生物医学信号采集的多通道模拟前端集成电路
一种单导联心电检测前端设计
一种单导联心电检测前端设计摘要随着人们对健康的重视，智能化医疗设备作为一种辅助检测工具，有助于对老人、小孩、军人等各类人群的生理参数进行实时检测和分析。
本单导联心电检测前端设计通过结合单导心电及WIFI传输技术，将采集的心电信号和心率信号实时传输到云平台或手机APP，供医生及时查看和辅助诊断，从而进一步实现心血管疾病预防和诊断的家庭化、便携化，降低医疗诊断、治疗和监护的成本。
其设计在保留传统心电检测功能的基础上增加了心电数据传输功能，并可根据心电图计算出心率，对患者进行高质量的实时心脏监护，未来还可以通过心电大数据的深度学习来实现智能诊断功能。
关键词：心电检测、单导联、无线传输、心脏监护、可穿戴设备、实时检测中图分类号：TN806引言受新冠疫情的启发，为了便于医生快速获取患者的心电、心率信息，也方便人们家用检测，本项目通过单导心电和WIFI传输技术，采用FFT滤波、中值滤波去除基线，得到准确可靠的心电波形数据，并将心电信号实时传输到云平台或手机APP，供医生即刻查看和辅助诊断，对患者进行高质量的实时心脏监护，从而降低疾病突发风险，提高病情管控效率。
本设计在保留传统心电检测功能的基础上增加了心电数据传输功能，并可根据心电图计算出准确的心率，同时保存心电数据文件，可以对心电检测历史进行回放以及后期的诊断处理。
1系统硬件设计一种单导联心电检测前端包括心电采集模块、WIFI模块、电源模块、单片机处理模块。
心电采集模块用到的芯片为ADS1292，和单片机之间采用SPI进行通信。
WIFI模块和单片机之间采用串口通信。
整体硬件设计图如图1所示。
图1 整体硬件框图1.1心电采集模块设计本系统采用TI公司生产的用于生物电势测量的模拟前端ADS1292，该芯片低功耗，具有24位双通道采集，32引脚，TQFP封装。
ADS1292每通道功率仅335W,内置有右腿驱动放大器、持续断线检测和测试信号，并且拥有非常灵活的断电以及待机模式。
低成本生物电阻抗测量模拟前端AFE4300及其应用
低成本生物电阻抗测量模拟前端AFE4300及其应用张弦【摘要】生物电阻抗分析人体健康信息检测方面具有重要的应用价值.利用单芯片模拟前端AFE4300设计了一款人体生物电阻抗检测单元,并利用人体阻抗模拟网络对该检测单元进行了验证.验证结果表明,该系统幅值相对误差不超过1.5％,相位角最大误差不超过0.8°,该检测单元硬件结构简单,可用于低成本、小型化生物电阻抗相关健康检测产品开发.【期刊名称】《安徽电子信息职业技术学院学报》【年(卷),期】2018(017)004【总页数】5页(P33-37)【关键词】生物电阻抗;单芯片;低成本;多频复阻抗【作者】张弦【作者单位】安徽省食品药品审评认证中心, 安徽合肥 230051【正文语种】中文【中图分类】TP806引言生物电阻抗信号是人体生物信号中的一个重要参数，生物电阻抗测量技术具有无创、廉价、功能信息丰富和操作简单的优点，在生物医学工程上有着重要的研究和应用价值[1-4]。
目前人们对生物电阻抗测量技术进行了诸多研究[5-7]，但大部分采用的是单频测量技术，且测试电路复杂，生物电阻抗测量研究向小型化、复阻抗方向发展[8-10]。
本文并以TI公司的集成前端模拟芯片AFE4300为阻抗测量模块，设计出一种生物电阻抗的检测单元，实现多频激励的生物电阻抗测量。
一、测量方法（一）芯片特点AFE4300是德州仪器最新推出的一款高精度低功耗前端解决方案集成芯片，该芯片集成了两个单独的信号链，一个用来重量测量，另一个则是采用16位860sps ADC进行人体成分分析。
器件中的三个BCM通路允许对身体手和足间的部分身体阻抗进行分析(BIA)，从而得出人体成分的全图。
器件的工作电压2 V～3.6 V，主要用于衡器和人体成分测量。
利用AFE4300可以测量手到手、脚到脚、手到脚之间的电阻抗，它的主要特点有：精度高，AFE4300的四电极测量技术可以降低电极接触阻抗对准确度的影响；功耗低，AFE4300的工作电流损耗低于1mA，电源电压的范围在2V-3.6V之间；体积小，AFE4300采用12mm*12mm TQFP-80封装，集成了生物电阻抗测量方法的信号发生模块，放大模块，IQ解调模块，ADC模块等多个部分，减少了生物电阻抗测量系统的外围硬件电路。
可配置的传感器模拟前端(AFE)集成电路
ＬＭ Ｐ １０ 芯 片 是 可 全 面 配 置 的 低 ９ ００
可 以 使 用 两节 碱 性 电池 。
功耗 恒 电位仪 ，可在 传感 器与Ａ ＤＣ间
Ｉ ｃ兼容接 口 自行设置跨 阻抗增 益值 ， ２
因此能够 支持 对含 量介于 ０ ５ ．ｎＡ／１ ０ 与９ ５ ． ｎＡ／ｌ 间的 有 毒 气 体 做 出 灵敏 ０６
增加４ Ｏ ．ｍＡ的 电源 电流 ，能够在具有带
内和 带 外 阻 塞 器 的 应 用 中 确 保 较 高 等 级 的接收性能 。
可 编 程 校 准 和 可 选 择 烟 雾 探 测 器 的 提 供 一 个 高 度 集 成 的 完 整 信 号路 径 。 这 Ｍ ＡＸ ６ ６ Ｍ ＡＸ２ ８ 具 有 ０ ７ ｄ 工作模式使设计 人 员能够轻松控制烟 雾 款 可 配 置 的模 拟 前 端 电路 适 用于 微功 耗 ２ ８／ ６８ ．５ Ｂ 的 超 低 噪 声 系 数 ，其 接 收 灵 敏 度 优 于 探测器的工作 ，而且可以采用单片Ｉ 设 的化学物 质及气体检测应用 ，如 三极 单 Ｃ
用 ０ ８ ｍｍ ×０ ８ ｍ ｍ、０ ４ ｍ焊 球 间 ．６ ．６ ．ｍ
侧 信 号 的 基 础 上 ，确 定 偏 移 及 增 益 误 差 。Ｌ ９ １０ 了 内置 ２ 位 的 Ｓｇ ＭＰ ０ ０ 除 ４ ｉｍａ ｄ ｌａ ｅｔ ＡＤＣ ，还 采 用 灵 活 的输 入 （ 外 多 路 复 用 器 ） 配 置 ， 因此 可 以 支持 任 意 比 例 的 差 分 或单 端 输 入 。每 个 传 感 器 的 信 号增 益 （ 括 １ ２ 包 、 、４、８ １ 、３ 、 、 ６ ２ ６ ，１２ ） 、 采 样 率 及 诊 断 参 数 均 可 编 ４ ￣ ８ ｌ
模拟集成电路基本单元
频率稳定性分析
分析电路在不同频率下的 稳定性，确保电路在不同 频率下都能正常工作。
04
CHAPTER
基本单元设计
设计流程
电路原理图设计
根据设计目标，选择合适的电路 拓扑和元件，设计电路原理图。
参数提取与仿真验证
根据电路原理图，提取元件参数， 建立数学模型，进行仿真验证， 确保电路性能满足设计目标。
THANKS
谢谢
版图绘制与优化
将电路原理图转化为版图，进行 布局和布线优化，提高电路的可 制造性和可靠性。
确定设计目标
明确电路的功能、性能指标和限 制条件，如功耗、尺寸、成本等。
可靠性分析
对版图进行可靠性分析，如工艺 角分析、噪声容限分析等，确保 电路在实际应用中的稳定性。
设计方法
手工设计
混合方法
根据经验和理论知识，手动选择和设 计电路元件和拓扑结构。
比较器
总结词
比较器是模拟集成电路中的基本单元之一，用于比较两个输 入信号的大小。
详细描述
比较器具有高灵敏度、低失调电压和低功耗等特点，能够快 速准确地比较两个输入信号的大小关系，输出相应的逻辑状 态，广泛应用于阈值检测、脉冲整形等电路中。
滤波器
总结词
滤波器是模拟集成电路中的基本单元之一，用于提取信号中的特定频率成分。
技术挑战
由于模拟电路元件的多样性和复杂性，模拟集成电路设计面临诸多 技术挑战，需要不断探索和创新。
模拟集成电路的发展历程
01
早期发展
20世纪50年代，模拟集成电路开始出现，主要用于简单的放大和滤波
功能。
02
快速发展
20世纪60年代至70年代，随着半导体工艺的进步和集成电路设计技术
mix芯片
mix芯片mix芯片（Mixed-signal Integrated Circuit）是一种集成电路，可以同时处理模拟信号和数字信号。
它将模拟电路和数码电路组合在一起，以便在单一芯片上实现多种功能。
混合信号集成电路在现代电子设备中被广泛应用，包括通信设备、医疗设备、汽车电子以及消费电子产品等。
本文将介绍mix芯片的原理、应用和未来发展趋势。
mix芯片的原理是将模拟信号转换成数字信号，然后在数字信号上进行处理，最后再将数字信号转换回模拟信号输出。
这种混合信号处理的方式可以实现更高的精度和更好的性能。
mix芯片通常由模拟前端（Analog Front-end）和数字后端（Digital Back-end）两部分组成。
模拟前端负责将外部模拟信号进行放大、滤波和转换等处理，数字后端则负责将模拟信号转换成数字信号，并在数字信号上进行各种信号处理算法。
mix芯片在通信领域有重要应用，例如移动通信设备中的射频收发器和基带处理器。
射频收发器负责将射频信号转换成中频信号以及将中频信号转换成射频信号，基带处理器则负责对数字信号进行处理和解调。
mix芯片可以将这两者合并在一起，大大减小了设备体积和功耗。
此外，mix芯片在医疗设备中也有广泛应用，如心电图仪、血压仪和血糖仪等。
这些设备需要同时处理模拟信号和数字信号，以实时监测和分析患者的生理状况。
未来，随着物联网和人工智能技术的发展，mix芯片将发挥越来越重要的作用。
物联网连接了各种设备和传感器，这些设备和传感器产生的信号既包括模拟信号又包括数字信号。
mix芯片可以在物联网设备中实现信号的采集、处理和通信等功能，促进物联网的发展和应用。
同时，人工智能技术对于大数据的处理和机器学习算法的实现也需要大量的模拟信号和数字信号处理。
因此，mix芯片在人工智能设备中也有广泛的应用前景。
总之，mix芯片是一种能够同时处理模拟信号和数字信号的集成电路。
它在通信设备、医疗设备和消费电子产品等领域有广泛应用，并且在物联网和人工智能技术的发展中扮演着重要角色。
多通道模拟开关芯片
多通道模拟开关芯片多通道模拟开关芯片是一种集成电路，用于控制和切换多个模拟信号通路。
它能够实现多个输入信号之间的切换和连接，具有较低的开关损耗和较高的带宽，可广泛应用于各种模拟信号处理系统中。
多通道模拟开关芯片的主要作用是将多个输入信号通过开关控制，选择其中一个或多个信号作为输出。
它通常由多个模拟开关和控制逻辑电路组成。
每个模拟开关由一个开关管和一个控制信号控制，当控制信号为高电平时，开关管导通，将输入信号连接到输出端；当控制信号为低电平时，开关管截断，断开输入信号与输出端的连接。
通过控制不同的开关管，可以实现不同的信号通路选择和切换。
多通道模拟开关芯片具有以下几个特点和优势：1. 多通道选择：多通道模拟开关芯片通常具有多个通道，可以同时选择和切换多个信号通路。
这使得它在多通道信号处理系统中非常有用，可以方便地实现不同信号通路之间的切换和连接。
2. 低开关损耗：多通道模拟开关芯片在导通状态下，其开关管的内阻非常低，可以认为是一个接近理想导线的开关。
这使得它在信号传输中具有较低的损耗，可以减少信号的衰减和失真。
3. 高带宽：多通道模拟开关芯片通常具有较高的带宽，可以支持高速信号传输和处理。
这使得它适用于高频率信号处理和带宽要求较高的应用领域。
4. 低串扰：多通道模拟开关芯片在切换时能够有效地减少信号之间的串扰。
它采用了特殊的设计和布局，使得不同信号通路之间的干扰和串扰最小化。
5. 灵活性和可编程性：多通道模拟开关芯片通常具有较高的灵活性和可编程性。
它可以通过控制信号的变化来选择不同的信号通路，也可以通过编程设置开关的状态和动作。
这使得它适用于各种不同的应用场景和需求。
多通道模拟开关芯片在实际应用中有着广泛的应用。
例如，在音频处理系统中，可以使用多通道模拟开关芯片来实现音频输入和输出的切换和选择；在电视信号处理系统中，可以使用多通道模拟开关芯片来选择不同的视频信号源；在医疗设备中，可以使用多通道模拟开关芯片来选择不同的生理信号采集通路；在测试和测量仪器中，可以使用多通道模拟开关芯片来实现多路信号的切换和连接。
表面肌电信号检测电路的多通道与多传感器设计
表面肌电信号检测电路的多通道与多传感器设计表面肌电（surface electromyography，sEMG）信号是一种用于检测肌肉活动的信号，常用于医学、康复和运动科学等领域。
在设计表面肌电信号检测电路时，采用多通道与多传感器的设计方案能够提高信号质量和测量准确度，本文将就此进行探讨。
一、多通道设计在表面肌电信号检测电路中，多通道设计能够同时采集来自不同位置的肌肉信号，从而提供更全面和准确的肌肉活动信息。
多通道设计的核心是模拟前端电路，它能够放大和滤波输入信号，并将信号转化为数字形式供后续处理。
为了实现多通道设计，可以采用多路放大器来处理不同通道的信号。
每个放大器的增益和滤波频率可以针对不同通道进行调整，以满足不同肌肉信号的特征。
此外，为了减少通道间的干扰，还可以采用差动放大器架构。
差动放大器通过比较两个输入信号的差异来消除共模干扰，提高信号的抗干扰能力。
二、多传感器设计多传感器设计能够进一步提高表面肌电信号的检测能力。
通过在不同位置放置多个传感器，可以同时监测多个肌肉的活动情况，从而获得更为准确的肌肉活动模式。
多传感器设计需要考虑传感器的选型和布局。
选择合适的传感器能够提高信号的灵敏度和稳定性。
常用的肌电传感器包括干式电极和湿式电极，它们具有不同的特点和适用范围。
在布局方面，应根据监测目标和肌肉结构来确定传感器的位置，确保能够充分覆盖所需监测的肌肉区域。
为了实现多个传感器的数据采集和处理，可以采用多通道数据采集系统。
该系统能够同时读取并存储多个传感器的信号，以供后续的信号处理和分析。
在选择数据采集系统时，需要考虑输入通道数、采样频率和数据传输方式等因素，以满足实际需求。
三、综合设计方案在实际应用中，多通道与多传感器的设计方案可以综合使用，以实现更为全面和准确的表面肌电信号检测。
这样的设计方案能够充分利用现有的技术手段，提高信号的采集和处理效果。
综合设计方案的实现需要兼顾多通道电路和多传感器布局的要求。
电路中的集成电路数字与模拟电路的集成实现
电路中的集成电路数字与模拟电路的集成实现近年来，随着科技的不断发展，电路技术也取得了突飞猛进的进展。
其中，集成电路的数字与模拟电路的集成实现成为了电路领域的一大亮点。
本文将详细介绍电路中的集成电路以及数字与模拟电路的集成实现，探讨其在现代科技中的应用和意义。
一、集成电路的概念与分类集成电路，顾名思义，就是将多个电子器件集成到一个芯片上的电路。
它是由晶体管、电容、电阻等器件通过一系列工艺步骤制成，并在芯片上进行布局和连接。
根据集成度的不同，集成电路可以分为小规模集成电路、中规模集成电路和大规模集成电路。
小规模集成电路（SSI）是指芯片上集成的器件较少，主要是一些逻辑门电路（如与门、或门等）。
中规模集成电路（MSI）则包含了中等规模的逻辑电路，如计数器、解码器等。
大规模集成电路（LSI）则进一步增加了集成度，可以实现更加复杂的功能，如微处理器、存储器等。
二、数字与模拟电路的集成实现的意义1. 成本效益：集成电路的数字与模拟电路的集成实现，可以将多个功能电路集成到一个芯片上，减少了电路所需的器件数量，从而降低了成本。
相较于使用传统的离散器件构建电路，集成电路的成本更加经济高效。
2. 体积小巧：数字与模拟电路的集成实现使得电路的构建更加紧凑，从而减小了电路的体积。
这对于一些对体积要求较高的应用场景（如移动设备）尤为重要，可以提高设备的便携性和可携带性。
3. 功耗低：与传统的电路相比，集成电路的功耗更低。
这是因为集成电路中的模拟电路和数字电路之间的耦合度更低，相互之间的干扰较少，从而减小了功耗。
4. 故障率低：由于集成电路的器件集成性高，电路板上的连接较少，从而减少了电路故障的可能性。
这对于一些对可靠性要求较高的应用（如航空航天领域）尤为重要。
三、数字与模拟电路的集成实现的应用1. 通信领域：在现代通信系统中，数字与模拟电路的集成实现发挥着重要作用。
例如，无线通信系统中的射频前端模块就是将射频模拟电路与数字信号处理单元集成在一起，实现了信号的放大、滤波和数字信号处理等功能。
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大器 以及 Ａ Ｃ的 功 耗 分 别 是 ３ ７ ｗ 和 ７ ４ ｔ 。 Ｄ ８ ０ Ｗ ｘ
关键 词 ：生 物 医 学 电 路 与 系统 ； 拟 前 端 ； 表 运 算 放 大器 ； 理 信 号 采集 模 仪 生
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益 可调 仪 表 运 算 放 大 器 、 灵 敏 度 电 流一 高 电压 转 换 器 、 准 源 ， 及 ８位 逐 次 逼 近 式 模 数 转 换 器 （ Ａ Ｄ ） 整 个 基 以 Ｓ ＲＡ Ｃ 。 芯 片采 用 Ｓ Ｃ混 合 信 号 ０ １ ｍ Ｃ Ｏ Ｐ Ｍ 的 工 艺 制 作 ， 心 电 路 的 芯 片 面 积 为 １ ３ ｉ。 芯 片 测 试 结 果 显 ＭＩ ．８ Ｍ Ｓ１６ 核 ．６ｍｌ 。 ｌ
生 物 医 学 信 号 采 集 的 多 通 道 模 拟 前 端 集 成 电 路
张金勇 李 斌 王 磊
５０ ４ ） １６ １ （ 南 理 工 大学 电子 与信 息 学 院 ， 术研 究 院生 物 医学 与 健 康 工 程 研 究所 ， 深
摘 要 ：提 出 并 设计 一 款 基 于 生 物 医学 信 号 采 集 的 多 通 道 模 拟 前 端 集 成 电路 （ｃ） Ｉ 。该 混 合 信 号 集 成 电路 包 含 增
２ 卷 ２ 期 ９
中 国 生 物 医 学 工 程 学
报
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ＮＯ． ２
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