基于Walsh函数的多频率同步激励电流源设计

摘要

生物阻抗频谱(BIS)已经成为监测生物组织生理状态的一个重要指标。但是当前所有的BIS测量方法本质上都属于分时单频测量法，即某一时刻只能测量单一频率点所对应的物理量，完成一次从低频到高频的扫频测量所需的时间相对较长，不能准确反映某时刻生物体的电阻抗信息。多频率同步测量技术可以大大缩减BIS扫频测量时间，各个频率点的阻抗信息更能准确反映被测体某时刻的真实生理状态，从而提供更为准确的临床信息。多频率同步测量技术的关键之一是产生一个宽频带的多频率同步激励信号源。
　　 本文设计了一种基于Walsh函数的多频率同步(MFS)激励电流源。本文首先阐述了基于Walsh函数的MFS信号合成方法，并对MFS信号的时域表达式和频谱特性进行了分析；在MFS信号产生的理论基础上，以MFS信号的时域表达式为基础，构建可用数字逻辑实现的二进制序列，并研究其在FPGA上的实现算法；以Altera公司飓风2系列FPGA芯片EP2C8Q208C8为设计载体，利用其提供的集成开发软件QuartusⅡ9.0，用Verilog硬件描述语言设计有限状态机(FSM)生成单极性MFS电压信号波形VFPGA(峰峰值OV-3.3V);VFPGA经过基于74HC4053的单-双极性转换模块转换成双极性MFS电压信号VOUT（峰峰值-1V-+1V），VOUT再经基于AD844的电压控制电流源(VCCS)电路模块生成可用于BIS测量的高稳定性、高输出阻抗、宽带的MFS激励电流源IOUT。
　　 基于Walsh函数的MFS信号本身含有n个主谐波分量，且大部分能量均匀地分布在这n个主谐波分量上，同时，各主谐波分量的起始相位相同，这些都非常有利于BIS的精确测量。
　　 通过本课题的研究，可以为BIS测量提供稳定可靠的激励信号源，为实现BIS的多频率同步测量奠定了坚实的基础。

目录

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摘要

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究思路及内容

2 基于walsh函数的MFS信号源理论分析

2.1 Walsh函数定义

2.2 Walsh函数的生成

2.3 基于walsh函数的MFS信号合成方法

2.4 MFS信号频谱分析

2.5 本章小结

3 基于FPGA的MFS信号源设计

3.1 基于FPGA的MFS信号源顶层设计

3.2 时钟发生模块

3.2.1 时钟成电路顶层童殳计

3.2.2 奇数分频模块

3.2.3 偶数分频模块

3.2.4 250kHz以下分频模块

3.2.5 250kHz以上分频模板

3.3 时钟选择模块

3.4 MFS信号波形发生模块

3.4.1 波形产生算法实现

3.4.2 基于FPGA的编程及仿真

3.4.3 FPGA实现及实验结果

3.4 本章小结

4 MFS信号激励电流源驱动设计

4.1 单-双性转换模块

4.2 基于Howland电流泵的VCCS电路

4.2.1 改进的Howland电流泵电路

4.2.2 基于加AD8004的Howland电流泵电路

4.2.3 仿真及实验结果

4.3 基于AD844的VCCS电路

4.3.1 基于AD844的VCCS电路设计

4.3.2 实验结果

4.4 VCCS负载实验

4.4.1 实验用负载电路

4.4.2 负载电压的理论分析与仿真

4.4.3 负载电压实测

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 本论文的工作总结

5.2 展望

致谢

参考文献