利用方波信号进行多频点人体阻抗测量的电路和脂肪秤的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种利用方波信号进行多频点人体阻抗测量的电路，信号发生器由方波信号发生器和二阶低通滤波电路构成，产生多个谐波电压信号；信号发生器的输出端接入压控电流源的输入端，压控电流源将谐波电压信号转换为1mA幅度的电流源信号,作为对人体施加的激励信号；多路模拟开关动态切换前述激励信号在人体和参考电阻上产生的电压信号到信号放大电路；信号放大电路放大在前述激励信号作用下的人体或参考电阻产生的响应模拟电压信号；信号放大电路的输出端接入模数转换电路的输入端，模数转换电路对采样到的前述响应模拟电压信号进行数字化，转换为数字信号；前述成奇数倍的在方波信号激励下的人体阻抗值测试完成，即可进行各频点的阻抗计算。
【专利说明】利用方波信号进行多频点人体阻抗测量的电路和脂肪秤

【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种利用方波信号进行多频点人体阻抗测量的电路；此外，本实用新型还涉及一种具有前述多频点人体阻抗测量电路的脂肪秤。

【背景技术】
[0002]目前的脂肪秤是通过高精度压力传感器把人体的重量转换成电信号，电信号经过信号放大单元和AD转换单元之后送到MCU微处理器，MCU微处理器对信号进行分析，计算出入体重量值，然后再通过称重托盘上的金属电极片测出人体电阻，利用生物电阻抗法结合人体相关数据，建立数学方程综合分析出入体脂肪、BMI (身体质量指数)、非脂肪量等各项健康指数，最后通过LCD显示出来,有效指示人的身体健康状况。
[0003]生物电阻抗测量技术(B1electricImpedance Measuring Technology)是利用生物组织与器官的电特性(阻抗，导纳，介电常数等)及其变化，提取与人体生理，病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。它通常是借助置于体表的激励电极向被测对象施加微小的交变电流(或电压)信号，同时通过测量电极检测组织表面的电压(或电流)信号，由所测信号计算出相应的电阻抗及其变化，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息。这种技术或方法具有无创，廉价，安全，无毒无害，操作简便和信息丰富等特点，具有广泛的应用前景.
[0004]脂肪秤就是一种利用生物电阻抗测量技术进行人体成份分析的装置，现有技术中，脂肪秤都是通过单一频率(通常为50KHz)进行阻抗测量。由于人体对不同频率信号的响应不同，单一频率下人体阻抗的测量，不能有效获得可获得更精确和全面的人体生理和病理参数。
实用新型内容
[0005]针对现有技术的上述不足，根据本实用新型的实施例，希望提出一种结构简单，能实现对任意多个频点的阻抗进行测量的电路；并提供利用前述电路进行人体重量、脂肪率、身体质量指数、人体水分/肌肉/骨骼含量等数据测量的脂肪秤。
[0006]根据实施例，本实用新型提供的一种利用方波信号进行多频点人体阻抗测量的电路，其创新点在于，包括信号发生器、压控电流源、多路模拟开关、信号放大电路、模数转换电路和模数转换电路，信号发生器由方波信号发生器和二阶低通滤波电路构成，产生多个谐波电压信号；信号发生器的输出端接入压控电流源的输入端，压控电流源将谐波电压信号转换为ImA幅度的电流源信号，作为对人体施加的激励信号；多路模拟开关动态切换前述激励信号在人体和参考电阻上产生的电压信号到信号放大电路；信号放大电路放大在前述激励信号作用下的人体或参考电阻产生的响应模拟电压信号；信号放大电路的输出端接入模数转换电路的输入端，模数转换电路对采样到的前述响应模拟电压信号进行数字化，转换为数字信号；前述成奇数倍的在方波信号激励下的人体阻抗值测试完成，即可进行各频点的阻抗计算。
[0007]产生多频正弦信号通常有模拟和数字两种，以文氏电桥为代表的模拟信号振荡电路具有结构简单，信号失真小的优点，但频率，幅度调节困难。以DDS(直接数字合成)为代表的数字信号发生器则因电路复杂而成本较高。本实用新型前述电路利用将方波信号展开为傅里叶级数的方法，能实现对任意多个频点的人体阻抗进行测量。
[0008]根据实施例，本实用新型提供的一种脂肪秤，包括称重托盘，所述称重托盘的底部设置有压力传感器，所述称重托盘与人体脚底的接触面上安装有金属电极片，其创新点在于，所述压力传感器和金属电极片分别通过信号处理电路和前述多频点人体阻抗测量电路与内部MCU微处理器相连。
[0009]根据一个实施例，本实用新型前述脂肪秤中，信号处理电路包括:与压力传感器相连、将压力传感器输出的电压信号进行放大处理的信号放大单元；以及连接在信号放大单元与MCU微处理器之间，将信号放大单元输出的电压信号进行AD转换的AD转换单元。
[0010]相对于现有技术，由于人体对不同频率信号的响应不同，藉由本实用新型前述多频点人体阻抗测量电路和脂肪秤，通过对多个频率下人体阻抗的测量，可获得更精确和全面的人体生理和病理参数，由相关文献〔生物电阻抗分析法(BIA)测量人体成分(黄海滨任超世)国外医学生物医学工程分册2000年第23卷第3期〕可知，5kHz下测得的阻抗指数H2/R和ECW (细胞外液)显著相关(r = 0.86)，而10KHz下测得的阻抗指数H2/R和TBW (总体水)显著相关(r = 0.89)。本实用新型利用将方波信号展开为傅里叶级数的方法，提出了一种电路简单，能实现对任意多个频点的阻抗进行测量。
[0011]本实用新型前述多频点人体阻抗测量电路和脂肪秤中，方波信号发生器产生的信号频率不局限于 50KHZ，而是包括 5KHz，15KHz, 25KHz, 35KHz, 45KHz, 55KHz, 65KHz, 75KHz,85KHz, 95KHz的方波信号；方波信号发生器后接的是低通滤波电路，而不是带通滤波电路，从而加在人体上的是一个谐波信号。

【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1是根据本实用新型实施例的利用方波信号进行多频点人体阻抗测量的电路结构框图。

【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本实用新型。这些实施例应理解为仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的保护范围。在阅读了本实用新型记载的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本实用新型权利要求所限定的范围。
[0014]图1是本实用新型优选实施例的利用方波信号进行多频点人体阻抗测量的电路结构框图，如图所示，该利用方波信号进行多频点人体阻抗测量的电路，包括信号发生器、压控电流源、多路模拟开关、信号放大电路、模数转换电路和模数转换电路，其中:
[0015]信号发生器由方波信号发生器和低通滤波电路构成，它的作用是产生多个谐波电压信号；方波信号发生器的功能是产生基波及其奇次倍的方波信号，大部分MCU单片机都具备此功能；二阶低通滤波电路的作用是把包含在方波中的高次信号滤除，保留各频点所需的频率成分。
[0016]VCCS(压控电流源)的作用是将电压信号转换为ImA幅度的电流源信号，作为对人体施加的激励信号；
[0017]多路模拟开关的作用是在工作时动态切换激励信号在人体和参考电阻上产生的电压信号到信号放大电路；
[0018]信号采样放大电路的作用是放大在激励信号作用下的人体或参考电阻产生的响应电压信号；
[0019]模数转换(ADC)电路的作用是对采样到的模拟信号进行数字化，转为数字信号；
[0020]频点阻抗计算:当各成奇数倍的方波信号(经低通滤波)激励下的人体阻抗值测试完成后，即可依据下述数学原理进行各频点的阻抗计算。
[0021]由数学原理可知，方波信号可展开为傅里叶级数，如下:
[0022]设f (nwt)是一幅度为1，周期为2 / (nw)的方波信号(η = 1，3，5，7，...)，贝Ij
可展开为傅里叶级数，
[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]将上述方波信号经过一个截止频率为sin9wt的理想低通滤波器后，以上各式可变为
[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，经过数学计算可得出Sinwt的正弦信号，如下:
[0033]fj (wt) -l/3*f2 (3wt) -l/5*f3 (5wt) -l/7*f4 (7wt) = 4/ π *sinwt (5)
[0034]藉由本实施例前述利用方波信号进行多频点人体阻抗测量的电路，当各成奇数倍的方波信号(经低通滤波)激励下的人体阻抗值测试完成后，即可依据前述数学原理进行各频点的阻抗计算。
[0035]以下计算 5KHz，15KHz, 25KHz, 35KHz, 45KHz, 55KHz, 65KHz, 75KHz,频点的人体阻抗。
[0036](I)设置低通滤波器的截止频率为10KHz。
[0037](2)利用方波信号发生器产生 5KHz，15KHz, 25KHz, 35KHz, 45KHz, 55KHz, 65KHz, 75KHz, 85KHz, 95KHz的方波信号，经过截止频率为10KHz的低通滤波器滤波后，上述信号近似为:
[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)上述电压信号经VCCS后，都转变为幅值约为ImA的电流信号.
[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)设人体各频点的相应阻抗分别为




ΖδΚΗΖ? Z15KHZJ Ζ25ΚΗΖ? Ζ35ΚΗΖ? ^45KHZ? Ζ55ΚΗΖ，Z65khz, Z75khΖ，Zs55KHZJ Z95KHZ ;上述各激励信号作用下的阻抗分别为Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8, Z9, Z10,上述电流经过人体后，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 ]上式右边可看成正弦电流信号:
[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对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阻抗作用产生的电压的累加和，以下类似。
[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)用对比法求出各方波(经低通滤波)激励的阻抗Zlj Z2，Z3，Z4，Z5，Z6，Z7，Z8，Z9，ZlO0
[0076](6)用以下公式求出各频点的阻抗.
[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]本实用新型优选实施例提供的脂肪秤，包括称重托盘，称重托盘的底部设置有压力传感器，称重托盘与人体脚底的接触面上安装有金属电极片，所述压力传感器和金属电极片分别通过信号处理电路和前述多频点人体阻抗测量电路与内部MCU微处理器相连。信号处理电路包括:与压力传感器相连、将压力传感器输出的电压信号进行放大处理的信号放大单元；以及连接在信号放大单元与MCU微处理器之间，将信号放大单元输出的电压信号进行AD转换的AD转换单元。
【权利要求】
1.一种利用方波信号进行多频点人体阻抗测量的电路，其特征是，包括信号发生器、压控电流源、多路模拟开关、信号放大电路、模数转换电路和模数转换电路，信号发生器由方波信号发生器和二阶低通滤波电路构成，产生多个谐波电压信号；信号发生器的输出端接入压控电流源的输入端，压控电流源将谐波电压信号转换为ImA幅度的电流源信号，作为对人体施加的激励信号；多路模拟开关动态切换前述激励信号在人体和参考电阻上产生的电压信号到信号放大电路；信号放大电路放大在前述激励信号作用下的人体或参考电阻产生的响应模拟电压信号；信号放大电路的输出端接入模数转换电路的输入端，模数转换电路对采样到的前述响应模拟电压信号进行数字化，转换为数字信号；前述成奇数倍的在方波信号激励下的人体阻抗值测试完成，即可进行各频点的阻抗计算。
2.一种脂肪秤，包括称重托盘，所述称重托盘的底部设置有压力传感器，所述称重托盘与人体脚底的接触面上安装有金属电极片，其特征是，所述压力传感器和金属电极片分别通过信号处理电路和权利要求1所述的阻抗测量电路与内部MCU微处理器相连。
3.根据权利要求2所述的脂肪秤，其特征是，信号处理电路包括:与压力传感器相连、将压力传感器输出的电压信号进行放大处理的信号放大单元；以及连接在信号放大单元与MCU微处理器之间，将信号放大单元输出的电压信号进行AD转换的AD转换单元。
【文档编号】A61B5/053GK204072092SQ201420535411
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】余卫金 申请人:上海韦乐雅斯产品设计有限公司