一种面向微弱的生物电势呼吸信号检测的调制解调电路

1.本发明属于通信技术领域，具体涉及一种面向微弱的生物电势呼吸信号检测的调制解调电路。


背景技术：

2.目前，呼吸检测主要有电感体积描记法、热敏电阻法、压力传感器法、通过心电信息获取和阻抗呼吸检测五种方法。电感体积描记法需要将背心式的传感装置置于胸肋部和腹部，会使受试者有束缚感；热敏电阻法由于热敏电阻的相应时间较长，检测有一定滞后，从而限制了它的应用；压力传感器对传感器的放置要求很高，并且需要将压力传感器固定在人体上，给受测者带来不适感，已经很少用于动态监护的领域；通过心电信息获取呼吸信号是一种新的呼吸信号检测技术，而目前尚无该方法在实际应用中的报道；阻抗呼吸检测法由于其呼吸检测无创、安全、简单、便宜且不会给受测者带来任何副作用，是目前呼吸检测中最为常用的一种方法。
3.人体的胸部相当于一段容积导体，其阻抗包括电阻z、感抗l和容抗c。由于人体感抗很小，一般可忽略不计，而容抗在高频电流作用下也很小，所以对高频电流来说，胸阻抗可以看做是电阻的变化。阻抗法测量人体电阻主要有电桥法、恒流法和恒压法3种。电桥法对皮肤处理要求较高，且电桥平衡调节困难，实际中很少用到，恒压法和恒流法本质上是一样的。常用的呼吸检测电路是利用呼吸阻抗法原理，它借用心电的胸部监护电极，采用高频激励脉冲使呼吸波信号调制在其之上，然后对被调制电路进行解调、放大、滤波，获得清晰、稳定的呼吸曲线，电路原理框图如图1所示。高频激励电路通常采用单稳态/多谐振荡器产生60khz左右的方波，经恒流后通过心电电极加到人体胸部，得到了高频对呼吸信号调制后的高频信号通过一个低噪声、低漂移、高共模抑制比的前置放大器后送到包络检波电路对其进行检波解调，最后对解调后的信号分别进行高通滤波、低通滤波以及放大，并送入a/d模块进行数据处理。如图1所示的呼吸检测电路在解调部分用的是包络检波电路，它将调制在高频载波上的呼吸信号检测出来。该电路由检波二极管、低通滤波器和电压跟随器组成，但是此电路受二极管的限制，存在动态范围小、灵敏度低的缺点，且包络检波只适合于高信噪比的情况，当输入信噪比降低到一个特定数值后，包络检波器会把有用信号看做噪声，即会产生“门限效应”。且整个电路结构复杂，将消耗大量的硬件资源，进而占用较大的面积资源。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是，面向微弱的生物电势呼吸信号检测的调制解调电路存在的“门限效应”、功耗高、面积大的缺陷。
5.本发明提供一种面向微弱的生物电势呼吸信号检测的调制解调电路，包括第一晶体管电路，
6.所述第一晶体管电路包括第一传输门，第二传输门第三传输门，第四传输门，第一
电阻，第二电阻，第三电阻，第四电阻；
7.第一传输门第一端分别与io1接口和第三传输门第一端连接；
8.第一传输门第二端分别与第一电阻第一端和第二传输门第二端连接；
9.第二传输们第一端与io3接口和第四传输门第一接口连接；
10.第三传输门第二端分别与第四传输门第二端第三电阻第一端连接；
11.第一电阻第二端分别与第二电阻第一端，第二电阻第二端，io2接口连接；
12.第三电阻第二端分别与第四电阻第一端，第四电阻第二端，io4接口连接；
13.第一传输门第三端，第二传输门第四端，第三传输门第四端，第四传输们第三端分别与时钟信号s1端口连接；
14.第一传输门第四端，第二传输门第三端，第三传输门第三端，第四传输们第四端分别与时钟信号_s1端口连接。
15.进一步的，第一晶体管电路由s1、_s1、s2、_s2四个时钟信号驱动的开关组成，时钟信号在频率f
chop
下相位互补，io1和io3是一组差分输入信号，io2和io4是一组差分输出信号，第一晶体管电路中开关由四个传输门实现，所述四个传输门开关在非交叠时钟s1、_s1、s2、_s2的控制下，轮换打开与关闭。
16.进一步的，所述系统将人体呼吸信号输入第一晶体管电路调制为差分信号inn-inp，差分信号inn-inp经过pga的放大后输入第一晶体管电路将该信号解调回原信号，得到差分信号。
17.进一步的，还包括人体呼吸信号模拟电路，所述人体呼吸信号模拟电路包括，第五电阻，第六电阻，第其电阻，第八电阻，第九电阻，第十电阻，第十一电阻，第十二可变电阻，第一电容，第二电容，第三电容，第四电容，第五电容，第六电容，第七电容，第八电容，；
18.第五电阻第一端分别与第一电容第二端，第二电容第一端连接；
19.第一电容第一端接地；
20.第二电容第二端分别与第七电阻第一端，第七电容第一端，第五电容第二端连接；
21.第六电阻第二端分别与第四电容第一端，第三电容第一端连接；
22.第四电容第二端接地；
23.第三电容第二端分别与第八电阻第一端，第八电容第一端，第六电容第二端连接；
24.第八电阻第二端与第十二电阻第二端连接；
25.第十一电阻第二端与第十二电阻第一端连接；
26.第七电容第二端分别与第七电阻第二端第十一电阻第一端连接；
27.第五电容第一端分别与第九电阻第一端，可变增益放大器第一端连接；
28.第六电容第一端分别与第是电阻第二端，可变增益放大器第二端连接；
29.第就电阻第二端与第十电阻第一端连接。
30.本发明针对面向微弱的生物电势呼吸信号检测的调制解调电路所存在的“门限效应”、功耗高、面积大等问题，通过对呼吸信号进行调制解调，解决了传统的包络检波中对于小信号信噪比会产生“门限效应”的问题，且在后续的数据处理中采用了基于二阶开关电容的sigma-delta调制器，不再需要信号解调后的一系列滤波器，同时也降低了电路结构的复杂度，减小了面积及功耗。
附图说明
31.图1传统的呼吸阻抗法呼吸检测电路框图。
32.图2技术原理图。
33.图3第一晶体管电路图。
34.图4采用新的调制解调电路对呼吸信号进行检测的电路框图。
35.图5测试波形图。
具体实施方式:
36.本发明的发明构思是通过第一晶体管电路对呼吸信号进行调制解调，来降低整个模拟前端电路结构的复杂度，并且减小了面积及功耗。具体工作原理如下：
37.先用一个方波信号把输入信号vin调制到高频。为了防止出现信号混叠现象，方波信号的频率应为输入信号截止频率f
t
的两倍以上。s(t)是频率为f
chop
，占空比为50％的方波信号，其傅里叶表达式为：信号，其傅里叶表达式为：其中，其频谱为其频谱为其中，n表示变换点数，odd表示奇数，even表示偶数，而经过高频调制后的输入信号经过运放放大处理后，解调信号对其进行解调。其原理图如图2所示，结合原理图，可将整个调制与解调的过程分解如下：
38.一、方波信号s(t)对输入信号vin进行调制，其频谱为：相当于将输入信号的频谱搬移至奇数倍的谐波频率处，且幅值随奇数值的增大逐渐减小。
39.二、调制后的信号输入到可调增益放大器(pga)，经过pga的放大再输出,设置pga的增益为a，其频谱为：
40.三、解调信号即s(t)对放大器的输出信号进行解调，得到输出信号的频谱为：
41.从上面的过程中可以看出，输入信号经过了调制和解调，这样信号得以恢复。
42.第一晶体管电路图如图3所示，第一晶体管电路由s1、_s1、s2、_s2四个时钟信号驱动的开关组成，时钟信号在频率f
chop
下相位互补。io1和io3是一组差分输入信号，io2和io4是一组差分输出信号。第一晶体管电路中开关由4个传输门实现，相比较于传统的nmos开关，传输门开关具有较小且较稳定的导通电阻，通常为几百ω；且传输门开关可抵消部分注入、馈通效应。这四个传输门开关在非交叠时钟s1、_s1、s2、_s2的控制下，轮换打开与关闭。举例说明，当s1＝1、_s1＝0、s2＝0、_s2＝1时，输出端信号与输入端信号同相；当s1＝0、_s1＝1、s2＝1、_s2＝0时，输出端信号与输入端信号反相，这样就完成了信号的调制。
43.本发明设计的面向微弱的生物电势呼吸信号检测的调制解调电路的结构如图4所
示，它包括呼吸调制电路、可调增益放大器(pga)、呼吸解调电路以及sigma-delta调制器电路。具体实现过程如下：
44.呼吸调制电路由mod_en位控制，当mod_en＝0时，呼吸调制电路关闭；当mod_en＝1时，呼吸调制电路开启。呼吸解调电路由demod_en位控制，当demod_en＝0时，呼吸解调电路关闭；当demod_en＝1时，呼吸解调电路开启。调制电路开启后，首先，64khz的高频信号resp_clk经过恒定电流后通过心电电极加到人体胸部，此时胸阻抗的变化在高频电流作用下基本等于电阻的变化，得到了对呼吸信号调制后的高频信号，该信号与人体的呼吸频率呈正比。由于呼吸时的胸部阻抗变化不大，只有几十ω，采用几十kω的大电阻可以使电流达到一个相对稳定的状态，故图4中用一个大电阻r11串联一个可变小电阻r12模拟人体呼吸阻抗的变化，其中r12的变化频率为人体呼吸频率。由于医疗产品在标准中有漏电流限制，r7、r8主要用来限制电流输出，而一系列电容等都是用来限制直流流到人体，对人体造成伤害。然后调制后的差分信号inn-inp通过一个低噪声、低漂移、低功耗、高共模抑制比的可变增益放大器(pga)中将其放大，vbias用于对pga的直流偏置，得到放大后的信号pga_on-pga_op。最后把放大后的信号送入呼吸解调电路对其进行解调，得到人体经过放大之后的呼吸信号io1-io2，并送入基于二阶开关电容的sigma-delta调制器进行数据处理，由于该调制器自带噪声整形和低通滤波功能，故在呼吸信号解调后不需再额外增加一系列滤波器。
45.对图4所示的整体电路框图进行specture仿真，设置r11＝6kω，r12受幅度为200mv、频率模拟人体呼吸频率3hz的正弦波电压源控制，设置为64khz的方波，第一晶体管电路将模拟的人体呼吸信号(正弦信号)调制为差分信号inn-inp，再经过pga的放大，第一晶体管电路再将该信号解调回原信号，得到差分信号io1-io2。经调制和解调后的波形如图5所示。
46.该结构克服了传统的包络检波电路“门限效应”的问题，而且由于后续调制器自带噪声整形和低通滤波功能，不必再额外增加滤波电路，从而降低了整个电路的电路复杂度，也节省了面积和功耗。

技术特征：
1.一种面向微弱的生物电势呼吸信号检测的调制解调电路，其特征在于，包括第一晶体管电路，所述第一晶体管电路包括第一传输门，第二传输门，第三传输门，第四传输门，第一电阻，第二电阻，第三电阻，第四电阻；第一传输门第一端分别与io1接口和第三传输门第一端连接；第一传输门第二端分别与第一电阻第一端和第二传输门第二端连接；第二传输们第一端与io3接口和第四传输门第一接口连接；第三传输门第二端分别与第四传输门第二端第三电阻第一端连接；第一电阻第二端分别与第二电阻第一端，第二电阻第二端，io2接口连接；第三电阻第二端分别与第四电阻第一端，第四电阻第二端，io4接口连接；第一传输门第三端，第二传输门第四端，第三传输门第四端，第四传输们第三端分别与时钟信号s1端口连接；第一传输门第四端，第二传输门第三端，第三传输门第三端，第四传输们第四端分别与时钟信号_s1端口连接。2.如权利要求1所述的一种面向微弱的生物电势呼吸信号检测的调制解调电路，其特征在于，第一晶体管电路由s1、_s1、s2、_s2四个时钟信号驱动的开关组成，时钟信号在频率f
chop
下相位互补，io1和io3是一组差分输入信号，io2和io4是一组差分输出信号，第一晶体管电路中开关由四个传输门实现，所述四个传输门开关在非交叠时钟s1、_s1、s2、_s2的控制下，轮换打开与关闭。3.如权利要求1所述的一种面向微弱的生物电势呼吸信号检测的调制解调电路，其特征在于，所述电路将人体呼吸信号输入第一晶体管电路调制为差分信号inn-inp，差分信号inn-inp经过pga的放大后输入第一晶体管电路将该信号解调回原信号。

技术总结
本发明针对面向微弱的生物电势呼吸信号检测的调制解调电路所存在的“门限效应”、功耗高、面积大等问题，通过对呼吸信号进行调制解调，解决了传统的包络检波中对于小信号信噪比会产生“门限效应”的问题，且在后续的数据处理中采用了基于二阶开关电容的Sigma-Delta调制器，不再需要信号解调后的一系列滤波器，同时也降低了电路结构的复杂度，减小了面积及功耗。耗。耗。


技术研发人员：唐枋 张铃
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.02.06
技术公布日：2023/7/31