本发明属于电子线路中信号预处理技术。 对于带有较高直流电位的交流小信号的隔直提取,例如生物医学电信号中的心电、脑电、肌电等,现有技术都是采用隔直流电容除去这些比有用信号大得多的直流电位,由于生物医学电信号低端频率往往很低,因此采用电容隔直将不可避免地引起低频失真。同时,在电极电位变化时,(例如心电检测中导程切换时)直流恢复时间较长,还会引起描笔出格(由于直流电位大幅度变化,导致超出动态范围),图形失落,甚至打坏记录笔。
本发明用动态预置直流电位来抵消信号中的高直流电位而起到隔直作用,从而提供一种能无低频失真传输带有高直流电位的交流小信号的隔直流技术及电路。
本发明的技术方案如图1所示。
具体描述如下:
时钟脉冲CK通过门控电路5在开关信号K的控制下,对信号跟踪电路3及直流电平平衡电路4进行交替计数,电路3及电路4的输出信号通过加法电路2相加后与输入信号Vi进行比较,比较器1的输出信号U/D作为电路3及电路4的可逆计数控制信号,以跟踪及逼近输入信号Vi中的交流小信号及直流电位。该技术方案中,时钟脉冲Ck首先对电路4进行计数,并使电路3清零,以使加法电路2的输出达到Vi中地直流电位,然后切换开关信号K,使这直流电位预置固定,并使时钟脉冲CK对电路3进行可逆计数,使电路3的输出信号Vo跟踪Vi。此时,电路3输出的Vo信号即为被去掉直流成分的Vi信号,其输出的数字信号D即为对应于Vo的数字量。
本发明提出的无低频失真的隔直流技术方案可由下述电路来实现。如图2所示,该电路由比较器电路6,加法器电路7,数模转换电路8,可逆计数器电路9,数模转换电路10,可逆计数器电路11和控制电路12组成。该电路的工作原理描述如下:
时钟脉冲CK在开关信号K的控制下,通过控制电路12首先对可逆计数器11进行计数(同时,可逆计数器9清零),计数器11的输出作为数模转换电路10的数字输入信号,并被转换成模拟信号。通过加法器电路7与输入信号Vi送入比较器电路6进行比较,比较器6的输出U/D作为可逆计数器11的加法或减法计数的控制信号,从而使得数模转换器10的输出电平逼近输入信号中相对大的直流电平。然后通过切换开关信号K,使得时钟脉冲CK通过控制电路对可逆计数器电路9进行计数,并停止对可逆计数器12进行计数,以保持该直流电位。计数器电路9的输出作为数模转换电路8的数字量输入,数模转换电路8的输出通过加法器电路7与数模转换电路10的输出相加后与输入信号Vi一起输入比较器电路6进行比较,比较器电路6的输出同时作为可逆计数器电路9的加法或减法计数器的控制信号,从而使得数模转换器8的输出Vo迅速逼近输入信号中相对小的交流小信号。这样数模转换器8的输出Vo就是已被去掉直流电位的输入信号Vi。同时计数器电路9的输出还可作为对应于Vo的数字量输出。该电路可作为一般生物医学电子仪器的前放电路。
由于在生物医学电子测量中,往往需将仪器与人体电隔离,因此,本发明还可加上由数模转换电路13及可逆计数器电路14组成的与上述组成的前置电路完全隔离的数据接收电路来接收上述前置电路的输出信号。
其工作原理如图3所示,数模转换电路13及可逆计数器电路14的输入信号Ck′及U/D可通过光耦、磁耦或电磁耦合等传输办法得到。从图3中可看出,该电路的结构同图2中的数模转换电路8及可逆计数器电路9的结构完全相同,实际上当电路8和电路9在跟踪交流小信号同时,电路13与电路14组成的数据接收电路亦同时跟踪输入信号,此时从数模转换器13的输出信号Vo即为已被去掉直流成份的输入信号Vi,而可逆计数器电路14的输出数码即为所对应的数字量D。
图4为本发明的一种实施方案的原理图。
比较器comp即为图2的比较器电路6,运算放大器OA3与电阻R2,R4,R5构成图2的加法电路7,运算放大器OA1,电阻R1及由R-2R电阻构成的电阻网络构成图2中的DAC1,运算放大OA2,电阻R1及由R-2R电阻构成的电阻网络组成图2中的DAC2,Count1及Count2为常规的可逆计数器,也可用触发器等电路来组合成所需的可逆计数器电路。由与门AND1,AND2及倒相器INT组成了如图2所示的控制电路12。Vref1为DAC1的参考电压,该电压的大小及DAC1的位数决定了信号跟踪的动态范围及量化精度。Vref2是DAC2的参考电压,该电压的大小及DAC2位数决定了被预置的直流电位的动态范围及预置精度。Vref3是DAC3的参考电压,该电压的大小及DAC3的位数决定了系统的增益,即接收电路的输出Vo的幅度及动态范围。
由电阻R6、运算放大器OA4及由R-2R构成的电阻网络组成了如图3所示的DAC3和Count3一起构成了如图3所示的数据接收电路。
用于信号传输时,可将图4A所示的电路作为发送单元,而将图4B所示电路作为接收单元。发送单元的输出信号U/D为一组由0,1码组成的脉冲序列,其脉冲周期即为时钟CK的周期T。此脉冲序列可调制射频、磁场或光强加以传送。而在接收端,则可用相应的检测元件对调制信号加以接收、解调而供应Count3作为U/D输入。接收端的Ck′信号可从上述脉冲序列中分离出来。当然亦可从发送端用另一独立通道加以传送。
本发明适用于构成高精度的前置放大器,特别是有用的交流小信号被高幅度的无用的直流电平掩盖的情况,它可消除或大幅度减小直流电平对放大器的影响,而使有用信号逼真地放大和传送。在生物医学信号,如心电、脑电、肌电等前置放大中更为有用。对于这些应用场合,它至少具有下列几个突出的优点:
1、正如前述,它可以消去由于电极电位(往往比有用信号大数百倍)对放大器的不利影响,而不存在信号的低频失真(即可将低半功率点从常规心电图的0.05Hz移至0Hz。
2、同时实现模拟与数字两种放大输出,使前放同时实现了模数转换的功能,便于用计算机处理信号。
3、有利于构成隔离放大器。由于发送接收间可籍数字信号进行信息传递,因此比常规的光耦、磁耦隔离放大器传输失真小、精度高。
4、与脉冲编码调制PCM的数据传输方式相比。在同样的信道传输速率下,可传送的信号频率可提高n倍(n为PCM的码长)。
5、与常规的生物电放大器相比,若利用在接收单元DAC3输出的信号作为记录器的输入,则由于DAC3的输出动态范围是已确定的,故而不会出现描笔越出记录范围而受损之现象。
6、由于DAC3是由具有给定位数的计数器Count3控制的,若遇到过大的生物电信号,则Count3的最高位可能出现溢出,而低位则是连续逼近信号的。因此利用这个原理构成的生物电放大器,如心电图机,不会发生由于基线漂移超越记录范围而使被记录信号失落的现象。
7、由于发送与接收之间采用的是数字信号传递,传输增益可以很方便的加以设定和调节。改变DAC3的参考电压Vref即可改变增益。于是利用这种原理构成的生物电放大器,可以不必再设置主放大器。
图1为本发明的技术方案图
图2为本发明的电路原理框图
图3为完全隔离的数据接收电路
图4为为本发明的一种实施方案原理图