利用方波信號進行多頻點人體阻抗測量的電路和脂肪秤的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種利用方波信號進行多頻點人體阻抗測量的電路，信號發生器由方波信號發生器和二階低通濾波電路構成，產生多個諧波電壓信號；信號發生器的輸出端接入壓控電流源的輸入端，壓控電流源將諧波電壓信號轉換為1mA幅度的電流源信號,作為對人體施加的激勵信號；多路模擬開關動態切換前述激勵信號在人體和參考電阻上產生的電壓信號到信號放大電路；信號放大電路放大在前述激勵信號作用下的人體或參考電阻產生的響應模擬電壓信號；信號放大電路的輸出端接入模數轉換電路的輸入端，模數轉換電路對采樣到的前述響應模擬電壓信號進行數字化，轉換為數字信號；前述成奇數倍的在方波信號激勵下的人體阻抗值測試完成，即可進行各頻點的阻抗計算。
【專利說明】利用方波信號進行多頻點人體阻抗測量的電路和脂肪秤

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種利用方波信號進行多頻點人體阻抗測量的電路；此外，本實用新型還涉及一種具有前述多頻點人體阻抗測量電路的脂肪秤。

【背景技術】
[0002]目前的脂肪秤是通過高精度壓力傳感器把人體的重量轉換成電信號，電信號經過信號放大單元和AD轉換單元之后送到MCU微處理器，MCU微處理器對信號進行分析，計算出入體重量值，然后再通過稱重托盤上的金屬電極片測出人體電阻，利用生物電阻抗法結合人體相關數據，建立數學方程綜合分析出入體脂肪、BMI (身體質量指數)、非脂肪量等各項健康指數，最后通過LCD顯示出來,有效指示人的身體健康狀況。
[0003]生物電阻抗測量技術(B1electricImpedance Measuring Technology)是利用生物組織與器官的電特性(阻抗，導納，介電常數等)及其變化，提取與人體生理，病理狀況相關的生物醫學信息的一種無損傷檢測技術。它通常是借助置于體表的激勵電極向被測對象施加微小的交變電流(或電壓)信號，同時通過測量電極檢測組織表面的電壓(或電流)信號，由所測信號計算出相應的電阻抗及其變化，然后根據不同的應用目的，獲取相關的生理和病理信息。這種技術或方法具有無創，廉價，安全，無毒無害，操作簡便和信息豐富等特點，具有廣泛的應用前景.
[0004]脂肪秤就是一種利用生物電阻抗測量技術進行人體成份分析的裝置，現有技術中，脂肪秤都是通過單一頻率(通常為50KHz)進行阻抗測量。由于人體對不同頻率信號的響應不同，單一頻率下人體阻抗的測量，不能有效獲得可獲得更精確和全面的人體生理和病理參數。
實用新型內容
[0005]針對現有技術的上述不足，根據本實用新型的實施例，希望提出一種結構簡單，能實現對任意多個頻點的阻抗進行測量的電路；并提供利用前述電路進行人體重量、脂肪率、身體質量指數、人體水分/肌肉/骨骼含量等數據測量的脂肪秤。
[0006]根據實施例，本實用新型提供的一種利用方波信號進行多頻點人體阻抗測量的電路，其創新點在于，包括信號發生器、壓控電流源、多路模擬開關、信號放大電路、模數轉換電路和模數轉換電路，信號發生器由方波信號發生器和二階低通濾波電路構成，產生多個諧波電壓信號；信號發生器的輸出端接入壓控電流源的輸入端，壓控電流源將諧波電壓信號轉換為ImA幅度的電流源信號，作為對人體施加的激勵信號；多路模擬開關動態切換前述激勵信號在人體和參考電阻上產生的電壓信號到信號放大電路；信號放大電路放大在前述激勵信號作用下的人體或參考電阻產生的響應模擬電壓信號；信號放大電路的輸出端接入模數轉換電路的輸入端，模數轉換電路對采樣到的前述響應模擬電壓信號進行數字化，轉換為數字信號；前述成奇數倍的在方波信號激勵下的人體阻抗值測試完成，即可進行各頻點的阻抗計算。
[0007]產生多頻正弦信號通常有模擬和數字兩種，以文氏電橋為代表的模擬信號振蕩電路具有結構簡單，信號失真小的優點，但頻率，幅度調節困難。以DDS(直接數字合成)為代表的數字信號發生器則因電路復雜而成本較高。本實用新型前述電路利用將方波信號展開為傅里葉級數的方法，能實現對任意多個頻點的人體阻抗進行測量。
[0008]根據實施例，本實用新型提供的一種脂肪秤，包括稱重托盤，所述稱重托盤的底部設置有壓力傳感器，所述稱重托盤與人體腳底的接觸面上安裝有金屬電極片，其創新點在于，所述壓力傳感器和金屬電極片分別通過信號處理電路和前述多頻點人體阻抗測量電路與內部MCU微處理器相連。
[0009]根據一個實施例，本實用新型前述脂肪秤中，信號處理電路包括:與壓力傳感器相連、將壓力傳感器輸出的電壓信號進行放大處理的信號放大單元；以及連接在信號放大單元與MCU微處理器之間，將信號放大單元輸出的電壓信號進行AD轉換的AD轉換單元。
[0010]相對于現有技術，由于人體對不同頻率信號的響應不同，藉由本實用新型前述多頻點人體阻抗測量電路和脂肪秤，通過對多個頻率下人體阻抗的測量，可獲得更精確和全面的人體生理和病理參數，由相關文獻〔生物電阻抗分析法(BIA)測量人體成分(黃海濱任超世)國外醫學生物醫學工程分冊2000年第23卷第3期〕可知，5kHz下測得的阻抗指數H2/R和ECW (細胞外液)顯著相關(r = 0.86)，而10KHz下測得的阻抗指數H2/R和TBW (總體水)顯著相關(r = 0.89)。本實用新型利用將方波信號展開為傅里葉級數的方法，提出了一種電路簡單，能實現對任意多個頻點的阻抗進行測量。
[0011]本實用新型前述多頻點人體阻抗測量電路和脂肪秤中，方波信號發生器產生的信號頻率不局限于 50KHZ，而是包括 5KHz，15KHz, 25KHz, 35KHz, 45KHz, 55KHz, 65KHz, 75KHz,85KHz, 95KHz的方波信號；方波信號發生器后接的是低通濾波電路，而不是帶通濾波電路，從而加在人體上的是一個諧波信號。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是根據本實用新型實施例的利用方波信號進行多頻點人體阻抗測量的電路結構框圖。

【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和具體實施例，進一步闡述本實用新型。這些實施例應理解為僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的保護范圍。在閱讀了本實用新型記載的內容之后，本領域技術人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本實用新型權利要求所限定的范圍。
[0014]圖1是本實用新型優選實施例的利用方波信號進行多頻點人體阻抗測量的電路結構框圖，如圖所示，該利用方波信號進行多頻點人體阻抗測量的電路，包括信號發生器、壓控電流源、多路模擬開關、信號放大電路、模數轉換電路和模數轉換電路，其中:
[0015]信號發生器由方波信號發生器和低通濾波電路構成，它的作用是產生多個諧波電壓信號；方波信號發生器的功能是產生基波及其奇次倍的方波信號，大部分MCU單片機都具備此功能；二階低通濾波電路的作用是把包含在方波中的高次信號濾除，保留各頻點所需的頻率成分。
[0016]VCCS(壓控電流源)的作用是將電壓信號轉換為ImA幅度的電流源信號，作為對人體施加的激勵信號；
[0017]多路模擬開關的作用是在工作時動態切換激勵信號在人體和參考電阻上產生的電壓信號到信號放大電路；
[0018]信號采樣放大電路的作用是放大在激勵信號作用下的人體或參考電阻產生的響應電壓信號；
[0019]模數轉換(ADC)電路的作用是對采樣到的模擬信號進行數字化，轉為數字信號；
[0020]頻點阻抗計算:當各成奇數倍的方波信號(經低通濾波)激勵下的人體阻抗值測試完成后，即可依據下述數學原理進行各頻點的阻抗計算。
[0021]由數學原理可知，方波信號可展開為傅里葉級數，如下:
[0022]設f (nwt)是一幅度為1，周期為2 / (nw)的方波信號(η = 1，3，5，7，...)，貝Ij
可展開為傅里葉級數，
[0023]f (wt) = 4/ τι [sinwt+l/3sin (3wt)+l/5sin (5wt)+l/7sin (7wt)+1/9 (sin9wt)+...] (I)
[0024]f (3wt) = 4/ [sin3wt+l/3sin(9wt)+l/5sin(15wt)+l/7sin(21wt)++...] (2)
[0025]f (5wt) = 4/ [sin5wt+l/3sin (15wt)+l/5sin (25wt)+l/7sin (35wt)++...] (3)
[0026]f (7wt) = 4/ [sin7wt+l/3sin (21wt)+l/5sin (35wt)+l/7sin (49wt)++...] (4)
[0027]將上述方波信號經過一個截止頻率為sin9wt的理想低通濾波器后，以上各式可變為
[0028]fJ (wt) = 4/ [sinwt+l/3sin (3wt) +l/5sin (5wt) +l/7sin (7wt) ] (I，)
[0029]f2 (3wt) = 4/ [sin3wt] (2，)
[0030]f3 (5wt) = 4/ [sin5wt] (3，)
[0031]f4 (7wt) = 4/ [sin7wt] (4，)
[0032]由以上各式，經過數學計算可得出Sinwt的正弦信號，如下:
[0033]fj (wt) -l/3*f2 (3wt) -l/5*f3 (5wt) -l/7*f4 (7wt) = 4/ π *sinwt (5)
[0034]藉由本實施例前述利用方波信號進行多頻點人體阻抗測量的電路，當各成奇數倍的方波信號(經低通濾波)激勵下的人體阻抗值測試完成后，即可依據前述數學原理進行各頻點的阻抗計算。
[0035]以下計算 5KHz，15KHz, 25KHz, 35KHz, 45KHz, 55KHz, 65KHz, 75KHz,頻點的人體阻抗。
[0036](I)設置低通濾波器的截止頻率為10KHz。
[0037](2)利用方波信號發生器產生 5KHz，15KHz, 25KHz, 35KHz, 45KHz, 55KHz, 65KHz, 75KHz, 85KHz, 95KHz的方波信號，經過截止頻率為10KHz的低通濾波器濾波后，上述信號近似為:
[0038]V1 (t) =4/ π * [sin (2*pi*5k*t)+l/3*sin (2*pi*15k*t)+l/5*sin (2*pi*25k*t)+1/7*sin (2*pi*35k*t) +l/9*sin (2*pi*45k*t) +l/ll*sin (2*pi*55k*t) +l/13*sin (2*pi*65k*t)+l/15*sin(2*pil/17*sin(2*pi*75*t)+l/19*sin(2*pi*95*t)]；
[0039]V2 (t) = 4/π*[sin(2*pi*15k*t)+l/3*sin(2*pi*45k*t)+l/5*sin(2*pi*75k*t)]；
[0040]V3 (t) = 4/Ji *[sin(2*pi*25k*t)+l/3*sin(2*pi*75k*t)]；
[0041]V4 (t) = 4/ Ji *sin (2*pi*35k*t)；
[0042]V5 (t) = 4/Ji *sin (2*pi*45k*t)；
[0043]V6 (t) = 4/ Ji *sin (2*pi*55k*t)；
[0044]V7 (t) = 4/ Ji *sin (2*pi*65k*t)；
[0045]V8 (t) = 4/ Ji *sin (2*pi*75k*t)；
[0046]V9 (t) = 4/ Ji *sin (2*pi*85k*t)；
[0047]V10 (t) = 4/ Ji *sin (2*pi*95k*t)；
[0048](3)上述電壓信號經VCCS后，都轉變為幅值約為ImA的電流信號.
[0049]I1 (t) = sin (2*pi*5k*t)+l/3*sin (2*pi*15k*t)+l/5*sin (2*pi*25k*t)+l/7*sin(2*pi*35k*t) +l/9*sin (2*pi*45k*t) +1/11 *s in (2*pi*55k*t) +l/13*sin (2*pi*65k*t) +1/15*sin(2*pil/17*sin(2*pi*75*t)+l/19*sin (2*pi*95*t)；
[0050]I2 (t) = sin (2*pi*15k*t)+l/3*sin (2*pi*45k*t)+l/5*sin (2*pi*75k*t)；
[0051]I3 (t) = sin(2*pi*25k*t)+l/3*sin (2*pi*75k*t)；
[0052]I4 (t) = sin (2*pi*35k*t)；
[0053]I5 (t) = sin (2*pi*45k*t)；
[0054]I6 (t) = sin (2*pi*55k*t)；
[0055]I7 (t) = sin (2*pi*65k*t)；
[0056]I8 (t) = sin (2*pi*75k*t)；
[0057]I9 (t) = sin (2*pi*85k*t)；
[0058]I10 (t) = sin (2*pi*95k*t)；
[0059](4)設人體各頻點的相應阻抗分別為




ΖδΚΗΖ? Z15KHZJ Ζ25ΚΗΖ? Ζ35ΚΗΖ? ^45KHZ? Ζ55ΚΗΖ，Z65khz, Z75khΖ，Zs55KHZJ Z95KHZ ;上述各激勵信號作用下的阻抗分別為Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8, Z9, Z10,上述電流經過人體后，有如下方程:
[0060]Il5^Z1 — l5KHZ^Z5KHZ+l/3^Il5KHZ^Z15KHZ+l/5^l25KHZ^Z25KHZ+l/^^l35KHZ^Z35KHZ+l/9^l45KHZ^Z45KHZ+1 / I I * 155KHZ^Z55KHZ+1/1 3* 165ΚΙΙΖ*Ζ65ΚΙΙΖ+1 / I 5* 175KHZ^Z75KHZ+1 / I 7* 185KHZ^Z85KHZ+1 / 19* 195KHZ^Z95KHZ
[0061 ]上式右邊可看成正弦電流信號:
[0062]sin (2*pi*5k*t)，sin (2*pi*15k*t)，sin (2*pi*25k*t)，sin (2*pi*35k*t)，
[0063]sin (2*pi*45k*t)，sin (2*pi*55k*t)，sin (2*pi*65k*t)，sin (2*pi*75k*t)，
[0064]sin (2*pi*95k*t)
[0065]分力ll對Z5KHZ，l/3*Z15KHZ，l/5*Z25KHZ，1/7*Z35KHZ，1/9*Z45KHZ，1/11*Z55KHZ，1/13*Z65KHZ，1/15*Z7_1/17*Z855KHZ，1/19*Z95KHZ阻抗作用產生的電壓的累加和，以下類似。
[0066]〗2*Z2 — Ι!5κηζ*Ζ15ΚΗΖ+1/3*Ι45ΚΗΖ*Ζ45ΚΗΖ+1/5*Ι75ΚΗΖ*Ζ75ΚΗΖ ；
[0067]Ι3*Ζ3 — Ι25ΚΗΖ*Ζ25ΚΗΖ+1/3*Ι75ΚΗΖ*Ζ75ΚΗΖ ；
[0068]Ι4*Ζ4 — Ι35κηζ*Ζ35ΚΗΖ ;
[0069]Ι5*Ζ5 — Ι45κηζ*Ζ45ΚΗΖ ;
[0070]I65^6 — ^55mz^55mz ;
[0071]Ι7*Ζ7 — Ι65ΚΗΖ*Ζ65ΚΗΖ ；
[0072]!8*Ζ8 — Ι75ΚΗΖ*Ζ75ΚΗΖ ；
[0073]I9*Z9 — Is5KHZ*Z85KHZ ;
[0074]— 145麗*^95麗；
[0075](5)用對比法求出各方波(經低通濾波)激勵的阻抗Zlj Z2，Z3，Z4，Z5，Z6，Z7，Z8，Z9，ZlO0
[0076](6)用以下公式求出各頻點的阻抗.
[0077]Z95khz — Z10 ;
[0078]Z85khz — Z9 ；
[0079]Z75khz — Z8 ；
[0080]Z65khz — Z7 ；
[0081]Z55khz — Z6 ；
[0082]Z45Khz — Z5 ;
[0083]Z35Khz — Z4 ;
[0084]Z25Khz — Z3 _ l/3*Z35KHZ ；
[0085]Z15khz — Z2 - 1/3*Z45KHZ _ 1/5*Z75KHZ ；
[0086]Z5khz — Z1 l/3*Z15KHZ - l/5*Z25KHZ _ 1/7*Z35KHZ _ 1/9*Z45KHZ _ 1/11*Z55KHZ _1/13*Z65KHZ - 1/15?

75KHZ —

1/17*Z85KHZ - 1/19*Z




95KHZ°
[0087]本實用新型優選實施例提供的脂肪秤，包括稱重托盤，稱重托盤的底部設置有壓力傳感器，稱重托盤與人體腳底的接觸面上安裝有金屬電極片，所述壓力傳感器和金屬電極片分別通過信號處理電路和前述多頻點人體阻抗測量電路與內部MCU微處理器相連。信號處理電路包括:與壓力傳感器相連、將壓力傳感器輸出的電壓信號進行放大處理的信號放大單元；以及連接在信號放大單元與MCU微處理器之間，將信號放大單元輸出的電壓信號進行AD轉換的AD轉換單元。
【權利要求】
1.一種利用方波信號進行多頻點人體阻抗測量的電路，其特征是，包括信號發生器、壓控電流源、多路模擬開關、信號放大電路、模數轉換電路和模數轉換電路，信號發生器由方波信號發生器和二階低通濾波電路構成，產生多個諧波電壓信號；信號發生器的輸出端接入壓控電流源的輸入端，壓控電流源將諧波電壓信號轉換為ImA幅度的電流源信號，作為對人體施加的激勵信號；多路模擬開關動態切換前述激勵信號在人體和參考電阻上產生的電壓信號到信號放大電路；信號放大電路放大在前述激勵信號作用下的人體或參考電阻產生的響應模擬電壓信號；信號放大電路的輸出端接入模數轉換電路的輸入端，模數轉換電路對采樣到的前述響應模擬電壓信號進行數字化，轉換為數字信號；前述成奇數倍的在方波信號激勵下的人體阻抗值測試完成，即可進行各頻點的阻抗計算。
2.一種脂肪秤，包括稱重托盤，所述稱重托盤的底部設置有壓力傳感器，所述稱重托盤與人體腳底的接觸面上安裝有金屬電極片，其特征是，所述壓力傳感器和金屬電極片分別通過信號處理電路和權利要求1所述的阻抗測量電路與內部MCU微處理器相連。
3.根據權利要求2所述的脂肪秤，其特征是，信號處理電路包括:與壓力傳感器相連、將壓力傳感器輸出的電壓信號進行放大處理的信號放大單元；以及連接在信號放大單元與MCU微處理器之間，將信號放大單元輸出的電壓信號進行AD轉換的AD轉換單元。
【文檔編號】A61B5/053GK204072092SQ201420535411
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月17日 優先權日:2014年9月17日
【發明者】余衛金 申請人:上海韋樂雅斯產品設計有限公司