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生物电阻抗测量系统中弱信号检测技术研究

作　者: 刘文礼
导　师: 徐欣
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: EIT 弱信号检测弱信号调理 DPSD 电路设计
分类号: TN911.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着科学和医疗技术的发展,生物电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography, EIT)已成为当今生物医学工程重大研究课题之一。根据生物组织与器官的电特性(电阻率、电容率等),通过表面电极阵列施加激励微弱电流或者电压,测量边界电压或电流来获取生物内部电特性参数分布。由于测量边界电压或电流时,该信号非常微弱,因此在此领域内许多研究人员遇到了微弱信号检测的问题,对微弱信号进行调理和检测变得迫切需要。该弱信号不仅信号幅度小,而且常常淹没于强噪声中,对这类信号进行检测调理和提取都比较困难。这也是常常使用高精度的ADC进行采集,而往往不能做到整个采集系统精度达到ADC手册上的精度的一个重要原因。生物电阻抗测量系统中弱信号检测处理技术就是利用现代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用的信号的一门科学,具有重要的研究意义。以生物电阻抗测量系统为背景,本文在分析几种常用的弱信号检测算法的基础上,对影响弱信号检测能力所需要考虑的关键因素进行了深入的研究。针对传统的单激励数字相敏检波技术采用周期累加的方式滤波产生较大系统误差的不足,提出了一种正交双激励数字相敏检波方法——D-DPSD(Double Digital Phase Sensitive Demodulation)。该方法针对生物电阻抗测量问题,采用两路原本正交的激励信号先后通过被测网络,与另一组正交信号进行运算,当产生高倍频率信号时,根据双激励源的正交特性,可将得到的信号采用线性计算消除高频而达到滤波效果。通过实验仿真,D-DPSD无论是在鉴别信号幅度还是在鉴别信号相位方面都优于一般的单激励DPSD方法,给精确的生物电阻抗测量提供了强有力的支持。弱信号检测电路是生物电阻抗测量系统的最前端,是系统设计的重点。为取得信噪比较高的信号检测电路,本文从芯片选择、阻抗匹配、共模抑制比控制和信号增益可调可控入手,制作了调理功能板,实现了对前端弱信号有效调理的功能。通过实际测量,该功能板能检测到μV和mV级微弱信号,并且输出信号无杂散动态范围达到50dB以上,在共模噪声抑制方面,系统将信号共模抑制比提高了8dB,在信号增益可控方面,系统将信号增益控制在-11.5dB和+20dB之间。整个系统对前端信号有效改善,为生物电阻抗测量提供了较好的信号,达到信号检测预处理的目的。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章绪论  11-15
  1.1 课题研究的意义  11-12
  1.2 弱信号检测的国内外研究现状  12-14
    1.2.1 国内研究现状  12-13
    1.2.2 国外研究现状  13-14
  1.3 本文研究的主要内容  14-15
第二章 EIT 中弱信号检测理论  15-26
  2.1 电阻抗成像技术  15-16
  2.2 弱信号检测方法  16-19
    2.2.1 典型的阻抗测量系统原理  16-17
    2.2.2 典型的前端弱信号检测系统原理  17-18
    2.2.3 阻抗测量中弱信号检测的噪声来源  18-19
  2.3 常用弱信号检测算法  19-25
    2.3.1 相干检测法  19-21
    2.3.2 基于混沌振子的微弱信号检测  21-22
    2.3.3 同步积累法  22-23
    2.3.4 双路消噪法  23-24
    2.3.5 窄带滤波法  24-25
  2.4 小结  25-26
第三章正交双激励信号检测方法  26-39
  3.1 信号激励方法概述  26-28
  3.2 单激励数字相敏检测方法  28-32
    3.2.1 单激励数字相敏检波算法原理  28-29
    3.2.2 单激励数字相敏检波理论分析  29-31
    3.2.3 单激励数字相敏检波误差分析  31-32
  3.3 正交双激励数字相敏检波方法  32-34
    3.3.1 正交双激励数字相敏检波原理  32-33
    3.3.2 正交双激励数字相敏检波理论分析  33-34
  3.4 DPSD 与D-DPSD 仿真分析  34-38
    3.4.1 仿真实验  34-35
    3.4.2 DPSD 与D-DPSD 仿真对比  35-38
  3.5 小结  38-39
第四章弱信号检测调理单元设计与实现  39-62
  4.1 弱信号检测调理系统总体设计  39-41
    4.1.1 系统需求指标  39
    4.1.2 系统总体设计  39-41
  4.2 弱信号检测调理模块设计  41-48
    4.2.1 阻抗匹配电路模块  41-42
    4.2.2 射随模块  42-44
    4.2.3 可编程增益放大电路模块  44-47
    4.2.4 ADC 前端共模抑制模块  47-48
  4.3 时钟模块设计  48-52
    4.3.1 时钟电路设计分析  48-51
    4.3.2 时钟电路设计  51-52
  4.4 电路PCB 设计  52-57
    4.4.1 元件选择  52-53
    4.4.2 电容退耦  53
    4.4.3 PCB 接地  53-55
    4.4.4 电路板布局  55-57
  4.5 实验与结论  57-62
    4.5.1 实验测试方法  57
    4.5.2 实验测试步骤  57-58
    4.5.3 测试结果及分析  58-62
第五章结束语  62-63
  5.1 总结  62
  5.2 展望  62-63
致谢  63-64
参考文献  64-67
作者在学期间取得的学术成果  67

生物电阻抗测量系统中弱信号检测技术研究

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