電阻抗層析成像測量電路參數(shù)優(yōu)化仿真研究

摘要：本文利用Pspice9.2仿真軟件，對ERT信號處理電路進行了仿真，通過對仿真參數(shù)的優(yōu)化，淺析了對電路產(chǎn)生主要影響的參數(shù)應如何選取，歸納出優(yōu)化電路的一般性建議。

關鍵詞：pspice仿真 ERT信號處理電路 參數(shù)優(yōu)化

電阻抗層析成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)技術是目前過程檢測儀表領域中的新技術。該技術基于電學敏感原理，采用位于邊界處的電極陣列對被檢測物場的電阻抗分布信息進行檢測，適用于液-氣混合或液-固混合場的二維/三維截面信息測量，具有信息量大、非侵入性、成本低、安全性好等特點，可以實現(xiàn)對被測物場分布的在線可視化測量與監(jiān)控，在生產(chǎn)過程和環(huán)境監(jiān)測等諸多領域存在廣泛應用前景，是目前關注和研究的熱點。

在EIT系統(tǒng)中，由于電阻抗測量問題是影響電阻抗層析成像系統(tǒng)測量精度和重建圖像質量的關鍵和難點之一，所以對微小電阻抗測量電路的研究是極為重要的。并且電阻抗層析成像系統(tǒng)要求實時處理數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理的速度也有較高的要求。因此，本文針對EIT系統(tǒng)中電阻抗測量電路及其測量數(shù)據(jù)處理模塊進行研究。利用Pspice仿真軟件輸出的直觀數(shù)據(jù)，設計出合理的信號測量電路，并在此基礎上進行參數(shù)優(yōu)化，歸納得到EIT系統(tǒng)測量電路參數(shù)優(yōu)化的一般準則，以滿足成像系統(tǒng)在不同應用領域的同一要求，實現(xiàn)更靈活的、有效的工業(yè)過程自動化監(jiān)控功能。

一、基于pspice的電阻抗層析成像測量電路優(yōu)化仿真

EIT系統(tǒng)由四個功能模塊組成，分別是信號發(fā)生模塊、電極選通模塊、信號測量模塊以及數(shù)據(jù)采集與通信模塊。其中，數(shù)據(jù)測量模塊由前置差分放大、帶通濾波器、相敏解調、低通濾波器四個子模塊組成。

1.可控增益差分放大

接收電極上測得的信號很小，需要進行適當?shù)姆糯螅瑫r濾除信號中的噪聲，以使后面的測量能得到較好的效果，本文選用芯片AD624完成這一功能，其pspice仿真電路及參數(shù)設置如圖1所示。

圖1 ERT仿真電路

2.帶通濾波

前置放大電路由于芯片內部本身電阻不匹配的問題，會導致共模抑制較理想情況有很大下降，這樣會使部分共模信號耦合到輸出端，經(jīng)放大之后疊加在解調電路輸出，影響系統(tǒng)精度。所以在信號解調之前，用窄帶帶通濾波器濾除噪聲。本文采用集成運放及外圍電容、電阻構成的二階帶通濾波器，其pspice仿真電路及參數(shù)設置如圖2所示。等效品質因數(shù)Q值是帶通濾波的一個重要指標，Q值越高，濾波器的陡峭系數(shù)越高，濾波性能越好，通過仿真發(fā)現(xiàn)電容C2與C3是影響濾波效果的關鍵參數(shù)。

3.相敏解調

前置差分放大電路輸出的信號依然是交流信號，無法作為成像數(shù)據(jù)，因此必須經(jīng)過相敏解調電路將其轉化為直流信號，并經(jīng)過低通濾波器濾除噪聲干擾信號，得到的直流電壓信號就可以作為成像數(shù)據(jù)了。

相敏解調方法可以分為開關解調、乘法解調以及數(shù)字解調。開關解調會產(chǎn)生較大的噪聲，且激勵源的頻率相對較低，應用較少；數(shù)字解調電路設計復雜，對A/D轉換和CPU的要求很高。因此，本文選用乘法解調的方式來解決

問題。

設輸入信號Vin與參考信號Vr是頻率相同，但相位不同的信號：

Vin=Asin（ωt+φ），Vr=sin（ωt+θ），乘法器輸出電壓為Vd=Asin（ωt+φ）sin（ωt+θ）=A[cos（φ-θ）-cos（2ωt+φ-θ）]/2。經(jīng)低通濾波器濾掉高頻成分后信號變?yōu)椋篤dLFP=Acos（φ-θ）/2。

由上式可知，輸入信號與參考信號間的相位差決定了輸出電壓值的大小，相位差越小，則輸出越接近理論值。因此可以通過采用相位補償電路來盡可能減小輸入端的相位偏差，優(yōu)化解調輸出。

電路中的乘法器選用AD734。AD734為四象限乘法器，全功率帶寬為10MHz，靜態(tài)精度為0.15%，該芯片無需復雜的參數(shù)調節(jié)電路，控制靈活。

4. 低通濾波

由于傳感器電極的模擬開關在切換的過程中會引入高頻的開關噪聲，對有用信號造成干擾，影響電路正常工作，因此乘法解調的結果需要送到低通濾波環(huán)節(jié)，給直流電路濾除干擾，以供A/D采樣轉換。低通濾波所用時間占整個數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的大部分，因此，縮短低通濾波器的穩(wěn)定時間可以提高整個信號處理模塊的實時性。就濾波效果而言，當然是階數(shù)越高效果越好，但使用更多的儲能元件，會增加濾波器穩(wěn)定的延遲時間。因此，在力求不影響系統(tǒng)精度的前提下，改善濾波環(huán)節(jié)的實時性，所以本文選用二階巴特沃思濾波器。

二、仿真實驗及結果

1.差分放大仿真與結果

共模抑制比是差分放大電路的關鍵指標，在仿真中，差模增益設置為200，將AD624的差模輸入端進行短接后，在輸入端送入峰值為1V到10V不等的頻率為50kHz的信號，測出輸出端的電壓，根據(jù)公式計算發(fā)現(xiàn)，隨輸入共模信號的增加，共模抑制比呈上升趨勢，滿足電路中要求的60dB到80dB范圍的要求。

2.帶通濾波仿真與結果

在不斷改變電容C2與C3的條件下，研究它們對帶通濾波器幅頻特性的影響，通過實驗發(fā)現(xiàn)，當C2取值470pF附近時，波形最尖銳，Q值高，通帶范圍是35kHz～66kHz，滿足系統(tǒng)要求。當C3取值10pF附近時，該窄帶帶通濾波器的濾波效果最好。

3.相敏解調的仿真結果

實驗發(fā)現(xiàn)，輸入信號與輸出信號之間滿足二倍頻的關系，且輸出包含直流成分，證明了該乘法器電路正確可行。如果輸入信號與參考信號之間有相位差，假設偏差π/2，此時包含有效信息的直流分量被衰減為零。

前文已經(jīng)提出，可以通過相位補償?shù)姆椒ǎ纳平庹{輸出，下面給出一個可行的方案。圖3為相位補償電路仿

真圖。

通過調節(jié)電容C1的取值，對于同一輸入信號，輸出信號的相位及幅值有所改變。

4. 低通濾波的仿真結果

實驗表明打破低通濾波器輸入端電阻的平衡，可以提高輸入電阻，減小輸出電阻，縮短濾波器的穩(wěn)定時間，但需要以增益的減小為犧牲。實驗結果詳見表1。表1中電阻單位是Ω，時間單位是μs。

本文利用pspice軟件優(yōu)化仿真EIT系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量模塊中的核心電路，通過優(yōu)化仿真參數(shù)，分析仿真結果，歸納出了此類電路的參數(shù)選定一般建議。

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（作者單位：廣西大學計算機與信息學院）