一种用于生物电信号采集的模拟前端模块制造技术

本发明专利技术涉及一种生物电采集的模拟前端模块，尤其涉及一种用于生物电信号采集的模拟前端模块，属于智能可穿戴技术领域。所述模拟前端模块，包括：带通滤波器模块以及增益放大模块；带通滤波器模块包括二阶带通滤波器及有源滤波增益模块；二阶带通滤波器包括电阻R1、R2、R3、电容C1及C2；C1一端接地，另一端与R1串联；R1一端接输入，另一端接C1与C2且R1与C1串联；C2与R2串联；有源滤波增益模块包括运算放大器OPA1、R4及R5；且OPA1的正端连接C2和R2；OPA1的负端接R4和R5；R5与OPA1的输出端相连；R4的另一端接地。所述模块适用肌电和心电等信号采集且其带宽和增益可调，具有灵活性、普适性和器件可复用性，能降低生物电信号采集设备的开发成本和时间。成本和时间。成本和时间。

【技术实现步骤摘要】
一种用于生物电信号采集的模拟前端模块


[0001]本专利技术涉及一种生物电采集的模拟前端模块，尤其涉及一种用于生物电信号采集的模拟前端模块，属于智能可穿戴


技术介绍

[0002]可穿戴健康监护设备在老年人身体监护，康复监护和体育训练中应用越来越广泛。生物电信号，比如肌电，心电信号是可穿戴健康监护设备中重要的信号来源。其在健康监护和训练运动表现分析中都非常重要。然而表面肌电和心电信号都属于微弱信号，其中肌肉动作电位在
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90mV
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30mV，表面电极大概能获得1mV左右的电位，肌电信号的频率范围在10
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500Hz。心电信号幅值在10μV
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4mV，频率范围为0.05
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100Hz，其中90％能量集中在0.05
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35Hz。肌电和心电等生物电信号因其微弱易受外界信号的干扰。因此在对电极收集到的心电和肌电信号进行模数转换前，需要进行必要的模拟滤波和放大。其中滤波能够在频域滤除不必要信号，减少干扰信号。目前针对肌电和心电的模拟滤波通常单独设计，其带宽和截止频率等一经设计就不能更改，需要调整时就要重新分别对肌电和心电等生物电信号采集模块的前端电路进行设计。
[0003]当前可穿戴设备趋向多传感器融合设计，因此当产品需要根据应用调整信号带宽和增益时就需要重新设计滤波器和放大电路，缺乏灵活性和普适性。基于此，考虑生物电信号大多集中在低频波段，本专利技术设计一款可调前端模拟电路模块，融合了滤波器和放大模块并应用在肌电和心电采集设备的前端电路上，具有模块化和灵活性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于改善现有可穿戴设备无法根据应用调整信号带宽和增益的技术现状，提出了一种用于生物电信号采集的模拟前端模块，融合了模拟滤波器和放大器模块，适用肌电和心电等生物电信号采集且其带宽和增益可调。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0006]所述用于生物电信号采集的模拟前端电路模块，包括：带通滤波器模块以及增益放大模块；
[0007]其中，带通滤波器模块包括二阶带通滤波器以及有源滤波增益模块；
[0008]二阶带通滤波器为有源滤波器，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1以及电容C2；且电容C1一端接地，另一端与电阻R1串联；电阻R1一端接输入，另一端接电容C1与电容C2，且电阻R1与电容C1串联，具备低通特性；电容C2与电阻R2串联，具备高通特性；
[0009]有源滤波增益模块包括运算放大器OPA1、电阻R4以及电阻R5；且运算放大器OPA1的正端连接电容C2和电阻R2；运算放大器OPA1的负端接电阻R4和电阻R5；电阻R5与运算放大器OPA1的输出端相连；电阻R4的另一端接地；
[0010]其中，电容C1为接地电容；电容C2为耦合电容；
[0011]所述带通滤波器的中心频率为品质因数为：
[0012]其中，C为电容C1和电容C2共同引发的等效电容；
[0013]有源滤波增益模块的通带增益H为：
[0014]其中，参数电阻R2、电阻R4以及电阻R5为数控电位器，且此3个数控电位器受外部MCU控制，改变电阻R2、电阻R4以及电阻R5的阻值且阻值能连续变化，实现调谐；
[0015]增益放大模块包括运算放大器OPA2、电阻R6以及电阻R7；
[0016]运算放大器OPA2为负反馈运算放大器，该放大器OPA2的输出端，即增益放大模块的输入与电阻R6一端相连，电阻R6另一端接运算放大器OPA2的负端和电阻R7的一端；电阻R7的另一端接运算放大器OPA2的输出端；运算放大器的正端接地；
[0017]电阻R6以及电阻R7为数控电位器，受外部MCU的控制；
[0018]负反馈运算放大器OPA2的增益为
[0019]所述用于生物电信号采集的模拟前端电路模块的工作过程，包括如下步骤：
[0020]步骤1、确定所需的滤波器的中心频率；
[0021]步骤2、根据选择电阻R2的阻值；
[0022]步骤3、根据所需滤波器的带宽及选择K值和电阻R4、电阻R5的值；
[0023]步骤4、通过数控电位器实现电阻R2、电阻R4以及电阻R5的阻值变化，进而实现滤波器的调谐；
[0024]步骤5、通过数控电位器实现电阻R6以及电阻R7的阻值变化进而实现增益模块的增益调谐；
[0025]所述模拟前端电路模块中各部件的功能如下：
[0026]所述带通滤波器模块，通过电阻、电容和运放实现有源带通滤波器，通过数控电位器实现可编程的电阻阻值连续变化，进而实现滤波模块的中心频率和带宽的可调；其中，二阶带通滤波器实现二阶的带通滤波，具体为：电阻R1和电容C1，用于低通滤波，电容C2与电阻R2用于高通滤波；有源滤波增益模块中的运算放大器OPA1和电阻R4、电阻R5实现通带信号的增益放大；有源滤波模块还通过数控电位器替换电阻R2、电阻R4以及电阻R5来实现这些电阻阻值的连续变化，进而实现有源滤波模块的可调谐；
[0027]增益放大模块通过数控电位器替换R6和电阻R7来实现阻值连续变化，进而实现增益的可调节，具体通过运算放大器OPA2的负反馈电路实现输入信号的放大，其电压放大倍
数和负反馈受电阻值R6以及电阻R7有关，电压放大倍数为
[0028]有益效果
[0029]本专利技术一种用于生物电信号采集的模拟前端模块，与现有生物电信号采集模拟前端模块相比，具有如下有益效果：
[0030]1.所述模块融合了模拟滤波器和放大器，适用肌电和心电等生物电信号采集且其带宽和增益可调；
[0031]2.所述模块用于心电和肌电等生物电信号采集，具有灵活性、普适性和器件可复用性；
[0032]3.所述模块能够降低生物电信号采集设备的开发成本和时间；
[0033]4.所述模块依托的可穿戴健康监测设备在健康和体育中的广泛应用，具有较大的应用价值。
附图说明
[0034]图1是本专利技术一种用于生物电采集的模拟前端模块的组成与应用示意图；
[0035]图2是本专利技术中的一种生物电采集的模拟滤波模块的示意图；
[0036]图3是本专利技术中的一种生物电采集的模拟放大模块的示意图。
具体实施方式
[0037]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加淸楚，下面将结合附图对本专利技术一种用于生物电采集的模拟前端模块实施方式作进一步地详细描述。
[0038]实施例1
[0039]带通滤波器具体实施时，为简化电路设计，令C1＝C2；电阻R1的阻值与电阻R3相同；图1是本专利技术的体系模块,本系统融合滤波和放大模块，并引入可变电阻器，同时实现滤波和增益的可调，进而提供一种用于生物电的可调模拟前端系统。如图1所示，通过统一接口实现可调的滤波和放大模块，可适用不同的生物电信号的模拟前端。有源滤波器实现信号的模拟滤波，其带宽和中心频率都可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物电采集的模拟前端模块，其特征在于：包括：带通滤波器模块以及增益放大模块；其中，带通滤波器模块包括二阶带通滤波器以及有源滤波增益模块；二阶带通滤波器包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1以及电容C2；且电容C1一端接地，另一端与电阻R1串联；电阻R1一端接输入，另一端接电容C1与电容C2；有源滤波增益模块包括运算放大器OPA1、电阻R4以及电阻R5；且运算放大器OPA1的正端连接电容C2和电阻R2；运算放大器OPA1的负端接电阻R4和电阻R5；电阻R5与运算放大器OPA1的输出端相连；电阻R4的另一端接地；所述带通滤波器的中心频率为品质因数为其中，C为电容C1和电容C2共同引发的等效电容；；有源滤波增益模块的通带增益H为：其中，参数电阻R2、电阻R4以及电阻R5为数控电位器，且此3个数控电位器受外部MCU控制，改变电阻R2、电阻R4以及电阻R5的阻值且阻值能连续变化，实现调谐；增益放大模块包括运算放大器OPA2、电阻R6以及电阻R7；运算放大器OPA2为负反馈运算放大器，该放大器OPA2的输出端，即增益放大模块的输入与电阻R6一端相连，电阻R6另一端接运算放大器OPA2的负端和电阻R7的一端；电阻R7的另一端接运算放大器OPA2的输出端；运算放大器的正端接地；电阻R6以及电阻R7为数控电位器，受外部MCU的控制；负反馈运算放大器OPA2的增益为所述用于生物电信号采集的模拟前端电路模块的工作过程，包括如下步骤：步骤1、确定所需的滤波器的中心频率；步骤2、根据选择电阻R2的阻值；步骤3、根据所需滤波器的带宽及选择K值和电阻R4、电阻R5的值；步骤4、通过数控电位器实现电阻R2、电阻R4以及电阻R5的阻值变化，进而实现滤波器的调谐；步骤5、通过数控电位器实现电...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨召阳，葛焕敏，
申请(专利权)人：北京体育大学，
类型：发明
国别省市：