一种用于神经肌肉疾病评估系统的幅相测量电路的设计

摘  要： 神经肌肉疾病评估系统的关键是能同时准确提取幅值和相位信息。利用AD8302的高度集成特性设计了一种幅相测量电路。给出了电路原理图，详细论述了测量频率为50 kHz时，幅相测量电路设计的具体方法。性能分析结果表明，幅值和相位的测量性能与额定值比较接近。在±20 dB范围内，幅值测量精度在±0.5 dB以内；在±90°范围内，相位测量精度在±0.9°以内。
关键词： 神经肌肉疾病；幅相测量电路；AD8302
       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。