过采样技术及其在生物医学信号检测中的应用

论文摘要

模数转换器（Analog to Digital Converter, ADC）是现代信号检测中必不可少的器件,它决定了系统的测量精度。尤其在生物医学信号这种强背景噪声的微弱信号检测中,高精度的ADC可以降低放大器对增益的要求。过采样技术可以提高ADC的测量精度,简化或省略抗混叠滤波器,但是,目前过采样技术主要在∑-?ADC中有深入的研究。本课题对过采样技术在现成N位ADC中的研究与应用进行了探讨。首先,本文第一次分析了过采样技术在N位ADC应用中存在的问题。提出一种新的方法——叠加成形信号,来避免直流信号和微弱信号测量时过采样失效的问题。从理论上分析该方法的可行性,通过仿真实验,与老的方法——抖动相比较,得出叠加成形信号的方法在过采样率小于49时更具有优势。同时,采用仿真的方式,获得最佳过采样效果时,成形信号的参数。并且,搭建硬件平台,测量心电信号,验证了成形信号在过采样技术中的作用。其次,分析了低通滤波器在过采样技术中的作用,从理论上计算出过采样较完美地实现目标时的滤波器参数,设计了适合过采样应用的滤波器,包括低衰减特性的平均滤波器、高衰减特性的切比雪夫滤波器和可变参数的低通滤波器。并且,为提高过采样的效率,阐明了低通滤波器和减采样合并的方法。仿真实验结果得出,过采样率必须与低通滤波器参数匹配才能达到过采样的预期目标。最后,叙述过采样技术的两个应用。过采样技术简化数字锁定放大器的结构,提高检测精度,优化了生物体阻抗谱的测量,并提出一种优化算法,以解决过采样带来的大运算量和存储量问题。通过AD7674和FPGA实现的传感器数字化接口,验证了软件定义仪器的可行性和可变参数滤波器设计的合理性。本课题对N位ADC中过采样技术的应用进行了较系统的研究,其结果对过采样技术的应用具有指导意义,对于推动生物医学信号等微弱信号检测的发展也具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 信号检测与模数转换器
• 1.2 过采样技术
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 采样定理与过采样原理
• 2.1 奈奎斯特采样定理
• 2.2 量化噪声
• 2.3 过采样原理
• 2.4 过采样与抗混叠滤波器
• 2.5 小结
• 第三章 成形信号与过采样技术
• 3.1 过采样技术的失效
• 3.2 相关采样
• 3.3 成形信号
• 3.3.1 成形信号提高ADC精度的可行性分析
• 3.3.2 成形信号与抖动的比较
• 3.3.3 成形信号的参数
• 3.4 实验结果
• 3.5 小结
• 第四章 过采样技术中的低通滤波器
• 4.1 过采样中低通滤波器的作用
• 4.2 低通滤波器的选型
• 4.3 低通滤波器的设计
• 4.3.1 参数的确定
• 4.3.2 平均滤波器
• 4.3.3 切比雪夫滤波器
• 4.3.4 可变参数的滤波器
• 4.4 滤波器和减采样的合并
• 4.5 仿真实验
• 4.6 小结
• 第五章 过采样技术的应用
• 5.1 数字锁定放大器
• 5.1.1 结合过采样的数字锁定放大器的结构
• 5.1.2 优化算法
• 5.2 传感器数字化接口
• 5.2.1 传感器数字化接口的结构
• 5.2.2 ADC的设计
• 5.2.3 控制器的设计
• 5.2.4 设计参数
• 5.2.5 实验结果与分析
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢