一种用于神经肌肉疾病评估系统的幅相测量电路的设计

神经肌肉疾病患者俗称“渐冻人”，这种疾病目前尚无根治办法，被世界卫生组织列入五大绝症之一。因此，此病情的及时发现和诊断对疾病的预防以及治疗方法和药物的研究有着重要的意义。目前，医生评估患者肌肉情况时采用的方法有力量测试技术、肌电图描记法、电阻抗肌动电流描记法(EIM)和局部生物阻抗分析法(LBA)。其中，力量测试技术简便易行但不准确，肌电图描记法需将电极插入人体，不方便且有创，电阻抗肌动电流描记法（EIM）需要频繁移动电极以探测不同位置的电流。局部生物阻抗分析法是一种新型的、非侵入性的技术。
    研究证明，神经肌肉疾病患者的局部阻抗幅值和相位较正常人有所变化，通过测量神经肌肉疾病患者的局部阻抗参数可定量分析其病情的发展情况[1，2]。在局部阻抗信息提取的过程中，幅相测量是整个评估系统的关键。幅相测量的设计方法有多种，普遍采用的是相敏解调原理[3，4]，该方法不仅需要分别设计幅相测量电路，还要精确控制两路信号的相位和幅值，增加了设计难度和电路的复杂性。ADI公司AD8302芯片的推出，为相位和幅度测量带来了很大方便，越来越多地被应用到鉴相、鉴幅领域[5，6]，它是首款能同时测量相位和幅值的单片集成芯片，使电路设计简洁易行。
    本文依据神经肌肉疾病评估系统功能需求，设计了基于AD8302的幅相测量电路，给出了电路原理图，详细论述了在50 kHz频率下，电路的设计方法，并分析验证了电路的输出性能，通过与额定值的比较，验证了电路设计的准确性与精确度大小。
1 系统整体设计方案
    神经肌肉疾病评估系统的整体设计如图1所示。MCU通过串行端口SPI控制直接数字频率合成器（DDS）产生正弦交流激励信号（本文采用阻抗最为敏感的50 kHz频率），通过电极作用于患者的局部区域，同时提取出含有阻抗信息的测量信号，幅相测量电路作为神经肌肉疾病评估系统的关键部件，提取测量信号的幅值和相位信息，经过AD转换，最后结果送入MCU进行处理和显示。

2 基于AD8302的幅相测量电路原理与设计
2.1 AD8302测量特点[7]
    AD8302是ADI公司推出的一款完全单片集成的RF IC，可同时测量从低频到2．7 GHz频率范围内的两个独立输入信号之间的幅度比和相位差。它内置两个精密匹配的宽带对数放大器、一个宽带线性乘法器/鉴相器、1.8 V精密参考电压源，以及模拟输出比例运算电路。输出可提供在±30 dB的范围内的幅度测量，斜率为30 mV/dB；相位测量范围为0～180°，斜率为10 mV/度。当AD8302工作在默认的测量模式下，幅度比和相位差测量在低频时的表达为：
  
    幅度比、相位差的理想输出特性曲线如图2、图3所示。

2.2 幅相测量电路设计
    AD8302主要有测量、控制和电平比较3种工作方式，本文用其测量模式，接口电路如图4所示。

    当芯片的输出引脚Vmag和Vphs直接与芯片反馈设置输入端MSET和PSET相连时，芯片测量模式即工作在默认的斜率和中心点上。其中R1、R2为AD8302提供50 Ω的匹配阻抗，C1、C4、C5、C6为输入信号的耦合电容，记为Cc，C2、C8对输出的直流电压起到滤波的作用。
    在设计过程中，为了方便验证幅相测量电路的可靠性，本文采用两个信号发生器产生两个不同大小的电压信号，且大小都在AD8302允许的输入范围内，将两个信号分别与VINA和VINB引脚相连，改变两个引脚输入信号的大小，得到不同的幅度比，以不同的直流电压信号形式从Vmag输出。相位测量时，测量电路如图5所示。

    节点1的电势为V1，设节点2的电势为V2，则：
  
    虽然数据手册中介绍AD8302测量信号范围是低频到2.7 GHz，也对应给出了接口电路中各元件的参考值，其中Cc=1 nF，但是数据手册上的测量信号一般都在900 MHz以上，这在输入信号频率低至50 kHz时并不适用。图6为Cc=1 nF，50 kHz正弦交流信号输入时，利用上述验证方法得出的AD8302幅值和相位的输出特性曲线，从图6中可以看出，测量值与理论值相差较大。

    AD8302内部两个解调对数放大器负责检测接收信号，能够准确检测到的最低频率主要是由INPA和OFSA以及INPB和OFSB两对引脚上的匹配网络上的高通转折频率决定的[8]，它们的关系可表示为：
 
其中R=R1=R2=51 Ω。设高通转折频率fmin为3.12 kHz，则Cc=1 μF，这使得在频率低至50 kHz时，输入信号基本保持完好。同时提高C2、C8的值以减小Vmag和Vphs两引脚输出的直流电压的波纹，具体参数值如表1所示。

3 幅相测量电路的性能分析

    针对AD8302输出响应的“线性”特征，本文用斜率和截距来描述幅相测量电路的性能。通过对实际检测到的输出电压与输入信号关系曲线的中段最线性部分执行线性回归运算来确定斜率和截距两个值，斜率用mV/dB或mV/°表示，截距为回归直线外延与水平轴的交点。然后将测量得到的各个电压值与线性回归运算所预测到的电压值进行比较，来确定电路的法则一致性。其中，线性回归运算采用最小二乘估计法[9]。
    
    分析结果（f=50 kHz）如表2、表3所示，通过对比AD8302的额定斜率和截距可知设计电路的性能与额定值比较接近。

    幅值、相位测量输出和法则一致性分别如图7和图8所示。从输出特性曲线上看，测量值与理论值基本吻合；由法则一致性分析得到，在±20 dB范围内，幅值测量精度在±0.5 dB以内，在±90°范围内，相位测量精度为小于±0.9°。

        本文利用AD8302单片集成特性设计的幅相测量电路结构简单、易于实现、有利于便携式生物仪器的使用。同时本文设计的幅相测量电路克服了神经肌肉疾病评估系统中鉴相、鉴幅的难题，在一定的测量范围内，幅相测量精度分别在±0.5 dB和±0.9°以内，为整个系统的精确性测量打下了良好的基础。
参考文献
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[2] LINDSAY P G，ANNE B C，SEWARD B R.Discriminating  neurogenic from myopathic disease via measurement of muscle anisotropy[J].Muscle&Nerve，2009，39(1)：16-24.
[3] 王超，张强，黄春艳，等.生物电阻抗测量系统功能抽象与设计[J].仪器仪表学报，2008，29(1)：38-42.
[4] Wang Chao，Qian Xiangchen，Wang Xiangyu，et al.Mixingfrequency based bioelectrical impedance measurement[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2007，28(6)：961-965.
[5] 刘平，袁磊，吴紫君，等.一种高精度RF信号幅相检测电路的设计[J].微计算机信息，2009，25（20）：261-262.
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[7] Analog Devices Inc-AD8302 LF-2.7 GHz RF/IF Gain and Phase Detector[Z]，2002.
[8] Matthew Pilotte.Operation of RF Detector Produ- cts at Low Frequency[EB].http：//www.analog.com/st-tic/imported-files/application_notes/896652515AN_691_0.pdf.2005/2011，01，16：13-14.
[9] 杨虎，刘琼荪，钟波.数理统计[M].北京：高等教育出版社，2004.