阅读说明：本技术 一种基于比较器的时间域生物阻抗检测电路 (Time domain biological impedance detection circuit based on comparator ) 是由 秦亚杰 董晨洁 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于集成电路技术领域,具体为一种基于比较器的时间域生物阻抗检测电路。本发明包括：伪正弦电流激励产生电路,模拟前端放大电路,PWM波产生电路和阻抗重建电路。通过伪正弦电流激励将待测生物阻抗转化为电压信号,经模拟前端放大电路放大处理后,由PWM波产生电路将阻抗信息由电压域转换到时间域,最后由阻抗重建算法进行重建。本发明避免了对于高性能模拟滤波器和高精度模数转换器的需求；信息转换到时间域后信号的转换及处理都由数字电路实现,能够充分利用最先进集成电路工艺的优势,在较低电源电压下实现高性能的信号处理电路,进一步降低系统功耗。本发明具有抗干扰能力强,低功耗,重建算法简单的特点。(The invention belongs to the technical field of integrated circuits, and particularly relates to a time domain biological impedance detection circuit based on a comparator. The invention comprises the following steps: the device comprises a pseudo-sine current excitation generating circuit, an analog front end amplifying circuit, a PWM wave generating circuit and an impedance reconstruction circuit. The biological impedance to be measured is converted into a voltage signal through pseudo-sinusoidal current excitation, after the voltage signal is amplified by the analog front-end amplifying circuit, the impedance information is converted into a time domain from a voltage domain by the PWM wave generating circuit, and finally the impedance signal is reconstructed by an impedance reconstruction algorithm. The invention avoids the requirement for high-performance analog filter and high-precision analog-to-digital converter; the conversion and processing of signals after information is converted into a time domain are realized by a digital circuit, the advantages of the most advanced integrated circuit process can be fully utilized, a high-performance signal processing circuit is realized under a lower power supply voltage, and the power consumption of a system is further reduced. The invention has the characteristics of strong anti-interference capability, low power consumption and simple reconstruction algorithm.)

一种基于比较器的时间域生物阻抗检测电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于比较器的时间域生物阻抗检测电路。

背景技术

随着集成电路产业与医疗和生命科学学科的合作逐渐深入，多功能生物检测电路有望在未来出现在人们的日常生活中，改变当前的医疗保健形式，实现医疗的生活化和自主化，尤其是植入式微型生物信号检测系统的发展使得对于病灶的实时监测及治疗成为可能。而生物阻抗检测电路是其中不可或缺的一部分。目前，诸多研究表明，生物阻抗检测在新药研发、细胞结构研究、术中术后监测等方面均可发挥至关重要的作用。生物阻抗检测的基本原理是向待测组织施加一个激励电流并检测其上相应产生的电压信号。传统的生物阻抗检测电路采用双路正交解调的原理进行检测，其优点在于检测结果的计算与激励信号的频率无关，缺点在于解调产生的谐波对于模拟滤波器和模数转换器提出了较高的性能要求。另外，电压域信号对于高性能模拟电路的要求使得整个系统难以利用先进集成电路工艺带来的优势，限制了功耗的降低。

为了克服上述缺点，本发明提供一种基于比较器的时间域生物阻抗检测电路，利用比较器将信息从电压域转换到时间域，信号的转换及处理都由数字电路实现，避免了对于高性能模拟滤波器和高精度模数转换器的需求，能够充分利用最先进集成电路工艺的优势，在较低电源电压下实现高性能的信号处理电路，从而进一步降低系统功耗。阻抗重建算法与传统锁相方法相比消耗更少的硬件资源，从而有利于模拟前端与数字处理的整片集成。然而，该重建算法需要已知激励信号较为准确的频率，因此上述检测电路对于激励电流的产生方式有一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低功耗、集成度高的生物阻抗检测电路。

本发明提供的生物阻抗检测电路，是一种基于比较器的时间域生物阻抗检测电路。该电路包括伪正弦电流激励产生电路和电压信号接收电路两部分；其中：

所述伪正弦电流激励产生电路，用于产生已知频率且线性度较好的正弦电流信号，并分别施加在待测生物阻抗和参考电阻上。参考电阻的阻值已知，且根据待测生物阻抗的范围选取；

所述电压信号接收电路包括模拟前端放大通路、PWM波产生电路和阻抗重建电路；PWM波产生电路包括比较器和逻辑门电路；阻抗重建电路包括时间数字转换模块、（Cordic）正弦函数、乘法函数和除法函数模块。

本发明中，所述伪正弦电流激励产生电路可以采用多种方式实现，典型的例如，采用只读存储器、sigma-delta调制器和电流型数模转换器组成的电路。

本发明中，所述模拟前端放大通路有相同的两路，其中，一个通路用于检测待测阻抗两端的电压，另一个通路用于检测参考电阻两端的电压；每个模拟前端放大通路包含可编程电压放大器和滤波器，通过可编程电压放大器实现增益可调，从而实现较宽的阻抗测量范围。

本发明中，所述两路模拟放大通路的输出进入PWM波产生电路，通过比较器和若干逻辑门电路将电压域的信息转换到时间域，用脉冲的宽度表示。

本发明中，所述阻抗重建电路，首先通过时间数字转换模块将脉冲宽度转换为数字信息，再经由乘法函数、除法函数和正弦运算函数模块，重建待测阻抗的幅度和相位信息。其中，乘法、除法和正弦运算可以通过软件实现，也可以通过专用集成电路(ASIC)或可编程逻辑门阵列(FPGA)实现。

与传统锁相放大的阻抗检测方法相比，本发明避免了对于高性能模拟滤波器和高精度模数转换器的需求，同时，信息转换到时间域后信号的转换及处理都由数字电路实现，能够充分利用最先进集成电路工艺的优势，在较低电源电压下实现高性能的信号处理电路，进一步降低系统功耗。阻抗重建算法与传统锁相方法相比消耗更少的硬件资源，从而有利于模拟前端与数字处理的整片集成。本发明具有抗干扰能力强，低功耗，重建算法简单的特点。

附图说明

图1是本发明的生物阻抗检测电路的结构示意框图。

图2是本发明的模拟前端放大通路结构示意图。

图3是本发明的PWM波产生电路结构示意图。

图4是本发明的阻抗重建电路结构示意图。

图中标号：1为伪正弦电流激励产生电路，2为模拟前端放大通路，3为PWM波产生电路，4为阻抗重建电路，5为待测生物阻抗，6为参考电阻，7为电流模数转换器，8为Sigma-delta调制器， 9为只读存储器，10为可编程电压放大器，11为低通滤波器，12为比较器，13为异或门电路，14为时间数字转换器，15为乘法器模块，16为正弦函数计算模块，17为除法器模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

在图1中，伪正弦电流激励产生电路1用于产生已知频率且线性度较好的正弦电流信号。伪正弦电流激励的产生可以采用多种方式实现，图1中展示了一个具体的实施例：只读存储器9内存储预先生成的正弦信号，数据读出后经sigma-delta调制器8调制，再由低精度电流数模转换器7转换为电流激励信号分别施加在待测生物阻抗5和参考电阻6上。两路模拟前端放大通路2分别检测待测生物阻抗5和参考电阻6上产生的电压信号，并进行放大和滤波处理。两路模拟放大通路2将处理后的电压信号输入PWM波产生电路3，PWM波产生电路3将电压域的信息转换到时间域，输出脉冲信号，并用输出脉冲的宽度表示待测阻抗的幅度和相位信息。上述脉冲信号最终输入阻抗重建电路4，被转换到数字域并进行进一步的计算，从而实现待测生物阻抗5的幅度和相位信息的重建。

在图2中，两路模拟前端放大通路2分别检测待测生物阻抗5和参考电阻6上产生的电压信号。模拟前端放大通路2由可编程电压放大器10和低通滤波器11两部分组成。其中，可编程电压放大器10用于放大待测阻抗5或参考电阻6上的电压信号，增益可由数字信号配置，实现若干档可调增益。低通滤波器11用于滤去高频噪声和谐波，提高电压信号的线性度。检测待测生物阻抗5的模拟前端放大通路2输出信号为Vin，检测参考电阻6的模拟前端放大通路2输出信号为Vref。

在图3中，前述信号Vin和Vref输入PWM波产生电路3，由比较器12转换为占空比为50%但相位不同的方波信号Comp1、Comp2和Comp3。随后，信号Comp1、Comp2和Comp3经过异或门13的逻辑运算，转换为不同宽度的脉冲信号O_phi、O_t2和O_t1。

在图4中，前述脉冲信号O_phi、O_t2、和O_t1输入阻抗重建电路4，时间数字转换器(TDC)将信号O_phi、O_t2、和O_t1的脉冲宽度分别转换为数字信号T3、T2和T1。随后，乘法器模块、正弦函数模块和除法器模块根据下述公式计算得到待测阻抗的幅度和相位，从而实现待测阻抗的重建：

，

其中，ω代表激励电流信号的角频率，R _ref 代表参考电阻的阻值。

乘法器模块、正弦函数模块和除法器模块可以通过软件实现，也可以通过专用集成电路(ASIC)或可编程逻辑门阵列(FPGA)实现。其中，正弦函数模块可通过Cordic算法实现。

以上仅为本发明之一实施例，以便于说明，发明内容不受实施例限制，凡依本发明保护范围内的任意变换设计，均包含于本发明之范围内。