劉博雋，孫 彪，張 甫，唐 求，張建文

(1.湖南師范大學物理與信息科學學院，湖南 長沙 410006;2.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082;3.國網(wǎng)新疆電力公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

近年來，利用生物組織的電特性及其通電后組織的變化規(guī)律，獲取生物組織信息的生物電阻抗譜測量展示了誘人的應用前景，越來越受到重視。

向待測生物體注入微小的交變電流或電壓信號，檢測生物組織相應的電阻抗及其變化情況，可獲取所需要的生物組織信息[1]，實現(xiàn)水分、嫩度、新鮮度、病變等檢測?，F(xiàn)階段的生物電阻抗測量技術主要有電橋法、二電極法、四電極法，對于目前絕大多數(shù)進行生物電阻抗測量的四電極法，其測量系統(tǒng)主要由激勵源模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、電極系統(tǒng)以及控制單元等部分組成[2]。其中，激勵源為整個系統(tǒng)提供了通入待測生物組織的激勵電流或電壓，是整個測量系統(tǒng)的基礎，其信號質(zhì)量是影響生物電阻抗測量性能的重要因素[3]。

在生物電阻抗檢測系統(tǒng)中，為減少電極與被測試樣接觸電阻的影響，普遍使用交變恒流源作為激勵源[4]。電阻抗譜測量需要得到多種頻率下生物組織電壓及電流的變化關系，具有比單頻測量更豐富、更準確的觀察信息[5]?；陔娮杩箿y量的肉類水分快速測定儀和基于電阻抗譜測量的注水肉檢測方法，就是依據(jù)多頻率激勵下的被測試樣導電性能確定水分含量和注水情況。文獻[3-4]利用DDS生成多頻信號，但功耗較大；文獻[5]利用函數(shù)發(fā)生器等儀器研究肉類導電性能，為原理實驗研究。上述研究方法雖不宜作為電池供電的便攜式儀器使用，但為本文提供了多頻率信號測量的借鑒思路。

本文根據(jù)便攜式肉類水分快速測定儀需求，設制了一種低功耗、能夠?qū)崿F(xiàn)頻率調(diào)節(jié)的程控精密恒流源，低頻信號用于觀測被測試樣細胞外液的導電性能，較高頻率信號則觀測細胞外液、內(nèi)液和細胞膜共同貢獻的導電性能。試驗證明，該恒流源具有穩(wěn)定性高、輸出阻抗大、調(diào)節(jié)便捷等優(yōu)點。

1 頻率可調(diào)的程控恒流源的構成

1.1 程控恒流源的結構設計

注水肉快速測量要得到多種頻率下待測肉品電壓與電流之間的關系，頻率可調(diào)為該恒流源的基本要求。程控恒流源系統(tǒng)分為信號產(chǎn)生電路和電壓電流轉(zhuǎn)換電路兩部分。單片機控制信號產(chǎn)生電路中的電阻阻值，實現(xiàn)對恒流源輸出信號的頻率調(diào)節(jié)。圖1即為該程控恒流源系統(tǒng)整體結構。通過鍵盤對單片機輸入指令，控制模擬開關的導通情況，改變信號產(chǎn)生電路中數(shù)字電位器阻值以及接入電容的電容值大小，進而改變信號產(chǎn)生電路的輸出信號頻率。將信號產(chǎn)生電路輸出的正弦信號作為電壓電流轉(zhuǎn)換電路的輸入信號并通入其中，即可實現(xiàn)固定頻率的正弦電壓信號到同頻率的正弦電流信號的轉(zhuǎn)換[6]。將信號產(chǎn)生電路以及電壓電流轉(zhuǎn)換電路二者的輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理反饋至單片機，最終將輸出結果顯示在顯示器上。

圖1 程控恒流源系統(tǒng)結構設計

1.2 程控恒流源系統(tǒng)原理圖設計

程控恒流源電路由正弦信號發(fā)生器與壓控精密恒流源兩部分構成，電路如圖2所示。由運放A1、構成的信號發(fā)生電路由于自激振蕩，于A2輸出端輸出正弦波，調(diào)節(jié)電容C1、C2以及電位器P1的阻值，可以改變信號發(fā)生電路的輸出信號頻率。信號發(fā)生電路的輸出信號作為電壓電流轉(zhuǎn)換電路的輸入信號，正弦波經(jīng)過基于Howland電流泵的改進型電路進行電壓電流轉(zhuǎn)換，輸出具有高輸出阻抗的正弦恒流源信號。

圖2 程控精密恒流源電路圖

2 恒流源電路設計

2.1 正弦信號發(fā)生器電路設計

信號發(fā)生器需要頻率控制電路。本文設計的信號發(fā)生器選用單T選頻網(wǎng)絡。

2.1.1 單T型選頻網(wǎng)絡

單T型選頻網(wǎng)絡電路結構如圖3(a)所示，它由一個定值電阻與一個T型網(wǎng)絡高通濾波器并聯(lián)構成。利用星形電路同三角形電路轉(zhuǎn)換的原理，可以將單T選頻網(wǎng)絡化簡為圖3(b)所示的等效電路[7]。

圖3 單T選頻網(wǎng)絡原理圖

從圖3(b)中，可以得到Z1為

由此得到單T選頻網(wǎng)絡的幅頻特性：

單T選頻網(wǎng)絡的相頻特性為

2.1.2 單T型選頻網(wǎng)絡正弦信號發(fā)生器

單T型選頻網(wǎng)絡正弦信號發(fā)生器電路圖如圖4所示。采用TI公司的極低失真、低噪聲高速運放OPA134作為主振運放A1，其帶寬8 MHz，壓擺率20 V/μs。單T選頻網(wǎng)絡接在A1的負反饋回路中，反饋信號與輸入信號存在相位差π，且由于A1為非理想放大器，開環(huán)增益并非無窮大，電路無法滿足自激振蕩A·F=1及φA+φF=2nπ的振蕩條件。因此，需要在電路中加入正反饋以滿足振蕩條件。

圖4 單T型選頻網(wǎng)絡正弦信號發(fā)生器

圖4中，除主振運放A1外，設置有電壓比較器A2。A2采用TI公司的高速、具有選通的差動比較器LM311。A2同相端電位為0，反相端接正弦信號比較器A2輸 出信號為頻率與正弦信號U0相同的方波，該方波經(jīng)過R6、R7、P2產(chǎn)生電平位移以及齊納二極管D1穩(wěn)幅后，反饋到單T型選頻網(wǎng)絡中，實現(xiàn)自激振蕩。圖4中的電路采用外激調(diào)諧方法實現(xiàn)正反饋，不影響電路的增益或帶寬，因此輸出信號幅值與電路振蕩頻率不產(chǎn)生相互影響。

為保證電路起振，電容C3、電阻R4的取值應使A2達到飽和，工作在非線性區(qū)，即使A2表現(xiàn)為過零比較器，產(chǎn)生方波諧振。

調(diào)節(jié)單T選頻網(wǎng)絡電容與電位器參數(shù)，可以改變輸出信號的頻率；與此同時，通過電位器P2，可以調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出的信號幅值。但P2的阻值不宜過低，否則將出現(xiàn)因閉環(huán)增益過高而導致輸出信號失真。反復實踐表明，P2阻值保持在最大值的60%～98%為宜。

圖4中各元件參數(shù)分別為R1=100 k?、R2=200 ?、R3=20 k? 、R4=22 k?、R5=R6=10 M?、R7=1 k?、P1=2 k?、P2=1 k?、C1=C2=C、C3=350 nF、C4=10 nF。改變C的容值可以實現(xiàn)對正弦信號發(fā)生器輸出頻率的量程改變，改變P1阻值可實現(xiàn)該量程內(nèi)的頻率微調(diào)。在C由20 nF逐漸調(diào)至40 pF過程中，正弦信號發(fā)生器輸出頻率由0.5 kHz調(diào)節(jié)至522 kHz。

在Multisim 10仿真環(huán)境下，對圖4所示電路進行仿真測試，運放A1、A2均使用±5 V雙電源供電，當C=40pF時，輸出信號頻率為500 kHz，有效值為1 V，輸出信號波形圖如圖5所示，與理論計算非常接近，信號質(zhì)量理想。

圖5 頻率500 kHz有效值1 V的正弦信號發(fā)生器輸出波形

2.2 壓控精密恒流源電路設計

2.2.1 電壓電流轉(zhuǎn)換電路設計

本文設計的基于改進型Howland電流泵的電壓電流轉(zhuǎn)換電路，如圖6所示。相比原Howland電流泵，該電壓電流轉(zhuǎn)換電路于運放A3的負反饋回路中加入了由同型運放A4構成的電壓跟隨器，以減少運放A3負反饋回路中的電流消耗，提高電路的輸出阻抗。

圖6 電壓電流轉(zhuǎn)換電路圖

圖中電壓電流轉(zhuǎn)換電路中的運放A1、A2均選用TI公司的極低噪聲、高速運放OPA725，其帶寬20 MHz，壓擺率30 V/μs[8]。電阻R8～R12為增益調(diào)節(jié)電阻，均可由一個固定電阻與一個電位器串聯(lián)構成。電容C5用來防止在兩條反饋回路中出現(xiàn)大容性負載時產(chǎn)生振蕩[9-10]。電容C2為 濾波電容，Rload為負載電阻。

2.2.2 電壓電流轉(zhuǎn)換原理

圖6所示電壓電流轉(zhuǎn)換電路的交流小信號等效電路如圖7所示。其中，V?與V+分 別為運放A3反向、同向輸入端的電壓，Vx為A3的 輸出電壓，Vout為恒流源電路的輸出電壓。

圖7 電壓電流轉(zhuǎn)換電路小信號等效電路

若A3、A4工作在線性區(qū)，輸出電流為Igen，則有：

聯(lián)立式 (6)～(8)得

Vout結點的KCL方程為

將式(10)式代入式(9)有：

選擇合適的外圍電阻阻值，使

則式(11)可表示為

取R8=R9，則式(13)可進一步簡化為

即電壓電流轉(zhuǎn)換電路的輸出電流完全由輸入信號U0與 電阻R12所決定。

2.2.3 電壓電流轉(zhuǎn)換的電路元件參數(shù)設置

Howland電流泵中，只有參數(shù)達到阻抗匹配才能正常工作，但并不是任意的阻抗匹配都能夠達到較好的效果[10]。本文設計的電壓電流轉(zhuǎn)換電路調(diào)試過程發(fā)現(xiàn)，即使達到阻抗匹配，不同的電阻值也會產(chǎn)生不同的恒流特性。經(jīng)反復調(diào)試，在多組數(shù)據(jù)中選擇出了恒流特性相對較優(yōu)的參數(shù)值：R8=R9=R10=5 k?，R11=R12=2.5 k?，C5=10 pF，C6=1 nF，電源為±5 V雙電源供電。

3 程控精密恒流源的仿真實驗研究

電路設計后，進行了大量的仿真實驗研究，以獲得優(yōu)化的參數(shù)配置，在仿真實驗驗證電路良好性能的基礎上進一步完成電路調(diào)試、定型。

將圖2所示精密程控恒流電路在Multisim 10.0環(huán)境進行仿真實驗，通過改變電路的C并調(diào)節(jié)P1、P2，使信號發(fā)生器輸出幅值為1 V的不同頻率正弦信號。表1、表2分別為輸出頻率固定、負載電阻變化的恒流源輸出電流仿真實驗結果；表3為負載電阻取不同固定值、輸出信號頻率變化時的恒流源輸出電流仿真實驗結果。

表1 頻率為200 kHz時電流隨負載的變化關系

由表1、表2可見，當信號發(fā)生器輸出頻率為200 kHz、負載從0到2.5 kΩ變化時，輸出電流從392.612 μA 變化到 391.277 μA，變化量僅為 0.34%；當信號發(fā)生器輸出頻率為500 kHz、負載從0到1.2 kΩ時，輸出電流從388.981 μA變化到386.005 μA，變化量僅為0.77%。

表2 頻率為500 kHz時電流隨負載的變化關系

表3 不同負載電阻下電流隨頻率的變化關系

由表3可見，對于100 Ω的負載，信號發(fā)生器輸出頻率從100 kHz變化到500 kHz，輸出電流由393.127 μA 變化到 388.792 μA，變化率為 1.10%；對于1 kΩ的負載，信號發(fā)生器輸出頻率從100 kHz變化到 500 kHz，輸出電流由 393.043 μA變化到386.609 μA，變化率為 1.63%。

仿真實驗表明，保持信號發(fā)生器輸出頻率不變、改變負載大小或是保持負載不變、改變信號發(fā)生器輸出頻率，輸出電流的變化率均保持在較低水平，意味著當負載變化較大時輸出電流能夠保持在較高的穩(wěn)定狀態(tài)。在仿真實驗成功基礎上試制的頻率可調(diào)程控精密恒流源，已應用于肉類水分快速測定儀、注水肉快速測量儀。儀器測試效果良好，通過了國家計量部門檢測，圖8為采用了本文設計恒流源的RSY-2肉類水分快速測定儀。

4 結束語

以交變電流作為激勵源，用電壓測量的方案進行生物電阻抗測量，已在醫(yī)學電阻抗斷層成像（EIT）以及生物電阻抗分析（BIA）中廣泛應用[11-12]?；谏镫娮杩狗治龅娜忸愃挚焖贉y定、注水肉快速測量，激勵源的性能對測量精度、穩(wěn)定性有著直接影響。本文設計的基于Howland電流泵改進型頻率可調(diào)程控精密恒流源采用單T型選頻網(wǎng)絡正弦波振蕩器，頻率調(diào)節(jié)快速方便，輸出信號穩(wěn)定且幅值可調(diào)、輸出阻抗大、負載能力強、輸出電流穩(wěn)定，功耗低、體積小，便于便攜式儀器采用，實際應用證明了其優(yōu)良性能。

圖8 RSY-2肉類水分快速測定儀