生物电阻抗测量系统中弱信号检测技术研究--弱信号检测调理单元设计与实现

大电路。

4.2.3.1 PGA870的应用

PGA870是一款高速全差分可编程增益放大器。它的高带宽、低失真、低噪音特性使它非常适合与14位ADC配合使用，其增益调节范围为-11.5 dB到20dB，增益步幅为0.5dB，增益准确度为0.03dB.频带范围为650MHZ.其内部结构图如图4.5所示。

从图中可以看出，输入差分信号依次经过衰减器、放大器、输出控制器，衰减倍数和放大倍数由控制逻辑位B0-B5和gain strobe、latch mode管脚控制。在power-down状态，静态电流降至2mA，但是增益控制电路仍能保持可编程。

4.2.3.2可编程增益放大电路的设计

为实现信号增益可控，设计中选择PGA870芯片，因为PGA870有三种配置模式，分别是电平锁存模式，沿寄存模式，组合逻辑方式，由配置管脚gain strobe和latch mode控制，其配置方式如表4.3所示。

组合逻辑方式的信号延迟最小，实时行相应最好，且配置方式需要的线也最小，只需将B0-B5连接到FPGA管脚上，Gain strobe和Latch mode接到3.3V上就可以了，综上，PGA870的配置方式采用组合逻辑方式，其在电路中的设计图如图4.6所示。

图中，为了减小信号反射的幅度，在B0-B5上均串联上一个电阻。为了减小前端直流偏置对本模块的影响，同时考虑到芯片内部已经提供了一个内部参考电压，信号输入端采用交流耦合方式，耦合电容选用较大值0.1uf，以让低频信号无衰减通过。因为放大器的输出电阻只有3.5欧姆，为实现信号的50欧姆端接，输出串联50欧姆电阻。

4.2.3.3可编程增益实现方式

可编程增益放大的实现由FPGA来完成，如图4.7所示，FPGA通过逻辑控制来确定配置模式，通过控制放大器的B0至B5管脚控制运放的增益。

PGA870的增益控制实现方式如表4.4所示，表中未列出全部控制组合，其增益按B0至B5变化组合以0.5dB步进。

4.2.4 ADC前端共模抑制模块

4.2.4.1 ADC前端电路

生物电阻抗测量系统中，信号采集的是直流信号，对于这种信号，不能用阻容耦合或变压器耦合的方式，宜采用直接耦合放大电路但存在零点漂移。所谓零点漂移是指当输人信号为零时，在放大器的输出端出现一个变化不定的输出信号的现象，简称零漂。前级的漂移被后级放大，因此严重干扰正常信号，级数越多，漂移越严重，甚至使放大器不能正常工作。在电路结构上，采用差分电路是目前应用最广泛的能有效抑制零漂的方法。

差分放大电路又叫差分电路，它能有效的减小由于电源波动和晶体管引起的零点漂移，因而获得广泛的应用。

差分电路的输入端有两个信号的输入，这两个信号的差值，为电路有效输入信号，电路的输出是对这两个输入信号之差的放大。设想这样一种情景，如果存在干扰信号，会对两个输入信号产生相同的干扰，通过二者之差，干扰信号的有效输入为零，这就达到了抗共模干扰的目的。

差分放大电路的特点：

1.由两个完全对称的共射电路组合而成。
2.电路采用正负双电源供电。
3.极强的共模抑制能力。

4.2.4.2共模抑制比

为了说明差分放大电路抑制共模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比，英文全称是Common Mode Rejection Ratio，因此一般用简写CMRR来表示。

差模信号电压放大倍数Aud越大，共模信号电压放大倍数Auc越小，则CMRR越大。此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。当差分放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数Auc=0，则共模抑制比CCMR→∞，这是理想情况，实际上电路完全对称是不存在的，共模抑制比也不可能趋于无穷大。

本文采用电路完全对称的差分电路以做到阻抗匹配和ADC前端调理，如图4.8所示：

图中芯片仍为PGA870可变增益放大器，其输出方式为全差分的，能有效的抑制环境中的共模干扰，其CMRR可达到76db，PGA870的输出端采用RC网络进行信号的端接，能有效的减小信号的反射，并采用交流耦合的方式将信号传送至后端ADC芯片。图中信号线ADC_VCM提供差分信号合适的直流偏置，在信号线ADC_IN2+和ADC_IN2-上串接5欧姆的电阻来减小反射过冲电流的大小。

4.3时钟模块设计

4.3.1时钟电路设计分析

时钟对于高速ADC系统而言尤其关键，这是因为时钟信号的时序准确性可以直接影响ADC的动态特性。理想的时钟源是不会抖动的，因此ADC可以精确的在每个固定的时间间隔进行采集，但是实际电路中各种不确定的因素都会造成时钟的抖动。如图4.9所示，这种时序的不确定性带来的结果是采样波形出现一个为eΔV的误差电压，这相当于在原信号上引入了新的噪声，从而ADC的信噪比会受到数据转换过程的影响。