宽范围微弱电流信号检测电路控制模块设计开题报告

1. 研究目的与意义

自从加伐尼于1971年在意大利发现了“生物电”之后，随着电子电路集成芯片的高速发展。用这些高精密的器件制作的测量仪器更加精密化。有了这些条件我们而对“生物电”的了解也日趋深入，目前，已经应用于生活中的就是医疗，医生通过对健康人和患者进行生物电检测对比、分析。就直接能够确诊、估计病情进程情况，非常实用。

在当今的生活中，电子产品的使用已经变成了家常便饭，基于微电子技术的测量技术也在飞速发展，当测量技术与医疗技术接轨后，测量电路的高精度、高速度将会在医疗检测应用中必定至关重要。在医疗检测领域内，分析患者体内微弱生物电图的特性是目前诊断病情里比较常见手段。因为人体生理活动中产生的生物微电流一般为0.1nA-1uA左右。在微弱的电流测量里这个的信号范围跨度就已经很大了。对于这类生物电流的测量研究设计，我们就必须设计出能够自动根据比较器的基准电压调节输出的系统模块，这个系统还应该支持远程控制，各方面综合性能高，稳定性好的特点才能满足需求。我们可以利用三态锁相放大器的频率特点来进行研究，根据它的频谱图显示其中心频率小、具有通频带窄、质量指针和质量因子高等的优点。精密测量仪器的前提就是需要这些优点作为技术支持，广泛使用是必然的。由于人体的特殊性，在医疗检测实验研究中，医生通常要对患者体内的生物电性能进行测试，通过生物电图来了解确认患者的疾病情况。通过和常人的生物电信号图逐步对比，来判断人体中是否具有疾病。生物体的特殊性要求我们设计的设备能够检测的信号非常小。由于串联电路中电流处处相等的原理，用输出电压信号来表示微弱的电流信号，这个电压同样也时非常小的，所以就必须进行电压放大，在保证无失真无损的前提下通多多级放大电路进行分析。

生命体信号的微弱，市面上普通的电压表、电流表或A/D转换器是无法感应驱动的，这就需要测量电路对信号进行适当的放大，放大后的信号最起码要适应普通电压表、电流表或者A/D转换器。如果还需要设计特定的专用表或者转换器件，那么工程量和可行度上就打了折扣了。况且自己设计的电流表、电压表和A/D转换器件没有经过众人的验证，所以稳定性就肯定没有市场上已经成熟的表类稳定。有了这些条件限制下，相关的领域肯定得到了很大的进步。所以在正对弱电流的研究分析就占到了很大比重。

2. 研究内容和预期目标

本课题是针对人体健康检测的使用需求，设计一种能够将微弱电流信号放大成便于ADC器件采集的电压信号，并针对不同的检测项目，对输入的不同范围的微弱小电流信号为放大到相同电压幅度。 该课题设计内容包括电流---电压转换电路设计初级放大电路、后级放大电路、噪声消除电路设计、增益量程自动判别及处理电路设计、制作、调试等。 具体内容包括： 1. 根据设计要求设计电流-电压转换电路、初级放大电路、后级放大电路。 2. 设计噪声消除电路。 3. 设计信号鉴别电路，用以对不同输入信号进行判别及自动放大。 4. 制作相应的硬件电路并调试。 本课题主要是针对宽范围小信号检测电路设计，即对微弱的生物电流信号进行检测并放大在LCD上显示变化情况。用I-V转换电路对生物电流检测，将信号先放大一部分后通过陷波、滤波电路处理再输入到多级放大电路。因为放大后的信号进行后期处理就方便很多了。随着集成运放芯片的性能不断提高，芯片内部构造也在不断改进，将集成运放用于这种测量电路变得平常化，使用运放大大降低了电路中来自元器件的噪声干扰问题，电路的综合性能也得到大幅提升。微弱电流的检测模块主要由传统跨阻放大器、多级放大电路、陷波电路、低通滤波电路、A/D转换器构成。本文运用基于ICL7650芯片的运算放大器实现生物电流信号检测电路的设计，结合AD574模数转换器对数据进行采集并转换，再将采集的数字信号输入FPGA，根据其大小由FPGA模块控制对比比较器的基准电压后进行选择量程，最终实现宽范围微弱信号检测。 本设计主要是对生物电信号的检测模块设计，针对生物电的宽范围、微弱易受干扰等特点进行检测，生物电信号的检测模块设计主要由传统跨阻放大器、多级放大电路、50HZ、、FPGA、A/D转换器构成。结合AD574模数转换器对模拟信号数据进行成比例转换成数字信号直接通过传输线输入FPGA。另外加入高性能集成芯片可使硬件简化，搭接方便，能替换晶体管的组合带来的噪声影响。而且也能够避免了焊接时候的撞件、虚焊等硬件连接时候的问题出现，可使整个系统的综合性能的提高起到重要的作用。现在市面上的运放集成度和可靠性已经完全符合使用标准了。高性能运算放大器的使用可以大幅度削弱了电路的噪声带来的问题，提高了整个电路的综合性能。 根据其数字信号大小由FPGA模块控制自己定义选择合适的电压范围。在输出到LCD显示器上进行显示。这样就实现了生物电信号的直观显示。

3. 研究的方法与步骤

由于本设计是设计一个宽范围生物点信号的检测电路，在把检测结果转换后进行显示。 1.宽范围微弱信号检测电路是对0.1na到0.1ua的微弱电流的检测;

2. 使用转换电路，各种生物体在低电压下都具有较大的阻抗所以让测得的生物电流过电阻转换成电压后，再来表示这个信号；

3. 去除掉电源电路带来的工频信号，电路中非常容易混入工频信号的干扰，当干扰信号较强时可能会直接引起输出放大器饱和掉；

4. 参考文献

[1]康华光主编. 电子技术基础.模拟部分.第五版.北京：高等教育出版社，2005

[2]谢嘉奎主编. 电子线路.线性部分.第四版.北京：高等教育出版社，1999

[3]王远主编. 模拟电子技术.第二版.北京：机械工业出版社，1994

5. 计划与进度安排

第1-2周 选择设计课题，按任务书要求撰写开题报告。

第3-4周 课题调研、收集、查阅和学习科技文献资料，掌握与设计课题相关的电子电路理论基础及相关软件的学习和研究。

第5-6周 设计并论证整体硬件电路，包括电流---电压转换电路设计初级放大电路、后级放大电路、噪声消除电路设计、增益量程自动判别及处理。