用于生物電阻抗檢測的恒流源電路研究

寧可慶，尹曉亮

（北方工業大學 信息學院，北京 100043）

0 引 言

關于生物電阻抗檢測技術利用人體組織的電特性與變化規律提取人體成分進行檢測技術，常用于減肥效果的監測[1-3]。在測量人體生物電阻抗的過程中，為了研究人體在不同頻率下的阻抗值，需要設計恒流源電路向人體施加1 kHz～1 MHz的正弦交流電流信號，再對人體反射回的電壓信號進行采集，通過分析電壓的變化來得到阻抗變化值[4,5]。其中，恒流源電路的核心是壓控電流源電路的設計，其功能是提供直接作用于人體的電流激勵信號。對于接觸式檢測方式而言，電極與人體之間存在復雜多變的接觸阻抗且阻抗值通常較大，同時輸出端易產生直流分量，這使得檢測結果易存在較大誤差，甚至影響到整個測量系統和人體的安全[6]。在檢測過程中，恒流源的準確性、穩定性和安全性在整個測量系統中起著至關重要的作用。目前國內外許多學者和團隊對恒流源進行了深入分析和研究，其中Howland電流源是生物電阻抗檢測領域中應用最廣泛的電流源[7]。早期的Howland電流源電路如圖1所示。

圖1 Howland電流源電路

作為一個理想電流源，其輸出阻抗應為∞。當4個電阻構成平衡電橋時，其對應關系為

則輸出電流為

由此可以看出，當電路電阻滿足平衡電橋條件時，輸出電流與負載無關[8]。但早期的電路模型存在較大的不足，易產生非線性失真[9]。為了穩定放大倍數，減小放大電路的非線性失真，并擴展放大電路的通頻帶，專家與學者們對Howland電路進行了一系列的改進，在電路中加入了電壓跟隨器[10-13]。改進的Howland電路如圖2所示。

圖2 改進的Howland電路

Howland電路在實際應用中對匹配電阻的要求極其復雜，易產生誤差，不利于高頻條件下小信號的檢測。為了研究具有更好恒流特性且更適用于生物電阻抗檢測的恒流源，基于在電路中加入電壓跟隨器可以起到緩沖、隔離和提高帶載能力的作用的原理，對恒流源電路進行進一步改進。

1 恒流源設計方法

基于現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）設計一個數字式頻率合成器（Direct Digital Synthesis，DDS）信號發生器，所產生的數字信號被高速數模轉換器（Digital to Analog Converter，ADC）模塊轉換成模擬電壓信號后接到壓控電流源電路上，最終輸出電流信號。由于設計壓控電流源電路時，通過電阻搭建平衡橋的方式對電阻值要求較高，不利于實際電路的調試，因此采用多運算放大器搭建壓控電流源電路。恒流源的設計結構如圖3所示。

圖3 恒流源結構

由于人體能接受的安全電流范圍不超過5 mA，因此在設計電路的過程中必須要求輸出電流在5 mA以下，這樣才可以安全施加于人體。選用AD8130差分接收放大器，其采用有源反饋結構，工作在2 MHz頻率下的共模抑制比最小為80 dB、帶寬為270 MHz、擺率為 1 090 V/μs，具有非常優秀的性能。

多運放型電壓控電流源電路如圖4所示。

圖4 多運放型電壓控電流源電路

該電路以AD8130為核心，再加上2個AD8066和一些電容電阻搭建而成。由于人體阻抗測量系統的恒流源工作在正弦交流電壓下，因此為電路的輸出端和輸入端增加了電容C7和C8，R14為運算放大器提供了偏置電流通道，C6是前饋的補償電容，R11則是決定電壓控制電流源中電流值大小的增益電阻。U2A采用AD8066運算放大器，具有極高的輸入阻抗，組成反饋端的緩沖器，防止反饋電路及其輸出電路分流。U2B運算放大器及其周圍的元件為直流電壓補償回路，其目的是穩定電路中的直流工作點。

設輸入電壓為Ui、負載阻抗為RL，電路中的運算放大器均處于理想工作狀態，根據AD8130的特性可以得出TP1的電壓與TP4點的電壓之和為TP2點電壓，由運算放大器的“虛短”和“虛斷”特性可知TP4點的電壓等于TP3點的電壓，R1兩端的電壓U1=U2-U3=U2-U4=Ui，則i0=Ui/R1，即R1為該電壓控制電流源的增益電阻，輸出電流的大小與負載無關。由于本文所選用的激勵源為-4～+4 V的正弦交流電壓，出于安全考慮，輸出電流值不得超過1 mA，因此R1的值必須在 2 828 Ω 以上。

2 結果比較

具體實驗中，采用NI Multisim軟件對電壓控電流源電路的恒流源特性進行仿真。NI Multisim軟件是一款專門用于電子電路仿真與設計的EDA軟件，以SPICE3F5和Xspice內核作為仿真引擎，與其他仿真軟件相比具有更高的可靠性和更強大的仿真研究能力[14-17]。

2.1 壓控電流源電路的性能測試

2.1.1 線性度

所謂線性度，指實際輸入-輸出特性曲線和理想輸入-輸出特性曲線的接近與偏離程度。高線性度的壓控電流源電路能夠更加準確地控制輸出電流值，避免因電流輸出過大而對人體造成傷害，并且可以使后期計算出的人體阻抗值更加準確[18-20]。

為了測量電路的線性度，分別在電壓輸入端加入幅值為4～12 V、頻率為100 kHz的正弦交流電壓信號，增益電阻值為4 kΩ。通過測量輸出電流的值，與理想狀態下計算出的輸出電流值進行比較。當輸入電壓幅值在4～12 V變化時，電路輸出電流的理論值與實測值對比結果如表1所示。

表1 理論值與實測值對比

根據表1，輸出電流的理論值和實際值誤差較小，誤差率均在2.8%以下，滿足作為測量人體阻抗的恒流源的要求。

2.1.2 輸出阻抗

在測量人體阻抗過程中，電極與皮膚之間存在接觸阻抗，而接觸阻抗有時會影響到測量精度。為了消除接觸阻抗的影響，壓控電流源電路應盡可能大地提高電路的輸出阻抗值。壓控電流源測量人體阻抗的原理如圖5所示，其中R1為電路的輸出阻抗、R2為模擬人體阻抗。

圖5 壓控電流源測量人體阻抗原理

在其他條件不變的情況下，改變R2的值并記為R′2，則系統工作電流IS1和IS2為

由于電路的輸出阻抗遠大于人體阻抗，因此IS1和IS2相等，計算得到對應關系為

則輸出阻抗為

在不同增益電阻下分別測試了壓控電流源輸出阻抗值隨系統工作頻率變化的情況，并將結果繪制成輸出阻抗-頻率變化曲線，如圖6所示。

圖6 輸出阻抗-工作頻率變化曲線

由圖6可知，改進后的電路輸出阻抗隨著工作頻率的升高而降低。對于不同的增益電阻值，其阻抗變化趨勢也有很大區別。當增益電阻為4 kΩ時，輸出阻抗隨頻率的下降程度較為緩慢。

3 結 論

以AD8130差分接收放大器為核心構建電路，加入輸入阻抗極高的AD8066運算放大器來增加AD8130差分接收放大器輸入引腳的輸入阻抗，避免電流分流，同時運用積分電路穩定直流工作點有效避免人體細胞間的極化現象。在輸出端加入屏蔽驅動電路，提高電路的抗干擾能力。為了驗證壓控電流源電路的恒流特性，對電路輸入端施加不同幅值的交流電壓，并且記錄輸出電流值，將其與理論值進行比較。實驗證明，基于AD8130組成的電壓控電流源電路線性度誤差小于0.4%，可以用于生物電阻抗檢測領域。