基于AD8302的生物阻抗频谱测量仪的研制

　　1　引　　言

　　在目前的生物阻抗频谱测量中,广泛采用了基于相敏解调原理的测量方法[1]。相敏解调法具有如下缺点:(1)需要精确知道两路参考电压的幅值,但在多频系统中要测量所有频率点的参考电压幅值是相当困难的[223];(2)要求参考电压的相位与激励电流信号精确匹配,一路与激励电流信号同步,一路与激励电流信号正交,但是电压控制电流源(VCCS)的特性使参考电压很难做到与激励电流的精确同步或正交,从而引入系统误差[425];(3)硬件实现复杂、体积庞大,临床应用不方便。针对这种情况,本文设计了一种基于增益相位检测芯片AD8302的便携式生物阻抗频谱测量仪。本文首先介绍了AD8302的测量原理,然后着重论述了AD8302在测量仪中的应用方法。

　　2　AD8302芯片介绍

　　AD8302是ADI公司于2001年10月推出的用于幅度和相位测量的首款单片集成电路,它能同时测量从低频到2.7 GHz频率范围内两输入信号之间的幅度比和相位差。它主要由精密匹配的两个宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器组成。AD8302把两输入信号幅度之比(即增益)和相位差转化为电压输出,其范围为0~1.8V,分别表示两输入信号的增益范围为-30dB~+30dB,相位差为-180°~0°或0°~+180°。两路输出电压VMAG、VPHS分别输出幅值比和相位差,其方程式为:

　　3　生物阻抗频谱测量仪系统设计

　　3.1　系统总体设计

　　生物阻抗频谱测量仪(BIS)结构原理图如图1所示[6],系统包括直接数字合成器(DDS)、电压控制电流源(VCCS)、电极系统、无感精密参考电阻RS、前置放大电路A1、A2、增益相位检测芯片AD8302、单片机系统、存储器、键盘、LCD显示、RS2232串行接口、电源模块等。

　　图1中,正弦激励电流信号I0通过电流电极A、D注入被测体,电压电极B、C测量相应电压。测量回路中串联了一只具有标准阻值的无感纯电阻RS,其无感特性是为了保证其上产生的电压信号与激励电流同相位。被测阻抗ZX与RS上的正弦电压信号分别被前置放大器A1、A2放大得到:

　　式中:A1、A2分别表示前置放大器的放大倍数。对于两路构造相同的前置放大器,可以近似假设A2/A1=1。因此由式(3)可得:

　　VZ、VS送入增益相位检测芯片AD8302,输出幅值比和相位差信号VMAG、VPHS。根据公式(1)、(2)可得VZ、VS的幅值比和相位差:

　　根据公式(4)和(5)即可求出被测阻抗ZX的幅值和相位。

　　3.2　AD8302在测量系统中的应用

　　增益相位检测芯片AD8302是BIS系统的关键部件,AD8302的连接使用如图2所示。