一种信号滤波放大装置

1.本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种信号滤波放大装置。


背景技术：

2.由于人体中许多器官都在以某种规律进行运动，并振动发声，通过检测这些声音信号往往可以获取许多相关器官的生理特征，同时，当器官产生异常病变时，所发出的振动声音往往会在频率、相位、幅度等方面发生改变，通过检测这些声音信号并进行分析，有助于病变部位的早发现和早治疗。常见的生理声音如心音、呼吸音、肺音、肠鸣音、肌音、血管音、关节音、耳声等，通过声音采集装置(如电子听诊器)可以将这些生理声信号进行采集、放大和记录，以便进一步的分析诊断。然而这些生理声信号具有信号微弱、易受噪声干扰的特点。同时不同于其他生理信号(如心电、脑电、肌电)，人体生理声信号还易受环境噪声(如说话声、开关门声)的干扰，因此在生理声信号采集过程中，需要设计合适的带通滤波放大装置对信号进行放大，通过带通滤波滤除信号中低频噪声和高频噪声。
3.信号滤波放大装置多采用有源滤波器对采集的信号进行滤波放大，有源滤波器又可分为基于双电源供电和基于单电源供电两种，双电源供电滤波放大装置所用的运算放大器两个电源引脚分别连接到正电源和负电源，其输入电压和输出电压都是参考地给出，单电源供电滤波放大装置所用的运算放大器两个电源引脚分别连接到正电源和地，需要提供额外偏置电压作为其输入电压和输出电压的参考电压。
4.人体生理声信号的检测设备往往采用锂电池供电，锂电池可以为信号滤波放大单元直接提供正电源供电，如果需要获取负电源，则需要增加额外的电源处理电路，因此通过支持单电源供电的运算放大器进行信号放大，可以增强设备的通用性，并降低电路的复杂程度。然而，由于单电源供电的运算放大器需要提供额外的偏置电压作为输入电压和输出电压的参考电压，当滤波放大装置存在多个滤波放大单元时，目前的方法是对每个滤波放大单元都提供一个相同且独立的参考电压，这影响了设备的便携性，同时由于每个滤波放大单元输入输出电压的参考电压可能不完全一样，采用单一参考电压可能会导致输出电压有偏差或失真，影响设备处理性能。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种信号滤波放大装置，以解决目前的信号滤波放大方法在采用单电源供电的运算放大器对信号进行处理的情况下，需要为每个运算放大器单独提供参考电压，从而导致信号滤波放大装置存在电路构成复杂，便携性和实用性低的问题。
6.本发明提供了一种信号滤波放大装置，包括：
7.至少两个滤波放大单元，其中，所述滤波放大单元包括一个第一滤波放大单元和至少一个第二滤波放大单元，且所述滤波放大单元包括单电源供电的运算放大器；
8.电压参考单元，用于为所述第一滤波放大单元提供参考电压，所述电压参考单元与所述第一滤波放大单元连接；
9.至少一个直流偏置单元，用于将上级滤波放大单元输出的电压转换为下级滤波放大单元所需的直流偏置电压，所述直流偏置单元与所述上级滤波放大单元和所述下级滤波放大单元连接。
10.可选的，所述直流偏置单元包括至少一个直流偏置电阻和至少一个直流偏置电容，所述直流偏置电阻的一端与所述第一滤波放大单元的运算放大器的输出端连接，另一端与所述直流偏置电容的一端和所述第二滤波放大单元的运算放大器的正向输入端连接，所述直流偏置电容另一端接地。
11.可选的，在所述滤波放大单元为高通滤波放大单元的情况下，所述高通滤波放大单元包括至少三个电容、至少两个电阻和一个运算放大器，其中，第一电容的一端与输入信号连接，另一端分别与第二电容的一端、第三电容的一端和第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端与第一运算放大器的正向输入端连接，第二电阻的一端与所述第二电容的另一端和所述第一运算放大器的反向输入端连接，所述第二电阻的另一端与所述第三电容的另一端和所述第一运算放大器的输出端连接。
12.可选的，在所述滤波放大单元为低通滤波放大单元的情况下，所述低通滤波放大单元包括至少两个电容、至少三个电阻和一个运算放大器，其中，第三电阻的一端与输入信号连接，另一端与第四电阻的一端、第五电阻的一端和第四电容的一端连接，所述第四电容的另一端与第二运算放大器的正向输入端连接，所述第四电阻的另一端与第五电容的一端和所述第二运算放大器的反向输入端连接，所述第五电阻的另一端与所述第五电容的另一端和所述第二运算放大器的输出端连接。
13.可选的，所述电压参考单元包括电源输入端和至少两个电阻，其中，第六电阻的一端与所述电源输入端连接，另一端与第七电阻的一端和所述第一滤波放大单元的运算放大器的正向输入端连接，所述第七电阻的另一端接地。
14.可选的，所述的信号滤波放大装置，还包括：至少一个隔离电容，所述隔离电容的一端与所述第二滤波放大单元的运算放大器的输出端连接，另一端与所述滤波放大单元的信号输出端连接。
15.可选的，所述第六电阻与所述第七电阻为阻值相等的电阻。
16.可选的，在所述滤波放大单元为高通滤波放大单元的情况下，所述第一运算放大器的高通滤波器通带放大倍数为通过所述第一电容和所述第三电容的电容值确定的。
17.可选的，在所述滤波放大单元为高通滤波放大单元的情况下，所述第一运算放大器的低通滤波器通带放大倍数为通过所述第一电容的电容值和所述第六电阻与所述第七电阻的等效电阻的电阻值确定的。
18.可选的，在所述滤波放大单元为高通滤波放大单元的情况下，包括：所述第一运算放大器的高通滤波器通带放大倍数远大于所述第一运算放大器的低通滤波器通带放大倍数。
19.由以上技术方案可知，本发明提供了一种信号滤波放大装置，包括：至少两个滤波放大单元，其中，所述滤波放大单元包括一个第一滤波放大单元和至少一个第二滤波放大单元，且所述滤波放大单元包括单电源供电的运算放大器；电压参考单元，用于为所述第一滤波放大单元供电，所述电压参考单元与所述第一滤波放大单元连接；至少一个直流偏置单元，所述直流偏置单元的一端与所述第一滤波放大单和所述第二滤波放大单元连接。人
体生理声信号的检测设备往往采用锂电池供电，锂电池可以为信号滤波放大单元直接提供正电源供电，如果需要获取负电源，则需要增加额外的电源处理电路，因此通过支持单电源供电的运算放大器进行信号放大，可以增强设备的通用性，并降低电路的复杂程度。然而，由于单电源供电的运算放大器需要提供额外的偏置电压作为输入电压和输出电压的参考电压，当滤波放大装置存在多个滤波放大单元时，目前的方法是对每个滤波放大单元都提供一个相同且独立的参考电压，这影响了设备的便携性，同时由于每个滤波放大单元输入输出电压的参考电压可能不完全一样，采用单一参考电压可能会导致输出电压有偏差或失真，影响设备处理性能。这样，本技术实施例通过设置直流偏置单元，在运算放大器为单电源供电的情况下，可以仅设置一个用于提供参考电压的电压参考单元，通过直流偏置单元提取上级滤波放大单元中的运算放大器输出信号中的直流偏置电压，并将上述直流偏置电压转换为下级滤波放大单元的运算放大器所需的参考电压，可以提高信号滤波放大装置的信号处理效果和实用性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本技术实施例提供的一种信号滤波放大装置的示意性结构图；
22.图2为本技术实施例提供的一种信号滤波放大装置的管脚连接示意图。
具体实施方式
23.下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的系统和方法的示例。在本技术实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现，以下所描述的装置实施例仅仅是示例性的。
24.如图1所示，本技术实施例提供了一种信号滤波放大装置100，图1为本技术实施例提供的一种信号滤波放大装置的示意性结构图，包括：
25.至少两个滤波放大单元110，其中，上述滤波放大单元包括一个第一滤波放大单元111和至少一个第二滤波放大单元112，且上述滤波放大单元包括单电源供电的运算放大器；
26.电压参考单元120，用于为所述第一滤波放大单元提供参考电压，上述电压参考单元与上述第一滤波放大单元连接；
27.至少一个直流偏置单元130，用于将上级滤波放大单元输出的电压转换为下级滤波放大单元所需的直流偏置电压，上述直流偏置单元与上述上级滤波放大单元和上述下级滤波放大单元连接。
28.示例性的，上级滤波放大单元可以为第一滤波放大单元，也可以为第二滤波放大单元。上述第一滤波放大单元为一端与电压参考单元连接的滤波放大单元，上述第二滤波
放大单元为两端均与直流偏置单元连接的滤波放大单元。
29.设置一个第一滤波放大单元和至少一个直流偏置单元，提取上级放大单元的运算放大器输出信号中的直流偏置电压，将直流偏置电压提供给下级滤波放大单元的运算放大器，可以提高信号滤波放大装置的信号处理效果、实用性和便携性。
30.根据一些实施例，上述直流偏置单元包括至少一个直流偏置电阻和至少一个直流偏置电容，上述直流偏置电阻的一端与上述第一滤波放大单元的运算放大器的输出端连接，另一端与上述直流偏置电容的一端和上述第二滤波放大单元的运算放大器的正向输入端连接，上述直流偏置电容另一端接地。
31.示例性的，上述直流偏置单元可以连接在第一滤波放大单元与第二滤波放大单元之间，也可以连接在两个第二滤波放大单元之间。
32.示例性的，可以通过：
[0033][0034]
确定直流偏置单元的传递函数，其中，式(1)中的h(s)为直流偏置单元的传递函数，s等于复数jω，ω为角频率，r6为上述直流偏置电阻的电阻值，c7为上述直流偏置电容的电容值。可以通过：
[0035][0036]
确定直流偏置单元的截止角频率，其中，式(2)中的ωc为直流偏置单元的截止角频率，r6为上述直流偏置电阻的电阻值，c7为上述直流偏置电容的电容值。可以通过：
[0037][0038]
确定直流偏置单元的截止频率，其中，式(3)中的fc为直流偏置单元的截止频率，r6为上述直流偏置电阻的电阻值，c7为上述直流偏置电容的电容值。由于常见生理声信号所处频率范围为20-1000hz，因此由电阻r6和电容c7所构成的低通滤波器截止频率应小于20hz，同时，为了减小c7对滤波器的影响，c7可以为电容值较大的电容。例如，1μf电容，r6为电阻值为10kω的电阻，此时由r6和c7构成的直流偏置单元截止频率约为16hz。
[0039]
经过前级滤波放大单元后的信号，其本身含有直流偏置成分，因此可利用其本身直流成分作为其次级滤波单元的直流偏置电压，通过直流偏置单元提取前级滤波放大单元中的运算放大器输出信号中的直流偏置电压，并将上述直流偏置电压提供给上述次级滤波单元。相比于直接通过电阻进行电源分压得到偏置电压，通过上述直流偏置单元可以减少由电源和元器件所带来的噪声，提高信号滤波放大装置的处理效果。将c7设置为一较大电容可减少电容对滤波电路的影响，可以忽略由r6和c7产生的对滤波放大单元传递函数的影响。因此，通过上述直流偏置电源可以，提高信号滤波放大装置的经济性、实用性和便携性。
[0040]
根据一些实施例，在上述滤波放大单元为高通滤波放大单元的情况下，上述高通滤波放大单元包括至少三个电容、至少两个电阻和一个运算放大器，其中，第一电容的一端与输入信号连接，另一端分别与第二电容的一端、第三电容的一端和第一电阻的一端连接，上述第一电阻的另一端与第一运算放大器的正向输入端连接，第二电阻的一端与上述第二电容的另一端和上述第一运算放大器的反向输入端连接，上述第二电阻的另一端与上述第三电容的另一端和上述第一运算放大器的输出端连接。
[0041]
示例性的，可以通过：
[0042][0043]
确定高通滤波放大单元的截止角频率，其中，式(4)中ωc为高通滤波放大单元的截止角频率，r1为上述第一电阻的电阻值，r2为上述第二电阻的电阻值，c2为上述第二电容的电容值，c3为上述第三电容的电容值。在信号滤波放大装置的设计中，可以通过仿真系统，根据信号滤波需求确定上述各电容值和电阻值。
[0044]
上述高通滤波放大单元相比普通一阶和二阶高通滤波器在截止频率处衰减更快，具有更加优异滤波效果，可以提高信号滤波放大装置的滤波效果，进而可以提高所属检测设备的实用性。
[0045]
根据一些实施例，在上述滤波放大单元为低通滤波放大单元的情况下，上述低通滤波放大单元包括至少两个电容、至少三个电阻和一个运算放大器，其中，第三电阻的一端与输入信号连接，另一端与第四电阻的一端、第五电阻的一端和第四电容的一端连接，上述第四电容的另一端与第二运算放大器的正向输入端连接，上述第四电阻的另一端与第五电容的一端和上述第二运算放大器的反向输入端连接，上述第五电阻的另一端与上述第五电容的另一端和上述第二运算放大器的输出端连接。
[0046]
示例性的，可以通过：
[0047][0048]
确定低通滤波放大单元的截止角频率，其中，式(5)中为低通滤波放大单元的截止角频率，r4为上述第四电阻的电阻值，r5为上述第五电阻的电阻值，c4为上述第四电容的电容值，c5为上述第五电容的电容值。
[0049]
示例性的，还可以通过：
[0050][0051]
作为简化后的公式确定低通滤波放大单元的截止角频率。式(6)在假设在上述低通滤波放大单元的目标增益为单位增益的情况下，令r3＝r5＝r，c4＝4c5＝4c，r4＝kr。
[0052]
上述低通滤波放大单元相比普通一阶和二阶高通滤波器在截止频率处衰减更快，具有更加优异滤波效果，可以提高信号滤波放大电路的滤波效果，进而可以提高信号滤波放大装置的实用性。
[0053]
根据一些实施例，上述电压参考单元包括电源输入端和至少两个电阻，其中，第六电阻的一端与上述电源输入端连接，另一端与第七电阻的一端和上述第一滤波放大单元的运算放大器的正向输入端连接，上述第七电阻的另一端接地。
[0054]
通过上述电压参考单元可以将输入电压转换为适用于滤波放大单元的运算放大器的直流偏置电压，可以通过改变上述第六电阻与上述第七电阻的阻值，调节运算放大器的直流偏置电压值，提高信号动态放大范围，进而可提高信号滤波放大装置的实用性。
[0055]
根据一些实施例，上述信号滤波放大装置，还包括：至少一个隔离电容，上述隔离电容的一端与上述第二滤波放大单元的运算放大器的输出端连接，另一端与上述滤波放大单元的信号输出端连接。
[0056]
信号经过上述至少两个滤波放大单元的处理后，会存在含有直流偏置电压成分的情况，通过隔离电容的通交流阻直流的作用，可以滤除掉信号中直流偏置成分，提高信号滤波放大装置输出信号的质量，提高信号滤波放大装置的实用性。
[0057]
如图2所示，图2为本技术实施例提供的一种信号滤波放大装置的管脚连接示意图，其中，c1为上述第一电容，c2为上述第二电容，c3为上述第三电容，c4为上述第四电容，c5为上述第五电容，c6为上述隔离电容，c7为上述直流偏置电容，r1为上述第一电阻，r2为上述第二电阻，r3为上述第三电阻，r4为上述第四电阻，r5为上述第五电阻，r6为上述直流偏置电阻，r7为上述第六电阻，r8为上述第七电阻，u1为上述第一运算放大器，u2为上述第二运算放大器，a、b、c、d、e、f、g、h为电压观测点。
[0058]
根据一些实施例，上述第六电阻与上述第七电阻为阻值相等的电阻。
[0059]
在上述第六电阻与上述第七电阻为阻值相等的电阻的情况下，直流偏置电压的电压值为电压参考单元输入的电压值的1/2，可以使得信号的放大倍数达到最大，提高信号滤波放大装置的信号放大效果和实用性。
[0060]
根据一些实施例，在上述滤波放大单元为高通滤波放大单元的情况下，上述第一运算放大器的高通滤波器通带放大倍数为通过上述第一电容和上述第三电容的电容值确定的。
[0061]
示例性的，如图2所示的本技术实施例提供的一种信号滤波放大装置的管脚连接示意图，可以通过：
[0062][0063]
(v
b-vd)sc3＝(v
d-vc)/r2ꢀꢀꢀ
(8)
[0064]
(v
b-vd)/r1＝vd/r6+vd/r7+vdsc4ꢀꢀꢀ
(9)
[0065]
r7＝r8＝r
ꢀꢀꢀ
(10)
[0066]
确定高通滤波放大单元的传递函数：
[0067][0068]
根据二阶滤波器传递函数通式：
[0069][0070]
其中，式(12)中的α为阻尼系数，即品质因数q的倒数，b0、b1和b2取不同的值即可得到不同类型的滤波器，当b2＝b1＝0，时，该滤波器为一低通滤波器，当b1＝b0＝0，b0＝a时，该滤波器为一高通滤波器，其中a为滤波器通带增益，ωc为滤波器截止频率，因此，上述高通滤波放大单元可以看做是两个截止频率相等的高通滤波器和低通滤波器的组合。其中，上述滤波器截止角频率可以通过：
[0071][0072]
确定。可以通过：
[0073][0074]
确定上述阻尼系数α。可以通过：
[0075][0076]
确定上述高通滤波器的通带放大倍数a
hp
。
[0077]
因此，上述高通滤波放大单元可以看做是两个截止频率相等的高通滤波器和低通滤波器的组合，通过上述关系可以在根据高通滤波器的放大需求，确定第一电容和第三电容的关系，便于信号滤波放大装置的电路设计，提高信号滤波放大装置的实用性。
[0078]
根据一些实施例，在上述滤波放大单元为高通滤波放大单元的情况下，上述第一运算放大器的低通滤波器通带放大倍数为通过上述第一电容的电容值和上述第六电阻与上述第七电阻的等效电阻的电阻值确定的。
[0079]
示例性的，可以通过：
[0080][0081]
确定上述低通滤波器的通带放大倍数a
lp
。
[0082]
通过上述关系可以在根据低通滤波器的放大需求，确定第一电容和电阻的关系，便于信号滤波放大装置的电路设计，提高信号滤波放大装置的实用性。
[0083]
根据一些实施例，在上述滤波放大单元为高通滤波放大单元的情况下，包括：上述第一运算放大器的高通滤波器通带放大倍数远大于上述第一运算放大器的低通滤波器通带放大倍数。
[0084]
通过设置第一运算放大器的高通滤波器通带放大倍数远大于第一运算放大器的低通滤波器通带放大倍数，可以减少低通滤波器对高通滤波器成分的影响，提高高通滤波放大单元的滤波质量，进而可以提高信号滤波放大装置的实用性。
[0085]
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。综上所述，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。