本发明涉及生物医疗电子技术领域，具体为一种用于生物电信号的仪表放大器。
背景技术：
目前，心电图监测系统、脑电图监测系统以及神经信号记录系统是国内外生物医疗电子领域的一个研究热点。心电信号、脑电信号以及神经信号的记录研究具备广泛的应用价值，其中心电信号对探测心脏生理病理变化具有重大意义，脑电信号和神经信号对探测和诊断神经性疾病，如癫痫等有很高的价值，它们的研究进展对未来神经假体、治愈神经性疾病具有重要意义。对于记录和探测以上所述生物信号的电子系统，高性能的仪表放大器是一个至关重要的模块。
生物电信号分布的频带较低，一般在10khz以下，且信号的幅值微弱，一般在数微伏到数毫伏之间。比如，脑电信号一般分布在0.5hz到100hz之间，幅值一般为1μv到100μv之间；心电信号一般分布在0.5hz到500hz之间，幅度为1μv到500μv之间；神经信号一般分为动作电位信号和局部电位信号，频率分别在200hz到10khz和0.1hz到200hz之间，幅值也一般在数百微伏到数毫伏级别。同时在脑电、心电、神经信号的记录系统中，用于检测信号的电极会因为被周围神经元或者细胞的附着导致输出阻抗高达数千欧姆。由于生物电信号的特性，要求应用于生物信号的仪表放大器要具备低噪声、高共模抑制比、高输入阻抗以及高放大倍数。
现有的常用仪表放大电路分为两种：第一种为普通三运放结构，它的特点是结构简单，应用方便；第二种为斩波运放结构，其特点是结构复杂但是噪音和共模优于普通三运放结构。
但是现有的普通三运放结构的低噪音高共模的仪表价格比较高，主要体现在第三极的匹配电阻要求比较高难以匹配；与此同时，斩波运放结构应用较多模拟开关、电路复杂、难以集成，较难在应用中实现。
因此急需发明创造一种通过电荷转移原理实现普通运放就能搭建较高共模比的电路，同时减少原件数量，更易于实际应用实现，减小应用电路体积，降低应用成本，扩展单运放应用在仪表电路空间的生物电信号的仪表放大器。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于生物电信号的仪表放大器，通过电荷转移原理实现普通运放就能搭建较高共模比的电路的方式，进而使得本发明减少原件数量的同时，更易于实际应用实现，具备减小应用电路体积，降低应用成本，扩展了单运放应用在仪表电路空间的优点，解决了现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于生物电信号的仪表放大器，包括信号输入模块1，所述信号输入模块1将其所接收的生物电信号放大进行阻抗匹配后，输出低阻抗信号；
电荷转移模块2，所述电荷转移模块2将放大后的所述低阻抗信号经低通去高频杂波处理后进行波形还原，输出低通频点信号；
信号模块3，所述信号模块3用于提供信号源至电荷转移模块2进行电荷转移输出。
作为对本发明中所述一种用于生物电信号的仪表放大器的改进，所述信号输入模块1包括由电阻r1、电容c4、电阻r8、以及电容c7组成的rc滤波电路和由第一运算放大器u2a、第二运放大器u2b、电阻r4以及电阻r6组成的放大电路，其中，电阻r1第一端和电阻r8的第一端分别接入生物电信号，电阻r1的第二端分别连接电容c4的第一端和第一运算放大器u2a的同向输入端，电阻r8的第二端分别连接电容c7的第一端和第二运放大器u2b的同向输入端，所述电容c4的第二端和电容c7的第二端分别接地，所述第一运算放大器u2a的反向输入端串联电阻r5后接入第二运放大器u2b的反向输入端，所述电阻r4的第一端连接第一运算放大器u2a的反向输入端，第二端连接第一运算放大器u2a的输出端，所述电阻r6的第一端连接第二运放大器u2b的反向输入端，第二端连接第二运放大器u2b的输出端，用于将生物电信号放大，进行阻抗匹配，输出低阻抗信号。
作为对本发明中所述一种用于生物电信号的仪表放大器的改进，所述电荷转移模块2包括由电阻r2、电容c5以及电阻r9组成以用于除掉不相关高频信号的一次低通滤波电路、由电阻r3、电阻r10、单刀双掷模拟开关q1、单刀双掷模拟开关q2、电容c6组成的充放电电路以及由电阻r7和电容c8组成的二次低通滤波电路，其中，所述电阻r2的第一端和电阻r9的第一端分别连接第一运算放大器u2a的输出端和第二运放大器u2b的输出端，所述电阻r2的第二端和电阻r9的第二端分别连接电容c5的第一端和第二端，所述电阻r2的第二端串联电阻r3后接入单刀双掷模拟开关q1的常开引脚6，所述电阻r9的第二端串联电阻r10后接入单刀双掷模拟开关q2的常开引脚6，所述单刀双掷模拟开关q1引脚1连接单刀双掷模拟开关q2的引脚1，单刀双掷模拟开关q1引脚2连接vcc，单刀双掷模拟开关q1引脚3接地，单刀双掷模拟开关q1常闭引脚5连接电容c6第一端，所述电容c6的第二端连接单刀双掷模拟开关q2常闭引脚4，单刀双掷模拟开关q2引脚2连接vcc，单刀双掷模拟开关q2引脚3接地，所述单刀双掷模拟开关q2常闭引脚4串联电阻r7的第一端后输出低通频点信号，所述电容c8的第一端连接电阻r7的第二端，电容c8的第二端接地。
作为对本发明中所述一种用于生物电信号的仪表放大器的改进，所述信号模块3包括由芯片u1、电容c1、电容c2以及电容c3组成的信号源电路，其中，所述芯片u1的引脚5连接单刀双掷模拟开关q1的引脚1，用于振荡信号输出，所述芯片u1的引脚4接地，所述芯片u1的引脚5和引脚3分别连接电容c1的第一端和第二端，所述芯片u1的引脚1接地，所述电容c2第一端连接所述芯片u1的引脚1，电容c2的第二端接地，所述电容c3的第一端连接所述芯片u1引脚2，第二端接地，所述芯片u1的引脚2接地，用于电荷泵的负电源驱动能力和振荡信号输出，实现对单刀双掷模拟开关q1和单刀双掷模拟开关q2进行常开常闭的快速切换。
作为对本发明中所述一种用于生物电信号的仪表放大器的改进，所述第一运算放大器u2a、第二运放大器u2b的放大系数为：gain＝1 (r4 r7)/r6。
作为对本发明中所述一种用于生物电信号的仪表放大器的改进，所述一次低通滤波电路中电容c5两端为低通频率点，其两端阻容值的输出电压为计算方式为：
uo＝ui/[(2*pi*f*r*c)^2 1]^0.5，式中：
uo为输出电压；ui为输入电压；pi为圆周率；f为信号频率。
作为对本发明中所述一种用于生物电信号的仪表放大器的改进，所述芯片u1采用sgm3204型。
作为本发明的第二方面，所述的一种用于生物电信号的仪表放大器在生物医疗电子技术领域中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.通过电荷转移原理实现普通运放就能搭建较高共模比的电路的方式，进而使得本发明减少原件数量的同时，更易于实际应用实现，具备减小应用电路体积，降低应用成本，扩展了单运放应用在仪表电路空间的优点；
2.本电路采用接近1mhz的电荷泵电路，采集带宽理论值为0-100khz，大大满足普通生物电采集需求，且通过采用高频斩波达到了很小的噪声水平，同时，减少原件数量，更易于实际应用实现，减小应用电路体积,成本更低。
附图说明
图1为本发明一种实施例中原始生物电信号经电荷转移后的输出波形示例图。
图2为本发明一种实施例中生物电信号的仪表放大器的电路原理示意图。
图3为本发明一种实施例中生物电信号传输流程示意图。
图4为本发明一种实施例中生物电信号仪表放大器的共模比高的效果示意图。
图中标注说明：1-信号输入模块、2-电荷转移模块、3-信号模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
作为本发明的一种实施例，一种用于生物电信号的仪表放大器，如图1-3所示，包括信号输入模块1，信号输入模块1将其所接收的生物电信号放大进行阻抗匹配后，输出低阻抗信号；
电荷转移模块2，电荷转移模块2将放大后的低阻抗信号经低通去高频杂波处理后进行波形还原，输出低通频点信号；
信号模块3，信号模块3用于提供信号源至电荷转移模块2进行电荷转移输出，通过电荷转移原理实现普通运放就能搭建较高共模比的电路的方式，进而使得本发明减少原件数量的同时，更易于实际应用实现，具备减小应用电路体积，降低应用成本，扩展了单运放应用在仪表电路空间的优点。
在本发明的一实施例中，信号输入模块1包括由电阻r1、电容c4、电阻r8、以及电容c7组成的rc滤波电路和由第一运算放大器u2a、第二运放大器u2b、电阻r4以及电阻r6组成的放大电路，其中，电阻r1第一端和电阻r8的第一端分别接入生物电信号in1和in2，电阻r1的第二端分别连接电容c4的第一端和第一运算放大器u2a的同向输入端，电阻r8的第二端分别连接电容c7的第一端和第二运放大器u2b的同向输入端，电容c4的第二端和电容c7的第二端分别接地，第一运算放大器u2a的反向输入端串联电阻r5后接入第二运放大器u2b的反向输入端，电阻r4的第一端连接第一运算放大器u2a的反向输入端，第二端连接第一运算放大器u2a的输出端，电阻r6的第一端连接第二运放大器u2b的反向输入端，第二端连接第二运放大器u2b的输出端，in1，in2生物电信号经过电阻r1、电容c4、电阻r8、电容c7组成的rc滤波电路到第一运算放大器u2a、第二运放大器u2b进行放大，放大系数为：gain＝1 (r4 r7)/r6，用于将微弱生物电信号放大，进行阻抗匹配，输出较低的输出阻抗。
在本发明的一实施例中，电荷转移模块2包括由电阻r2、电容c5以及电阻r9组成以用于除掉不相关高频信号的一次低通滤波电路、由电阻r3、电阻r10、单刀双掷模拟开关q1、单刀双掷模拟开关q2、电容c6组成的充放电电路以及由电阻r7和电容c8组成的二次低通滤波电路，其中，电阻r2的第一端和电阻r9的第一端分别连接第一运算放大器u2a的输出端和第二运放大器u2b的输出端，电阻r2的第二端和电阻r9的第二端分别连接电容c5的第一端和第二端，电阻r2的第二端串联电阻r3后接入单刀双掷模拟开关q1的常开引脚6，电阻r9的第二端串联电阻r10后接入单刀双掷模拟开关q2的常开引脚6，单刀双掷模拟开关q1引脚1连接单刀双掷模拟开关q2的引脚1，单刀双掷模拟开关q1引脚2连接vcc，单刀双掷模拟开关q1引脚3接地，单刀双掷模拟开关q1常闭引脚5连接电容c6第一端，电容c6的第二端连接单刀双掷模拟开关q2常闭引脚4，单刀双掷模拟开关q2引脚2连接vcc，单刀双掷模拟开关q2引脚3接地，单刀双掷模拟开关q2常闭引脚4串联电阻r7的第一端后输出低通频点信号，电容c8的第一端连接电阻r7的第二端，电容c8的第二端接地，第一运算放大器u2a、第二运放大器u2b放大的信号经过电阻r2、电阻r5以及电容c9组成的一次低通滤波电路除掉不用的高频信号，将此处的阻容值自定义为低通频率点，此时，电容c5两端阻容值的输出电压为计算方式为：uo＝ui/[(2*pi*f*r*c)^2 1]^0.5，式中：uo为输出电压；ui为输入电压；pi为圆周率；f为信号频率，本电路采用接近1mhz的电荷泵电路，采集带宽理论值为0-100khz，大大满足普通生物电采集需求，且通过采用高频斩波达到了很小的噪声水平，同时，减少原件数量，更易于实际应用实现，减小应用电路体积,成本更低。
在本发明的一实施例中，低通生物电信号由电阻r3、电阻r10通过单刀双掷模拟开关q1和单刀双掷模拟开关q2常开脚导通对电容c6充放电，冲放完电荷的电容c6再通过单刀双掷模拟开关q1和单刀双掷模拟开关q2常闭脚导通对电阻r7、电容c8进行充放电，电阻r7、电容c8组成的二次低通滤波电路滤除掉不需要的高频杂波，还原原始生物电信号波形，在本发明的一实施例中，振荡信号选择10倍于信号采集频率，本电路采用接近1mhz的电荷泵电路，采集带宽理论值为0hz-100k大大满足普通生物电采集需求。
在本发明的一实施例中，信号模块3包括由芯片u1、电容c1、电容c2以及电容c3组成的信号源电路，芯片u1采用sgm3204型，其中，芯片u1的引脚5连接单刀双掷模拟开关q1的引脚1，用于振荡信号输出，芯片u1的引脚4接地，芯片u1的引脚5和引脚3分别连接电容c1的第一端和第二端，芯片u1的引脚1接地，电容c2第一端连接芯片u1的引脚1，电容c2的第二端接地，电容c3的第一端连接芯片u1引脚2，第二端接地，芯片u1的引脚2接地，用于电荷泵的负电源驱动能力和振荡信号输出，实现对单刀双掷模拟开关q1和单刀双掷模拟开关q2进行常开常闭的快速切换。
作为本发明的一实施例，如图4所示，影响普通三运放的主要因素为：
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
1.一种用于生物电信号的仪表放大器，其特征在于，包括：
信号输入模块1，所述信号输入模块1将其所接收的生物电信号放大进行阻抗匹配后，输出低阻抗信号；
电荷转移模块2，所述电荷转移模块2将放大后的所述低阻抗信号经低通去高频杂波处理后进行波形还原，输出低通频点信号；
信号模块3，所述信号模块3用于提供信号源至电荷转移模块2进行电荷转移输出；
其中，所述信号输入模块1包括由电阻r1、电容c4、电阻r8、以及电容c7组成的rc滤波电路和由第一运算放大器u2a、第二运放大器u2b、电阻r4以及电阻r6组成的放大电路，其中，电阻r1第一端和电阻r8的第一端分别接入生物电信号，电阻r1的第二端分别连接电容c4的第一端和第一运算放大器u2a的同向输入端，电阻r8的第二端分别连接电容c7的第一端和第二运放大器u2b的同向输入端，所述电容c4的第二端和电容c7的第二端分别接地，所述第一运算放大器u2a的反向输入端串联电阻r5后接入第二运放大器u2b的反向输入端，所述电阻r4的第一端连接第一运算放大器u2a的反向输入端，第二端连接第一运算放大器u2a的输出端，所述电阻r6的第一端连接第二运放大器u2b的反向输入端，第二端连接第二运放大器u2b的输出端，用于将生物电信号放大，进行阻抗匹配，输出低阻抗信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于生物电信号的仪表放大器，其特征在于：所述电荷转移模块2包括由电阻r2、电容c5以及电阻r9组成以用于除掉不相关高频信号的一次低通滤波电路、由电阻r3、电阻r10、单刀双掷模拟开关q1、单刀双掷模拟开关q2、电容c6组成的充放电电路以及由电阻r7和电容c8组成的二次低通滤波电路，其中，所述电阻r2的第一端和电阻r9的第一端分别连接第一运算放大器u2a的输出端和第二运放大器u2b的输出端，所述电阻r2的第二端和电阻r9的第二端分别连接电容c5的第一端和第二端，所述电阻r2的第二端串联电阻r3后接入单刀双掷模拟开关q1的常开引脚6，所述电阻r9的第二端串联电阻r10后接入单刀双掷模拟开关q2的常开引脚6，所述单刀双掷模拟开关q1引脚1连接单刀双掷模拟开关q2的引脚1，单刀双掷模拟开关q1引脚2连接vcc，单刀双掷模拟开关q1引脚3接地，单刀双掷模拟开关q1常闭引脚5连接电容c6第一端，所述电容c6的第二端连接单刀双掷模拟开关q2常闭引脚4，单刀双掷模拟开关q2引脚2连接vcc，单刀双掷模拟开关q2引脚3接地，所述单刀双掷模拟开关q2常闭引脚4串联电阻r7的第一端后输出低通频点信号，所述电容c8的第一端连接电阻r7的第二端，电容c8的第二端接地。
3.根据权利要求1所述的一种用于生物电信号的仪表放大器，其特征在于：所述信号模块3包括由芯片u1、电容c1、电容c2以及电容c3组成的信号源电路，其中，所述芯片u1的引脚5连接单刀双掷模拟开关q1的引脚1，用于振荡信号输出，所述芯片u1的引脚4接地，所述芯片u1的引脚5和引脚3分别连接电容c1的第一端和第二端，所述芯片u1的引脚1接地，所述电容c2第一端连接所述芯片u1的引脚1，电容c2的第二端接地，所述电容c3的第一端连接所述芯片u1引脚2，第二端接地，所述芯片u1的引脚2接地，用于电荷泵的负电源驱动能力和振荡信号输出，实现对单刀双掷模拟开关q1和单刀双掷模拟开关q2进行常开常闭的快速切换。
4.根据权利要求1所述的一种用于生物电信号的仪表放大器，其特征在于：所述第一运算放大器u2a和第二运放大器u2b的放大系数均为：gain＝1 (r4 r7)/r6。
5.根据权利要求2所述的一种用于生物电信号的仪表放大器，其特征在于：所述一次低通滤波电路中电容c5两端为低通频率点，其两端阻容值的输出电压为计算方式为：
uo＝ui/[(2*pi*f*r*c)^2 1]^0.5，
式中：uo为输出电压；ui为输入电压；pi为圆周率；f为信号频率。
6.根据权利要求3所述的一种用于生物电信号的仪表放大器，其特征在于：所述芯片u1采用sgm3204型。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种用于生物电信号的仪表放大器在生物医疗电子技术领域中的应用。
技术总结