一种测脂电路及体脂秤

摘要

本发明的一种测脂电路及体脂秤，其中电阻选择电路中由第一测试电阻Rt、第二测试电阻Rt’和测量电极依次串联成串联电路，反相交流放大电路输出的交流电压加在串联电路的两端；电压采样电路先后采集测量电极两端的电压、第二测试电阻Rt’两端的电压、第一测试电阻Rt和第二测试电阻Rt’两端的电压，通过三次测量的电压方程即可求得人体电阻Rb的值；为了矫正因电阻误差及放大器误差带来的等效偏移，本发明通过引入外部测试电阻的方式间接计算测试电阻的等效偏移。待得出计算结果之后保存入测脂电路的存储器中，在实际测量中，将等效偏移代入人体电阻Rb的计算方程中，即可消除由于等效偏移产生的影响，得到人体电阻Rb的准确测量值。

说明书

技术领域

本发明涉及健康管理技术领域，特别涉及一种测脂电路及体脂秤。

背景技术

随着生活水平日渐提高，公众对身体情况的重视程度逐渐加深，了解身体的体 重、体脂率等体征参数的愿望日益迫切。体脂率是指体内脂肪所占体重的比率，过 高的体脂率易导致高血压、心脏疾病、糖尿病和癌症等慢性病，如果能够得到准确 的体脂率，则可以此为依据进行有针对性的个人健康管理。因而将普通仅具备称重 功能的人体秤扩展为兼具体脂测量功能，已经是当前智能人体秤的发展趋势。

现有技术中具有测脂功能的测量仪主要是通过与皮肤相接处的电流电极向双手 或双脚间施加一个直流电信号，然后测量在通过与皮肤相接触的电极上产生的电压， 以此得到人体阻抗Z。该方法的测量原理主要是根据人体中的脂肪组织导电性要比 非脂肪组织(肌肉)的导电性差，如果人体体内的脂肪量高的话，其身体内部的人 体阻抗Z。根据测试者的身高H、体重W和人体阻抗Z，计算得到身体密度DB，其计 算公式如下所示：

DB-A-k×W×Z/H²

其中：A为常数，k为比例系数。

则脂肪率的计算公式如式下所示：

脂肪率＝(4.57/DB-4.142)×100

由此可知，精确测量人体阻抗Z是得到高精度的脂肪率的关键。由于生物体中 存在的水分为两种形态，即细胞外液和细胞内液，其中细胞外液流动于细胞膜外壁 之间和血管内，细胞内液由细胞膜包裹在细胞之内。电流流过生物组织时细胞膜等 效于电容，而细胞内、外液等效于爱你组。对于整个生物组织，科士威无视的细胞 的集合，在低频电流流过时，由于细胞膜的容抗作用，等效于无数的电容并联对电 流的容抗作用，因此可将细胞膜等效于一个总电容。根据cole-cole模型，当高频 的电流施加于生物组织时，由于细胞内外液的电阻抗远大于细胞膜电容抗，可忽略 容抗作用，只考虑电阻抗。

但由于现有技术中的测脂电路在测量人体阻抗Z时，采用理想化模型，即不考 虑电阻及放大器的线性误差，这使得测得的人体阻抗Z与真实值之间具有较大误差， 进而使得基于人体阻抗Z计算得到的脂肪率也严重失真，参考性较差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种通过采用精度高温漂 小的参考电阻以及等效偏移量的后校准方法，得到能够计算精确的人体阻抗测量值 的测脂电路；以及使用该测脂电路的体脂秤。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种测脂电路，其特征在于：它包括依次连接的振荡电路、反相交流放大电路、 电阻选择电路、电压采样电路和峰值取样电路，其中所述振荡电路输出的交流信号 经过所述反相交流放大电路的放大后，形成具有一定波形和频率的交流电压；所述 电阻选择电路中第一测试电阻Rt、第二测试电阻Rt’和测量电极依次串联成串联电 路，所述交流电压加在所述串联电路的两端；所述电压采样电路可采集测量电极两 端的电压、第二测试电阻Rt’两端的电压、第一测试电阻Rt和第二测试电阻Rt’两 端的电压，并将所述电压输入所述峰值取样电路；所述峰值取样电路输出所述电压 的峰值；

流过所述串联电路的电流为I，所述峰值取样电路中的二极管压降为VD，测量 加在所述测量电极之间的人体电阻Rb的步骤包括：

1)测试所述第一测试电阻Rt和第二测试电阻Rt’，在所述峰值取样电路的输 出端获得第一输出电压：

V1＝I×(Rt+Rt’)-VD     (1)

2)测试所述第二测试电阻Rt’，在所述峰值取样电路的输出端获得第二输出电 压：

V2＝I×(Rt’)-VD      (2)

3)测试所述人体电阻Rb，在所述峰值取样电路的输出端获得第三输出电压：

V3＝I×Rb-VD       (3)

4)可计算出所述人体电阻Rb：

Rb＝Rt×K+(Rt+Rt’)      (4)

其中，K＝(V3-V1)/(V1-V2)；

考虑所述第一测试电阻Rt的等效偏移ΔR1和第二测试电阻Rt’的等效偏移 ΔR2后，方程(4)变为

Rb＝(Rt+ΔR1)×K+(Rt+Rt’)+ΔR2    (5)

5)将第一外部测试电阻Rcal1＝Rt+Rt’放置到所述测量电极之间，并在所述 峰值取样电路的输出端测得第一测试电压Vc1；

6)将第二外部测试电阻Rcal2＝Rt’放置到所述测量电极之间，并在所述峰值 取样电路的输出端测得第二测试电压Vc2；

7)将所述第一外部测试电阻Rcal1、所述第二外部测试电阻Rcal2、所述第一 测试电压Vc1、所述第二测试电压Vc2代入方程(5)中，得到：

ΔR1＝(Rt×(Vc1-Vc2))/(V1-V2)-Rt

ΔR2＝((Vc1-V1)/(Vc1-Vc2))×Rt

将所述第一测试电阻Rt的等效偏移ΔR1和第二测试电阻Rt’的等效偏移ΔR2 的值储存起来，并在实际测量人体电阻Rb时代入方程(5)中可得到人体电阻Rb 的精确数值。

所述振荡电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一运算放大 器、第一电容、第二电容和第三电容；所述第一电阻连接在第一运算放大器正输入 端和输出端之间；所述第四电阻连接在所述第一运算放大器的负输入端和输出端之 间；所述第二电阻和第三电阻串联后与所述第一电容并联成一混联电路，且所述混 联电路连接在电源与接地点之间，所述第二电阻和第三电阻的中点连接所述第一运 算放大器的正输入端；所述第二电容连接在所述第一运算放大器的负输入端和接地 点之间；所述第一运算放大器的输出端通过所述第三电容连接所述反相交流放大电 路中的第五电阻。

所述反相交流放大电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第四 电容、第五电容和第二运算放大器；所述第六电阻和第五电容并联后构成的并联电 路连接在所述第二运算放大器的输出端和负输入端之间；所述第二运算放大器的输 出端连接第五电阻；所述第七电阻和第八电阻串联后的串联电路连接在电源与接地 点之间，且所述第四电容与第八电阻并联。

所述电阻选择电路包括第一测试电阻、第二测试电阻、一对测量电极，以及并 联在所述第一测试电阻两端的第一开关组、并联在所述第二测试电阻两端的第二开 关组、并联在所述测量电极两端的第三开关组；所述第一测试电阻、第二测试电阻、 一对测量电极依次串联后再与所述第五电容C5并联。

所述电压采样电路包括第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第三 运算放大器和第六电容；所述第三运算放大器的正输入端同时连接所述第一开关组、 第二开关组和第三开关组的正极开关，所述第三运算放大器的负输入端同时连接所 述第一开关组、第二开关组和第三开关组的负极开关；所述第三运算放大器的正输 入端还通过第九电阻连接第二运算放大器的正输入端，所述第十二电阻连接在第三 运算放大器的负输入端和输出端之间；所述第三运算放大器的输出端通过第六电容 连接在峰值取样电路中二极管的正极。

所述峰值取样电路包括第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第七电容和二 极管；其中所述第十三电阻和第十四电阻串联后的串联电路连接在电源与接地点之 间，所述第十三电阻和第十四电阻的中点连接二极管的正极；所述第七电容与第十 五电阻并联后的并联电路一端连接所述二极管的负极，另一端连接接地点；所述二 极管的负极作为所述测脂电路的输出端。

所述交流电压的频率为50KHZ。

所述第一测试电阻Rt和第二测试电阻的范围为300Ω～600Ω。

一种体脂秤，其特征在于：所述电子称包括如上所述的测脂电路。

本发明的技术效果如下：

本发明的一种测脂电路，其特征在于：它包括依次连接的振荡电路、反相交流 放大电路、电阻选择电路、电压采样电路和峰值取样电路，其中振荡电路输出的交 流信号经过反相交流放大电路的放大后，形成具有一定波形和频率的交流电压；电 阻选择电路中第一测试电阻Rt、第二测试电阻Rt’和测量电极依次串联成串联电路， 交流电压加在串联电路的两端；电压采样电路可采集测量电极两端的电压、第二测 试电阻Rt’两端的电压、第一测试电阻Rt和第二测试电阻Rt’两端的电压，并将电 压输入峰值取样电路；峰值取样电路输出电压的峰值；通过三次测量的电压方程即 可求得人体电阻Rb的值。

为了矫正因电阻误差及放大器误差带来的等效偏移，本发明通过引入外部测试 电阻的方式间接计算测试电阻的等效偏移。待得出计算结果之后保存入测脂电路的 存储器中，在实际测量中，将等效偏移代入人体电阻Rb的计算方程中，即可消除由 于等效偏移产生的影响，得到人体电阻Rb的准确测量值。

附图说明

图1是本发明的测脂电路结构框图

图2是本发明的测脂电路实施例示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的测脂电路包括振荡电路1、反相交流放大电路2、电阻 选择电路3、电压采样电路4和峰值取样电路5。

振荡电路1用于输出一定波形和频率的交流信号，包括第一电阻R1、第二电阻 R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一运算放大器A1、第一电容C1、第二电容C2 和第三电容C3。第一电阻R1连接在第一运算放大器A1正输入端和输出端之间；第 四电阻R4连接在第一运算放大器A1的负输入端和输出端之间；第二电阻R2和第三 电阻R3串联后与第一电容C1并联成一混联电路，且该混联电路连接在电源VDD与 接地点之间，第二电阻R2和第三电阻R3的中点连接第一运算放大器A1的正输入端； 第二电容C2连接在第一运算放大器A1的负输入端和接地点之间；第一运算放大器 A1的输出端通过第三电容C3连接反相交流放大电路2中的第五电阻R5。其中交流 信号的频率为50KHZ。

反相交流放大电路2用于对振荡电路1输出的交流信号进行放大，包括第五电 阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第四电容C4、第五电容C5和第 二运算放大器A2。第六电阻R6和第五电容C5并联后构成的并联电路连接在第二运 算放大器A2的输出端和负输入端之间；第二运算放大器A2的输出端连接第五电阻 R5；第七电阻R7和第八电阻R8串联后的串联电路连接在电源VDD与接地点之间， 且第四电容C4与第八电阻R8并联。反相交流放大电路2的放大倍数基本上由第五 电阻R5和第六电阻R6的比值决定。

电阻选择电路3用于选通被测电阻，包括第一测试电阻Rt、第二测试电阻Rt’、 一对测量电极，以及并联在第一测试电阻Rt两端的第一开关组T1、并联在第二测 试电阻Rt’两端的第二开关组T2、并联在测量电极两端的第三开关组T3，且第一测 试电阻Rt和第二测试电阻的范围为300Ω～600Ω。第一测试电阻Rt、第二测试电 阻Rt’、一对测量电极依次串联后再与第五电容C5并联。当用户将测量电极置于身 体规定部位时，相当于将人体电阻Rb接入第一测试电阻Rt、第二测试电阻Rt’所在 的串联电路中，则可以通过开闭第一开关组T1、第二开关组T2和第三开关组T3来 选择测量哪个电阻两端的电压。

电压采样电路4可在不改变被测电阻两端电压波形的前提下，进行电压采样， 包括第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第三运算放大 器A3和第六电容C6。第三运算放大器A3的正输入端同时连接第一开关组T1、第二 开关组T2和第三开关组T3的正极开关，第三运算放大器A3的负输入端同时连接第 一开关组T1、第二开关组T2和第三开关组T3的负极开关；第三运算放大器A3的 正输入端还通过第九电阻R9连接第二运算放大器A2的正输入端，第十二电阻R12 连接在第三运算放大器A3的负输入端和输出端之间；第三运算放大器A3的输出端 通过第六电容C6连接在峰值取样电路5中二极管D1的正极。

峰值取样电路5用于采集电压采样电路4输出的电压峰值，包括第十三电阻 R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第七电容C7和二极管D1。其中第十三电 阻R13和第十四电阻R14串联后的串联电路连接在电源VDD与接地点之间，第十三 电阻R13和第十四电阻R14的中点连接二极管D1的正极；第七电容C7与第十五电 阻R15并联后的并联电路一端连接二极管D1的负极，另一端连接接地点；二极管 D1的负极作为整个测脂电路的输出端，向外输出第一测试电阻Rt、第二测试电阻 Rt’、测量电极上的峰值电压。

一般的体脂测量过程中，测试人体阻抗的方法是使用理想化模型，即不考虑电 阻及放大器线性误差，假设由振荡电路1输出的交流电流为I，电路等效的放大倍 数为A，二极管压降为VD。其步骤包括：

1)测试Rt+Rt’的电阻，在测脂电路的输出端获得第一输出电压：

V1＝I×(Rt+Rt’)×A-VD    (1)

2)测试Rt’的电阻，在测脂电路的输出端获得第二输出电压：

V2＝I×(Rt’)×A-VD     (2)

3)测试人体电阻Rb，在测脂电路的输出端获得第三输出电压

V3＝I×Rb×A-VD      (3)

4)基于由以上公式则可计算出人体电阻：

Rb＝Rt×K+(Rt+Rt’)      (4)

其中，K＝(V3-V1)/(V1-V2)。

由于运放器件以及电子开关的不一致性，测量时的电阻误差及放大器误差并不 能完全忽略，Rt及Rt+Rt’经过电子开关及放大器驱动后，会出现等效偏移，变为 Rt+ΔR1和Rt+Rt’+ΔR2，

则人体电阻Rb变为Rb＝(Rt+ΔR1)×K+(Rt+Rt’)+ΔR2   (5)

可以验证，这个系统误差ΔR1和ΔR2仍然是线性的，于是在上述测脂电路的 基础上，增加存储模块S1，并通过第一外部测试电阻Rcal1和第二外部测试电阻 Rcal2对人体电阻Rb做以下硬件校正步骤：

5)将第一外部测试电阻Rcal1＝Rt+Rt’放置到Rb位置，并在测脂电路的输 出端测得第一测试电压Vc1；

6)将第二外部测试电阻Rcal2＝Rt’再次放置到Rb位置，并在测脂电路的输 出端测得第二测试电压Vc2；

7)将Rcal1、Rcal2、Vc1、Vc2代入方程(5)中，得到：

ΔR1＝(Rt×(Vc1-Vc2))/(V1-V2)-Rt

ΔR2＝((Vc1-V1)/(Vc1-Vc2))×Rt

将ΔR1及ΔR2的值存入存储器S1中，并在用户实际测量所述人体电阻Rb时 代入方程(5)中可以得到人体电阻Rb的精确数值。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发 明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例 对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对 本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的 技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。