Design of Lock-in Am p lifier on Weak Signal Measuring Module in Respiratory Inductive Plethysmography System*

Huang Zengyue，JI Jun，*，WANG Yunlong，YUAN Qing

(1.Graduate College，Southern Medical University，Guangzhou 510515，China; 2.Medical Engineering Department，The305 Hospital of Chinese People’s liberation Army，Beijing 10017，China)

Design of Lock-in Am p lifier on Weak Signal Measuring Module in Respiratory Inductive Plethysmography System*

Huang Zengyue1，JI Jun1，2*，WANG Yunlong2，YUAN Qing2

(1.Graduate College，Southern Medical University，Guangzhou 510515，China; 2.Medical Engineering Department，The305 Hospital of Chinese People’s liberation Army，Beijing 10017，China)

In respiratory inductive plethysmogrphy measuring system，weak induced voltage with the magnitude of nV～μV is usuallymeasured.During the processing period，the inductive coils of sensor vest is easily affected by themeasuring environment，movements besides the respiratory ones and electronic noise.A kind ofweak physiological signalmeasuring module is developed for adapting the RIP system and reducing the effects from noises.The module is designed based on lock－in amplifier(LIA)composed of AD630.The linearity of input－output of lock－in amplifier in themodule is above 0.9696.The module can detect the induced voltage and separate the direct voltage，reduce the impacts from the noises and improve the precision of themeasuring system.The weak induced voltagemeasuringmodulemay also be applied to other weak physiological signals detecting.

respiratory inductive plethysmography(RIP);weak induced voltage;lock－in amplifier(LIA)

呼吸感应体积描记技术RIP(Respiratory Inductive Plethysmogrphy)是一种新型的无创呼吸运动而变化的电感量，从而测量出呼吸运动时人体胸腹腔的体积变化［1－3］。这种技术能较吸测量技术，将两条绝缘的电感线圈分别缠绕在人胸腔和腹腔两个位置，测量电感线圈随呼好地测量胸、腹的呼吸波形，经一定的校准方法可获得潮气量、流量等肺功能指标。但是，呼吸运动引起电感线圈的电感量变化非常小(低于几百nH)，其产生感应电压的变化在nV～μV级之间，甚至比噪声还要小［4－5］。一般的线性放大器在获取传感线圈信号的同时，引入了大量的噪声，加大了后续滤波电路和检波电路的设计难度，降低了系统测量的精度。

锁相放大器LIA(Lock－In Amplifier)已经被广泛地运用在不同的领域［6－9］，如激光的微信号检测［8］，气体的痕量检测［9］和便携式传感器的微信号检测［6－7］等等，本文采用了ADI公司推出的同步解调器AD630设计了一种检测微弱生理信号的模块。该模块基于锁相放大电路对微弱信号进行高精度测量的原理［10－12］，由锁相放大器对被呼吸运动调制的传感信号进行同步检波。本电路结构简单，信号线性度高，适合用于检测伴有强噪声的生理信号。

1 RIP系统

1.1 系统框架

本文设计了如图1所示的基于RIP技术的呼吸监测系统，该系统包括了CPLD芯片，数模转换器DAC(Digital to Analog Converter)，低通滤波器、压控恒流源电路、锁相放大器、自动增益控制电路AGC (Automatic Gain Control)、模数转换器ADC(Analog to Digital Converter)、串口通信等部分组成。系统的工作过程如下:CPLD与DAC构成的信号发生器产生一个375 kHz的正弦信号，经低通滤波器后将信号分别送入压控恒流源电路和锁相放大器参考信号端。恒流源电路输出的电流激励电感线圈产生感应电压;感应电压经呼吸运动调制后通过前置放大进入锁相放大电路输入信号端。锁相放大器后接低通滤波器，分离出直流分量，并通过自动增益控制电路对信号进行调理。用16 bit A/D转换电路采集直流分量，并通过RS232的串口将信号送到PC端。本文针对RIP技术测量呼吸参数的特点，设计了一种锁相放大模块，该模块大大地抑制了噪声对信号的影响，提高了系统测量的精度。

图1 RIP呼吸测量系统总框图

1.2 AD630锁相放大电路

本文设计的基于AD630锁相放大电路结构框图如图2所示，主要由参考信号通道、输入信号通道、相敏检波通道和低通滤波器组成。在RIP呼吸测量系统中，传感线圈经恒流源激励后产生的感应电压信号会被呼吸运动调制，这个调制信号通过前置放大和电压跟随器进入锁相放大器的输入信号端。同时，恒流源电路中的八阶巴特沃斯低通滤波器的输出信号经直流隔离电路后进入锁相放大器的参考信号端。

本文设计的锁相放大器采用了同步解调器AD630作为核心，其输出信号Uo是输入信号Vs和参考信号Vf的乘积。

图2 锁相放大电路结构框图

设输入信号为Vs(t)，角频率设为ω1，初相位设为φ1，幅值设为A1，由于输入信号是经呼吸运动调制后的信号，设其所含的调制信号为sinα，调制系数为α，则输入信号可表示为:

参考信号设为Vf(t)，参考信号与输入信号具有相同的频率，可表示为

输入信号Vs(t)与参考信号Vf(t)在同步解调器AD630相乘后经输出滤波器滤除2ω1成分，得到的检波输出信号为:

当环路处于锁定状态时，cosφe∞≈1，乘法器输出的直流成分Adcosφe∞约等于Ad，它与输入信号载波振幅A1成正比。因此，利用低通滤波器将这个直流成分提取出来，即实现了锁相放大电路的同步检波功能。采用本文设计的锁相放大电路对电感线圈的感应电压信号进行同步检波处理，不仅避免了一般包络检波器检波弱信号时门限电平高、检波效率低和失真大等问题，还大大降低了噪声对电感线圈信号的影响，提高了系统测量的精度。

2 实验结果

2.1 锁相放大器的线性性能

同步解调器作为锁相放大电路的核心，它的线性度决定了整个RIP呼吸测量系统对微弱信号的检测能力。并且经测量，恒流源电路与其负载电阻产生的信号为正弦信号，频率为375 kHz。为了检测本设计的线性度，实验采用了ATANA公司生产的AT3020信号发生器产生一个频率为375 kHz，与恒流源感应电压信号的频率基本一致(误差为0.7%，误差对后续实验影响很小，可忽略不计)，幅值为1.2 V的正弦信号作为锁相放大电路的参考信号Vf。

在图3中，A代表锁相放大电路的输入信号，单位为mV，B代表电路中低通滤波的输出信号，单位为mV。实验结果如图(3)所示，只改变输入信号的幅值大小，并用示波器测量低通滤波器的输出信号。经统计分析，低通滤波的输出与输入信号的相关系数R=0.9696，P＜0.001。说明本文所涉及的锁相放大电路具有稳定的线性度，适合用于检测弱信号。

图3 锁相放大器的线性度

2.2 锁相放大器降噪能力检测

为了检测锁相放大器降低噪声的能力，实验采用了ATANA公司生产的信号发生器AT3020产生一个频率为375 kHz，幅值为1 V的正弦信号作为锁相放大电路的参考信号Vf(t)。在RIP呼吸测量系统中，传感器的电感线圈经恒流源激励后产生的感应电压会被呼吸运动所调制，本文取调制后的信号为Vs(t)，如图4(c)(图中下半部的信号)所示。将参考信号与输入信号与锁相放大电路连接后，用示波器观察电路的输出波形。

图4(a)所示为传感器经恒流源激励的感生电压信号，即锁相放大器的输入信号的频谱，图4(b)为锁相放大器的输出信号(未进入低通滤波器前的信号)频谱图。从图中可以看出，信号的噪声明显地被削弱了。虽然图4(b)中引入了一些高频信号，根据锁相放大原理，这些高频信号都是输入信号的倍频信号。为了获得输出信号的直流分量，在锁相放大器后置一个合适的低通滤波器，进一步降低倍频信号对系统的影响，如图4(c)、4(d)。

图4 锁相放大器的输入输出信号

3 结论

本文提出了一种微弱感应电压信号检测模块，该模块基于AD630的锁相放大器而设计，选取与传感器感应电压信号的频率和相位基本相同的滤波信号作为锁相放大电路的参考电压。经测试，该模块的稳定性高，线性度的相关系数大于0.9696，重复性好，电路结构简单，能够准确地检测出RIP呼吸测量系统中微弱感应电压信号的变化，精度较高，大大降低了噪声对系统的影响，提高了RIP呼吸测量系统的测量精度和信号检测能力，有望运用于其他生理微弱信号检测领域。

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黄增跃(1988－)，男，广东人，硕士研究生，主要研究方向为智能医疗仪器设计、医疗设备计量与质量控制，wanilala@163.com;

姬军(1970－)，男，北京人，副主任技师，硕士研究生导师，2006年于第四军医大学生物医学工程系获博士学位，主要从事生物医学信号检测与处理、智能医疗仪器设计、医疗设备计量与质量控制等方面工作，kx68@163.com。

呼吸感应体积描记系统中弱信号锁相放大模块的设计*

黄增跃1，姬军1，2*，王云龙2，袁青2

(1.南方医科大学研究生学院，广州510515;2.解放军第305医院医学工程科，北京100017)

在呼吸感应体积描记呼吸测量系统中，需要测量nV～μV级的微弱感生电压信号，而且在测量过程中，做为传感器的电感线圈容易受到测量环境，呼吸运动以外的其他运动和电子噪声等影响。为适应系统测量范围并降低噪声的影响，设计了一种基于AD630锁相放大电路微弱生理信号检测模块。该模块的锁相放大器具有大于0.96的良好线性度，能检测出传感器的感生电压信号，并分离出直流分量，有效地降低噪声对系统的影响，提高了系统测量的精度，并有望应用于其他微弱生理信号检测。

呼吸感性体积描记;微弱感生电压;锁相放大电路

TP212.3

A

1004－1699(2014)01－0017－04

2013－08－12修改日期:2013－12－05

C:7230J

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.004

项目来源:首都医学发展基金项目(2007－3038)