用于生物阻抗測(cè)量的同步多通道高精度恒流源

引言

生物電阻抗檢測(cè)和成像系統(tǒng)的目標(biāo)檢測(cè)量是生物組織的電阻抗信息，對(duì)于接觸式檢測(cè)方式，其硬件部分為體表電位測(cè)量系統(tǒng)：對(duì)于非接觸式檢測(cè)方式，其硬件部分為微弱磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。這兩種測(cè)量系統(tǒng)一般都由激勵(lì)源、電極、信號(hào)處理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路和控制單元等部分組成。其中，激勵(lì)源的作用是提供直接作用于人體的電流或磁場(chǎng)激勵(lì)信號(hào)，其精度和穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。同時(shí)，由于其直接作用于人體，對(duì)其安全性又提出特殊的要求。

目前已有文獻(xiàn)報(bào)道的生物電阻抗檢測(cè)和成像系統(tǒng)的激勵(lì)源主要包括以下幾種：由PLD、可編程時(shí)鐘芯片和高速DAC組成的激勵(lì)源：由可編程信號(hào)發(fā)生器MAX038實(shí)現(xiàn)的激勵(lì)源；用FPGA實(shí)現(xiàn)的基于DDS(數(shù)字直接合成)原理的激勵(lì)源：以及采用現(xiàn)有專門的DDS集成芯片在DSP的控制下實(shí)現(xiàn)的激勵(lì)源等。其中，基于DDS原理的FPGA實(shí)現(xiàn)方法與專門DDS集成芯片應(yīng)用較為廣泛。相對(duì)而言，專門DDS集成芯片以其頻率穩(wěn)定度高、分辨率高、調(diào)節(jié)方便、輸出范圍寬以及轉(zhuǎn)換速度快、相位噪聲低、與單片機(jī)、DSP等通訊方便等特點(diǎn)尤其受到人們的青睞。

本文分析了生物電阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)源性能的特殊要求，闡述了DDS芯片AD9959在生物電阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用，隨后介紹了AD9959的使用方法，并設(shè)計(jì)了基于AD9959的生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)的高性能激勵(lì)源電路。

生物電阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)源的特殊要求

作為用于檢測(cè)人體電阻抗信息的生物電阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)，對(duì)其激勵(lì)源部分有以下特殊要求：

(1)激勵(lì)和參考信號(hào)相位方便調(diào)整。現(xiàn)有的生物電阻抗檢測(cè)和成像系統(tǒng)中，多數(shù)使用模擬鎖相解調(diào)的方法測(cè)量采集到的攜帶阻抗信息的電壓信號(hào)，此時(shí)激勵(lì)源不僅提供激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)也提供用于鎖相解調(diào)的參考信號(hào)。而參考信號(hào)與激勵(lì)作用下傳感器產(chǎn)生的待測(cè)信號(hào)在進(jìn)入鎖相解調(diào)電路之前往往經(jīng)過不同的信號(hào)通路，通常都存在不同的相移，如不進(jìn)行補(bǔ)償，該相移就會(huì)被疊加在由待測(cè)生物阻抗引起的相移中，帶來(lái)測(cè)量誤差。尤其對(duì)于非接觸式阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)，由于激勵(lì)電極和測(cè)量電極其一或均為線圈，往往需要后接高階的濾波電路以濾除干擾，將造成待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)較大的相對(duì)相移，此時(shí)必須對(duì)參考信號(hào)相位進(jìn)行補(bǔ)償。調(diào)整DDS芯片參考信號(hào)通道的相位控制字為一種可行、可靠、有效的補(bǔ)償方式。

(2)對(duì)激勵(lì)信號(hào)幅值、頻率、相位的精度要求。在生物電阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)中，測(cè)量電極采集到的信號(hào)是對(duì)激勵(lì)信號(hào)的直接響應(yīng)，因此，激勵(lì)信號(hào)的幅值精度直接決定了生物電阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)的測(cè)量精度。具體的，應(yīng)使激勵(lì)信號(hào)的幅值誤差小于測(cè)量電路采用ADC的1LSB。當(dāng)進(jìn)行生物阻抗譜的測(cè)量時(shí)，需要激勵(lì)源工作于掃頻模式，此時(shí)高頻率分辨率保證了可以實(shí)現(xiàn)任意步長(zhǎng)的掃頻模式。非接觸式檢測(cè)時(shí)，傳感器(感應(yīng)線圈)輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是信號(hào)頻率的一次函數(shù)，信號(hào)頻率發(fā)生微小波動(dòng)時(shí)，會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果，因此要求信號(hào)源具有高的頻率精度和穩(wěn)定度。為了滿足上述通道相位補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性，也希望激勵(lì)信號(hào)的相位有較高的精度。

(3)激勵(lì)源輸出信號(hào)為電流信號(hào)，并對(duì)于待測(cè)生物組織呈現(xiàn)恒流特性。生物電阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)通過向人體注入激勵(lì)電流后，檢測(cè)組織內(nèi)部建立的電流場(chǎng)分布來(lái)獲得被測(cè)點(diǎn)的阻抗信息。激勵(lì)源的恒流特性可使其受電極未知接觸阻抗影響較小，減少負(fù)載阻抗在測(cè)量中引入的誤差。負(fù)載阻抗通常包括電極與皮膚的接觸阻抗、電極本身的阻抗以及待測(cè)生物組織阻抗，其中電極本身的阻抗一般約為0.1～3kΩ，待測(cè)生物組織的阻抗約為幾百千歐，因此通常需要激勵(lì)源電流輸出阻抗約為幾兆歐時(shí)，才會(huì)對(duì)生物組織呈現(xiàn)出較好的恒流特性。

(4)盡可能寬的激勵(lì)信號(hào)輸出范圍。目前，公認(rèn)的生物阻抗檢測(cè)特征頻率為50kHz，然而又有研究發(fā)現(xiàn)人體組織復(fù)阻抗的虛部包含著豐富的生理、病理信息，該虛部信息十分微弱，但其大小隨激勵(lì)信號(hào)頻率的提高而增強(qiáng)，因此在某些檢測(cè)場(chǎng)合中希望激勵(lì)源可實(shí)現(xiàn)盡可能高的激勵(lì)頻率。

DDS芯片AD9959

AD9959簡(jiǎn)介

AD995％ADI新推出的一款DDS芯片，采用高級(jí)DDS技術(shù)，可在低功耗下提供高性能。它集成了四個(gè)直接數(shù)字頻率合成器(DDS)內(nèi)核，四路具有卓越寬帶和窄帶SFDR性能的高速10bit DAC，共8個(gè)輸出通道，每個(gè)通道均具有專用的32bit頻率控制字、14 bit相位控制字和10bit幅值控制字，每個(gè)通道均可提供獨(dú)立的頻率、相位和幅度控制。其采樣時(shí)鐘高達(dá)500MSPS，內(nèi)有范圍為4～20的倍增因數(shù)配合參考時(shí)鐘使用，最終可使每個(gè)通道的信號(hào)頻率最大為116MHz。其可通過串口方便宴現(xiàn)與控制單元的通信。AD9959的性能足以滿足低相位噪聲、低雜散噪聲、快速頻率切換以及寬帶線性掃描等要求。

AD9959作為生物阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)激勵(lì)源的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

對(duì)比其他DDS芯片，AD9959不僅在功耗和性能方面優(yōu)于其他，更具有一些特性使之特別適用于生物電阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)。

首先，AD9959 DDS核的固有同步性為實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的參考信號(hào)提供了保證。AD9959用一個(gè)公用參考時(shí)鐘同步其4個(gè)DDS核及DAC通道，避免了多個(gè)單通道DDS同步過程中由于器件特性差異造成同步困難的問題，避免了復(fù)雜的同步設(shè)計(jì)。在通常的同步設(shè)計(jì)中，要使各DDS同步，首先要將參考時(shí)鐘的相位差最小化、時(shí)鐘邊沿要足夠的陡、其次同步改變工作寄存器的值，再次還要處理各DDS時(shí)鐘路徑不同造成的時(shí)間信號(hào)相位延遲的問題。4+DDS核的固有同步性降低了系統(tǒng)成本，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)同步設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，保證了基于鎖相放大的生物電阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)的參考信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)的同步性，為參考信號(hào)通道相位補(bǔ)償提供了基礎(chǔ)。

其次、AD9959各通道獨(dú)立的相位、幅度控制可使參考信號(hào)在信號(hào)通路中形成的相位誤差得到補(bǔ)償，并滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)參考信號(hào)幅值的要求。對(duì)于非接觸式生物電阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)，高階濾波電路將引入極大的相位誤差，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)使模擬鎖相放大后的輸出信號(hào)衰減幾個(gè)量級(jí)，增加后續(xù)電路動(dòng)態(tài)輸入范圍的需求，增加信號(hào)處理電路的復(fù)雜性。因此，AD9959在用以實(shí)現(xiàn)非接觸式生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)的激勵(lì)源時(shí)。激勵(lì)信號(hào)通道與參考信號(hào)通道的相位控制寄存器和幅值控制寄存器可根據(jù)要求分別設(shè)置為不同的值，顯示出極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

再次，AD9959集成的4個(gè)DAC均為電流輸出型DAC，為生物阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)的恒流源實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。每個(gè)DAC均具有各自的可編程基準(zhǔn)源，用于實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道不同的滿量程電流，通過更改幅值控制寄存器的值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)注入人體電流的精確控制，保證測(cè)量安全。DAC的電流輸出可以看為是具有高輸出阻抗的電流源，其輸出阻抗的典型值約為100kΩ。而在通常的生物阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)中，負(fù)載阻抗變化一般不超過70Ω。因此，可通過電流傳輸器與之匹配，從而實(shí)現(xiàn)滿足要求的恒流源。

另外，AD99s9還支持線性頻率、幅度或相位

掃描，為生物阻抗譜的測(cè)量和相位補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)提供了方便。當(dāng)滿量程電流輸出為10mA時(shí)，幅值分辨率可達(dá)9.8uA；其相位分辨率為0.022°讀。

AD9959作為生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)激勵(lì)源的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的激勵(lì)源用于基于鎖相放大技術(shù)的非接觸式生物電阻抗檢測(cè)系統(tǒng)。要求激勵(lì)源輸出兩路同頻信號(hào)，輸出電流頻率為10kHz-150kHz，其中一路作為激勵(lì)信號(hào)，電流幅值為2mA、5 mA或10mA；一路作為參考信號(hào)，輸出幅值保持在10mA，對(duì)參考信號(hào)利用后續(xù)鎖相放大電路實(shí)現(xiàn)相位自調(diào)整；參考信號(hào)經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為幅值為0.5V的電壓信號(hào)后輸入到后續(xù)測(cè)量電路中。系統(tǒng)每次進(jìn)行測(cè)量時(shí)，先進(jìn)入相位自校準(zhǔn)模式：以標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線代替待測(cè)生物體，令A(yù)D9959參考信號(hào)進(jìn)行線性相位掃描，激勵(lì)信號(hào)保持頻率、相位、幅值不變，測(cè)量系統(tǒng)采集參考信號(hào)相位變化時(shí)的各次測(cè)量結(jié)果，之后找出其中最大值，此時(shí)參考信號(hào)與由激勵(lì)信號(hào)引起的響應(yīng)信號(hào)的相位差最小，也即參考信號(hào)通道相對(duì)于測(cè)量信號(hào)通道的相移得到了補(bǔ)償，該相位即為參考信號(hào)通道相對(duì)于測(cè)量信號(hào)通道的相移值。記錄該相位值，并將其置入AD9959參考信號(hào)通道的相位控制寄存器，后使參考信號(hào)通道工作于固定頻率、相位、幅值輸出模式，系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)量模式。采用這種方法即可實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)的相位自校準(zhǔn)，從而補(bǔ)償測(cè)量電路兩信號(hào)通道間的相對(duì)相移。

硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)AD99S9的方便控制，同時(shí)與其他測(cè)量部分相匹配，采用ADI公司的MCU芯片ADuC848作為其控制單元。ADuC848為單指令周期MCU，數(shù)據(jù)處理速度達(dá)12 MIPS，有62K程序內(nèi)存，并集成了三，△型ADC，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，噪聲低，非常適用于精密儀器儀表。AD9959工作電路詳述如下。

(1)電源：ADuC848供電范圍為，2.7—3.6V，為了與AD9959相匹配，采用3.3V供電。AD9959的DDS內(nèi)核(AWD和DVDD引腳)采用1.8V電源供電，數(shù)字I／O接口(sPI)在3.3V電壓下工作，此時(shí)需要將DVDD I／O(引腳49)連接至3.3v電壓。需特別注意的是，CLK_MODE_SEL是模擬輸入，需要在1.8V電源下工作。設(shè)計(jì)中采用ADI公司的電源芯片AD3338為其提供電源，只需在其輸入、輸出管腳連接1uF的對(duì)地電容即可實(shí)現(xiàn)良好的去耦效果。AD9959具有硬件和軟件的掉電控制功能，通過配置外部電源掉電控制引腳PWR_DWN_CTL與內(nèi)部寄存器，可以控制輸入時(shí)鐘電路、PLL、DAC和數(shù)字邏輯部分等的掉電，減小AD9959的功耗。

(2)時(shí)鐘：AD9959的參考時(shí)鐘由ILEFCLK管腳輸入，所有通道共用該參考時(shí)鐘，該REFCLK可由外部時(shí)鐘源或晶振直接驅(qū)動(dòng)，外接晶振的頻率必須在20MHz與30MI-Iz之間。將CLK MODE SEL管腳接高電平時(shí)，使能內(nèi)部振蕩器與外部參考時(shí)鐘配合使用，該管腳接低電平時(shí)振蕩器被旁路。設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘解決方案如圖1所示，采用有源晶振作為REFCLK的輸入，不使用內(nèi)部倍頻器，從而減小輸出的相位噪聲。由電容和電感構(gòu)成PI型濾波網(wǎng)絡(luò)，并在輸出端串聯(lián)一個(gè)小阻值電阻，以降低時(shí)鐘源產(chǎn)生的噪聲。

(3)AD9959與上位機(jī)的通訊：AD9959通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通訊，工作于SPI模式。AD9959有四個(gè)串行數(shù)據(jù)引腳(SDIO_0／SDIO_1／sDIO_2／5DIO 3)，支持多種配置，具有很大的靈活性。通過寄存器的配置可以實(shí)現(xiàn)串行I／0的四種可編程模式，即單bit兩線模式、單bit三線模式、雙bit模式和四bit模式，AD9959J，提供了先高位后低位和先低位后高位的傳輸方式。本設(shè)計(jì)為了與ADuC848相匹配，選用單bit三線、先高位后低位的傳輸方式。此時(shí)SDIO 0為數(shù)據(jù)輸入引腳，SDIO 2為數(shù)據(jù)輸出引腳，通過一個(gè)正脈沖使串口恢復(fù)為初始等待指令狀態(tài)。一個(gè)串口通信周期分為指令周期和數(shù)據(jù)周期：首先傳送指令階段的8位指令字，對(duì)應(yīng)于SCLK的8個(gè)上升沿，然后執(zhí)行由指令設(shè)定的1～4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)讀寫。完成后再等待下一個(gè)指令周期的到來(lái)。指令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)在SCLK的上升沿寫入AD9959，在SCLK的下降沿讀取數(shù)據(jù)字節(jié)，這些操作只有在片選引腳／cs為低電平時(shí)才有效。

(4)控制寄存器和控制管腳：AD9959的運(yùn)行是主控芯片(單片機(jī)、DSP或可編程邏輯)通過串行I／O改寫其內(nèi)部寄存器值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。控制寄存器主要完成通道選擇，多設(shè)備同步及相位累加器清零等功能；通道控制寄存器主要完成各通道功能的選擇，頻率、相位、幅度的設(shè)置。AD9959的四個(gè)通道共享一組寄存器地址，這種地址共享機(jī)制可以同時(shí)向四個(gè)通道的配置寄存器寫入相同的數(shù)據(jù)。當(dāng)需要對(duì)四個(gè)通道進(jìn)行不同設(shè)置時(shí)，可以通過設(shè)置通道使能位來(lái)各自獨(dú)立地寫入每個(gè)通道設(shè)置的數(shù)據(jù)。AD9959的控制寄存器如表1所示，控制管腳如表2所示。ADuC848與AD9959的接口連接如圖2所示。

(5)DAC的電流輸出：DAC的輸出電流須經(jīng)電阻或AVDD中心抽頭變壓器連接到AVDD，從而使差分電流變化為單端電流。DAC滿量程電流最大為15mA，但是為了提供良好的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍可以將其限定為10mA，這是通過將DAC RSET引腳通過一個(gè)外接電阻RSET接地來(lái)實(shí)現(xiàn)的。RSET=18.91／IOUT。當(dāng)選電阻為1.91 kΩ時(shí)滿量程電流為10mA。值得注意的是，對(duì)于電流輸出型DAC，輸出電流在負(fù)載上建立的電壓的值須在DAC的輸出電壓范圍之內(nèi)。結(jié)束語(yǔ)

高性能、低功耗DDS芯片AD9959不僅具有一般DDS芯片頻率精度高、轉(zhuǎn)換速度快、工作穩(wěn)定、集成度高和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，還具有各通道固有同步性、各通道幅值、頻率和相位分別可調(diào)等特性。這些特性使之在生物電阻抗測(cè)量和成像系統(tǒng)激勵(lì)源的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，為其不同信號(hào)通道之間相位補(bǔ)償?shù)膯栴}提供了一個(gè)很好的解決方案。在更普遍的范圍內(nèi)，對(duì)于基于鎖相放大原理的檢測(cè)系統(tǒng)，如渦流檢測(cè)系統(tǒng)，以及需進(jìn)行多通道信號(hào)同步或通道間相位差控制的信號(hào)源或激勵(lì)源，AD9959在滿足帶寬要求的前提下均可滿足其多通道同步、相位分別可控的設(shè)計(jì)要求，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。