基础电子中的基于AD5933的高精度生物阻抗测量方案
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2020-11-08
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基础电子中的基于基础电子中的基于AD5933的高精度生物阻抗测量方案的高精度生物阻抗测量方案
其基本测量方式是通过体表电极向检测对象施加安全的激励电流，并使用体表电极检测相应的电压变化，获取
相关信息。该方法具有无创、无害、廉价的优点。 生物电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性及其变
化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术。 目前针对生物阻抗测量系统的研究和
文章很多，主要集中在对整个测量系统某组成部分的设计。显然，这些研究和设计工作均在某一方面对生物阻
抗测量系统的精度提高做出了贡献，但是单一的方法对精度的提高有限，本文采用ADI公司的高度集成的阻抗测
量芯片AD5933设计了一种精度高的阻抗测量方法，利用比例测量，DFT数字解调，软件校准和补偿四项技术，
整体
其基本测量方式是通过体表电极向检测对象施加安全的激励电流，并使用体表电极检测相应的电压变化，获取相关信息。
该方法具有无创、无害、廉价的优点。
生物电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技
术。
目前针对生物阻抗测量系统的研究和文章很多，主要集中在对整个测量系统某组成部分的设计。显然，这些研究和设计工
作均在某一方面对生物阻抗测量系统的精度提高做出了贡献，但是单一的方法对精度的提高有限，本文采用ADI公司的高度集
成的阻抗测量芯片AD5933设计了一种精度高的阻抗测量方法，利用比例测量，DFT数字解调，软件校准和补偿四项技术，整
体上提高了系统的测量精度。
比例测量方法
对电阻的测量，通常使用伏安法，生物阻抗测量也是基于伏安法的原理。即已知一个元件的电阻等于此元件两端的电压降
与流过其电流的比值，RX=UX/IX。然而在实际测量中往往使用比例测量的方法，在被测回路中串入采样电阻RS，有
IX=US/RS，因此：RX =UX/IX=RS×UX/US，这样就把电阻的测量转换成为两电压之比的测量，降低了对电压源US的准确度
和稳定度的要求，测量结果的精确度只与参比电阻的精度有关。比例测量的具体电路非常简单，如图1所示，用一只运算放大
器接成电压并联负反馈结构即可。
图1 比例法测量电阻的原理图
本文采用的阻抗测量芯片AD5933利用了上述比例测量的原理，测量电路如图2所示。利用DDS产生的正弦交流信号作为
激励源以获得阻抗的完整信息，待测阻抗可等效为电容和电导的并联模式，即YX=GX+jCX=AX<φ。在理想状态下不考虑放大
器等电路引起的幅值和相位的变化，设激励信号U1=U1msinwt，I=U1×YX，则响应信号U2=-I×RS=-U1×YX×RS=-
U1m×RS×AXsin(wt+j)，其中j被测电导的相位，AX为被测电导幅值，RS为参比电阻。只要将U2与U1做比较就可以得到待测
阻抗的信息，避免了电压源不稳定带来的误差，测量结果的精度取决于参比电阻的精度。
图2 AD5933比例法测量生物阻抗原理图
DFT数字解调
上述响应信号U2包含了阻抗的信息，与U1进行比较可以获得阻抗的信息，但是由于U2(调制信号)是U1(载波)经过阻抗的
调制得到的，U2中含有载频信息，不利于后面的阻抗信息提取，所以需将对响应信号U2解调，即去除载频w，还原为零基带
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