差分电流源电路和阻抗测量方法

本技术涉及生物电子，具体涉及一种用于人体阻抗测量的装置和电路。

背景技术：

1、现有技术中，人体阻抗是包括人体皮肤、血液、肌肉、细胞组织及其结合部在内的含有电阻和电容的全阻抗。一般认为干燥的皮肤在低电压下具有相当高的电阻，约10万欧。当电压在500～1000伏时，人体电阻便下降为1000欧。

2、人体阻抗测量方式主要分为两种：一种是采用恒压刺激、电流采集的方式；另一种是通过恒流刺激、电压采集的方式。恒压刺激、电流采集的方式，由于每个人的阻抗的不同，通过人体电流的大小不易控制。当人体阻抗较小时，流过人体的电流幅值大小可能会超出人体所能承受的安全电流范围，危及人身安全，因此需要对流入人体的电流加以控制。跟随电压变化时，人体阻抗下降，会进一步增加风险。

3、从检测技术上看，电流检测不易实现，电压检测对检测模块的要求会更低。采用恒流刺激、电压检测的方式，电流源激励受未知接触阻抗影响小，并且施加到人体上的电流幅值恒定、可控，从而可以保护被测者人身安全。因此人体阻抗测量通常采用恒流激励、电压检测的方案。

4、现有技术中，存在的恒流源电路输出阻抗低、抗干扰能力差，且没有考虑对器件本身误差做补偿。当需要测量人体阻抗变化过程时，能适应的动态范围小，抗干扰能、力弱，测量准确性和稳定性容易受到影响。

技术实现思路

1、本技术中的技术方案要解决的技术问题在于提出一种差分电流源电路，通过增设的howland补偿电路单元，对两路howland电路的不平衡性做补偿，增大了恒流源即电流源电路的输出阻抗和带负载能力。

2、本技术解决上述问题的技术方案是一种差分电流源电路，包括单端转差分电路单元、两路howland电路单元即howland电路单元a和howland电路单元b、直流反馈电路单元即howland补偿电路单元；单端转差分电路单元用于将输入的电压信号进行差分转换，输出两路电压幅值、频率完全相等，但极性相反的电压信号；即电压信号a和电压信号b；单端转差分电路单元包括两个输出端，两个输出端分别与howland电路单元a和howland电路单元b电连接；电压信号a用作howland电路单元a的输入信号；电压信号b用作howland电路单元b的输入信号；howland补偿电路单元的输入端用于howland电路单元a和howland电路单元b的输出端电连接；howland补偿电路单元用于获取howland电路单元a和howland电路单元b的共模电压即直流偏置电压；直流偏置电压用于输入到howland电路单元a和howland电路单元b的输入端。

3、所述的差分电流源电路，还包括信号预处理电路，信号预处理电路的输出端和单端转差分电路单元的输入端电连接，向单端转差分电路单元输出电压信号；信号预处理电路的输入端用于连接获取激励信号。

4、信号预处理电路单元包括电阻r1～r4，滑动变阻器r5、电容c1和运算放大器u1；电阻r1的一端连接外部激励信号即输入的交流电压信号vin，电阻r1的另一端与电阻r2一起连接运算放大器u1反向输入端，同时电阻r2另一端连接输入的直流电压信号vdc；电阻r4的两端分别连接电路地与运算放大器u1同相输入端；电阻r4的另一端接地；电容c1跨接在运算放大器u1的反向输入端与输出端之间；电阻r3和滑动变阻器r5串联后跨接在运算放大器u1的反向输入端与输出端之间。

5、所述单端转差分电路单元，包括电阻r6、r7和单端转差分芯片u2；电阻r6的两端分别连接电路地与单端转差分芯片u2中的1引脚，即内部运算放大器的反向输入端；电阻r7的两端跨接在单端转差分芯片u2的1引脚和4引脚上，即内部运算放大器的反向输入端和输出端上；信号预处理电路单元的输出端与单端转差分芯片u2的8引脚相连接；单端转差分芯片u2的引脚4与引脚5，即内部运算放大器的输出端分别为单端转差分电路单元的差分电压输出va和vb。

6、howland电路单元a包括电阻r8、r9、r14、r17、r19、r22和电容c2、c4、c7、c9，以及运放u3组成；电阻r8一端连接单子转差分电路单元输出va，另一端连接运算放大器u3反向输入端；电阻r9与电容c2一端连接运算放大器u3的同相输入端，另外一端与运算放大器u5的输出端连接；电阻r14与电容c4跨接在运算放大器u3的反向输入端与输出端；r17、c7和r19串联跨接在运算放大器u3的同相输入端与输出端之间。

7、howland电路单元b与howland电路单元a具有对称的结构；howland电路单元b由电阻r10、r11、r13、r18、r21、r23和电容c3、c5、c8、c10，以及运放u4组成；电阻r11一端连接单子转差分电路单元输出vb，另一端连接运算放大器u4反向输入端；电阻r13与电容c5跨接在运算放大器u4的反向输入端与输出端；电阻r10与电容c3一端连接运算放大器u3的同相输入端，另外一端与运算放大器u5的输出端连接；r18、c8和r21串联跨接在运算放大器u4的同相输入端和输出端之间；电阻r20两端分别与电阻r19、r21相连接，作为两电路单元的公共端；电阻r22、电容c9并联，其一端与电阻r20的一端连接，另一端与外部负载电阻rl的一端连接；电阻r23、电容c10并联，其一端与电阻r20的另一端连接，另一端与外部负载电阻rl的另一端连接；电容c11的两端分别与电阻r20的两端连接，同时电容c11的两端分别与外部负载电阻rl两端连接。

8、howland补偿电路单元，还包括反向运算电路，用于将两路howland电路单元输出的共模电压进行反向运算，运算的结果再输入到两路howland电路单元的同相输入端。实现对两路howland电路的负反馈调节。

9、howland补偿电路单元由电阻r12、r15、r16、电容c6和运算放大器u5组成；电阻r12和电容c6并联跨接在运算放大器u5的反向输入端和输入端之间；电阻r15、r16的各一端分别连接运算放大器u3输出端vao和运算放大器u4的输出端vbo，电阻r15、r16的各另一端都与运算放大器u5的反向输入端连接；运算放大器u5的输出端连接电阻r9、r10和电容c2、c3的公共端vcm。

10、所述的差分电流源电路，还包括负载，howland电路单元a的输出端和howland电路单元b的输出端与负载电连接。

11、一种阻抗测量装置，包括上述的差分电流源电路；阻抗测量装置用于人体阻抗测量。人体阻抗测量装置，包括心阻抗测量装置、胸阻抗测量装置中的任意一种；心阻抗测量装置用于无创心排量测量；胸阻抗测量装置用于呼吸测量。

12、一种阻抗测量装置方法，基于上述的差分电流源电路；将激励信号输入至单端转差分电路单元，转化成两路电压幅值、频率完全相等，但极性相反的电压信号；极性相反的电压信号分别用作两路howland电路单元的输入信号；通过howland补偿电路单元将两路howland电路单元的输出信号之和进行反向运算后，反馈回到两路howland电路单元的输出端；两路howland电路单元的输出端分别与外部人体阻抗的两个输入端连接；通过差分电流源电路为阻抗测量方法提供激励信号；通过测量激励信号下的输出，进行人体阻抗测量。人体阻抗测量方法，基于上述人体阻抗测量装置。人体阻抗测量装置包括心阻抗测量装置、胸阻抗测量装置中的任意一种；心阻抗测量装置用于无创心排量测量；胸阻抗测量装置用于呼吸测量。

13、本技术的有益效果之一是，利用经典howland电路拓扑为基础实现差分恒流源电路结构的设计，并引入howland补偿电路单元对两路howland电路的不平衡性做补偿，使得实际恒流源特性趋于理想值。

14、本技术的有益效果之一是，现有技术中，电压输入不能含有直流分量，该电路无法通过硬件改变输入电压大小，系统会受到输入信号的高频干扰所影响，并且需要保证电路的对称性才能发挥该电路的最佳性能。本技术对电压输入的要求不高，若其中含有直流分量，可以通过本技术中的直流反馈电路单元，自动消除直流分量，很好地扩大了恒流源输出的动态范围，提高恒流源带负载能力。能消除两路howland运放失调所引起的平均电压引入回输入端，消除由于运放等器件本身失调电压、偏置电流与失调电流造成的偏置输出的影响。

15、本技术的有益效果之一是，输出阻抗无限大，带负载能力大幅提升。

16、本技术的有益效果之一是，howland补偿电路将两路howland电路单元输出的电压之和进行反向运算后，叠加到运算放大器的同相输入端，可以消除两路运算放大器在性能上差异所导致的直流失调信号，进一步增大恒流源的带负载能力。

17、本技术的有益效果之一是，两路howland电路是对称结构，且输入交流信号va与vb之和为0，因此howland补偿电路对交流部分信号无影响，特别适合人体电阻变化的测量，对这样的微弱信号应用场景非常适用。