计了一个生物电信号采集系统前端模块。在提高信噪比的同时降低了系统功耗、成本、体积，且在生产过程中无需人工校调，适合大规模工业生产。实用性和经济性强，能够推进生物电信号系统的便携化。