神經肌肉疾病患者俗稱“漸凍人”，這種疾病目前尚無根治辦法，被世界衛生組織列入五大絕癥之一。因此，此病情的及時發現和診斷對疾病的預防以及治療方法和藥物的研究有著重要的意義。目前，醫生評估患者肌肉情況時采用的方法有力量測試技術、肌電圖描記法、電阻抗肌動電流描記法(EIM)和局部生物阻抗分析法(LBA)。其中，力量測試技術簡便易行但不準確，肌電圖描記法需將電極插入人體，不方便且有創，電阻抗肌動電流描記法（EIM）需要頻繁移動電極以探測不同位置的電流。局部生物阻抗分析法是一種新型的、非侵入性的技術。
    研究證明，神經肌肉疾病患者的局部阻抗幅值和相位較正常人有所變化，通過測量神經肌肉疾病患者的局部阻抗參數可定量分析其病情的發展情況[1，2]。在局部阻抗信息提取的過程中，幅相測量是整個評估系統的關鍵。幅相測量的設計方法有多種，普遍采用的是相敏解調原理[3，4]，該方法不僅需要分別設計幅相測量電路，還要精確控制兩路信號的相位和幅值，增加了設計難度和電路的復雜性。ADI公司AD8302芯片的推出，為相位和幅度測量帶來了很大方便，越來越多地被應用到鑒相、鑒幅領域[5，6]，它是首款能同時測量相位和幅值的單片集成芯片，使電路設計簡潔易行。
    本文依據神經肌肉疾病評估系統功能需求，設計了基于AD8302的幅相測量電路，給出了電路原理圖，詳細論述了在50 kHz頻率下，電路的設計方法，并分析驗證了電路的輸出性能，通過與額定值的比較，驗證了電路設計的準確性與精確度大小。
1 系統整體設計方案
    神經肌肉疾病評估系統的整體設計如圖1所示。MCU通過串行端口SPI控制直接數字頻率合成器（DDS）產生正弦交流激勵信號（本文采用阻抗最為敏感的50 kHz頻率），通過電極作用于患者的局部區域，同時提取出含有阻抗信息的測量信號，幅相測量電路作為神經肌肉疾病評估系統的關鍵部件，提取測量信號的幅值和相位信息，經過AD轉換，最后結果送入MCU進行處理和顯示。

2 基于AD8302的幅相測量電路原理與設計
2.1 AD8302測量特點[7]
    AD8302是ADI公司推出的一款完全單片集成的RF IC，可同時測量從低頻到2．7 GHz頻率范圍內的兩個獨立輸入信號之間的幅度比和相位差。它內置兩個精密匹配的寬帶對數放大器、一個寬帶線性乘法器/鑒相器、1.8 V精密參考電壓源，以及模擬輸出比例運算電路。輸出可提供在±30 dB的范圍內的幅度測量，斜率為30 mV/dB；相位測量范圍為0～180°，斜率為10 mV/度。當AD8302工作在默認的測量模式下，幅度比和相位差測量在低頻時的表達為：
  
    幅度比、相位差的理想輸出特性曲線如圖2、圖3所示。

2.2 幅相測量電路設計
    AD8302主要有測量、控制和電平比較3種工作方式，本文用其測量模式，接口電路如圖4所示。

    當芯片的輸出引腳Vmag和Vphs直接與芯片反饋設置輸入端MSET和PSET相連時，芯片測量模式即工作在默認的斜率和中心點上。其中R1、R2為AD8302提供50 Ω的匹配阻抗，C1、C4、C5、C6為輸入信號的耦合電容，記為Cc，C2、C8對輸出的直流電壓起到濾波的作用。
    在設計過程中，為了方便驗證幅相測量電路的可靠性，本文采用兩個信號發生器產生兩個不同大小的電壓信號，且大小都在AD8302允許的輸入范圍內，將兩個信號分別與VINA和VINB引腳相連，改變兩個引腳輸入信號的大小，得到不同的幅度比，以不同的直流電壓信號形式從Vmag輸出。相位測量時，測量電路如圖5所示。

    節點1的電勢為V1，設節點2的電勢為V2，則：
  
    雖然數據手冊中介紹AD8302測量信號范圍是低頻到2.7 GHz，也對應給出了接口電路中各元件的參考值，其中Cc=1 nF，但是數據手冊上的測量信號一般都在900 MHz以上，這在輸入信號頻率低至50 kHz時并不適用。圖6為Cc=1 nF，50 kHz正弦交流信號輸入時，利用上述驗證方法得出的AD8302幅值和相位的輸出特性曲線，從圖6中可以看出，測量值與理論值相差較大。

    AD8302內部兩個解調對數放大器負責檢測接收信號，能夠準確檢測到的最低頻率主要是由INPA和OFSA以及INPB和OFSB兩對引腳上的匹配網絡上的高通轉折頻率決定的[8]，它們的關系可表示為：
 
其中R=R1=R2=51 Ω。設高通轉折頻率fmin為3.12 kHz，則Cc=1 μF，這使得在頻率低至50 kHz時，輸入信號基本保持完好。同時提高C2、C8的值以減小Vmag和Vphs兩引腳輸出的直流電壓的波紋，具體參數值如表1所示。

3 幅相測量電路的性能分析

    針對AD8302輸出響應的“線性”特征，本文用斜率和截距來描述幅相測量電路的性能。通過對實際檢測到的輸出電壓與輸入信號關系曲線的中段最線性部分執行線性回歸運算來確定斜率和截距兩個值，斜率用mV/dB或mV/°表示，截距為回歸直線外延與水平軸的交點。然后將測量得到的各個電壓值與線性回歸運算所預測到的電壓值進行比較，來確定電路的法則一致性。其中，線性回歸運算采用最小二乘估計法[9]。
    
    分析結果（f=50 kHz）如表2、表3所示，通過對比AD8302的額定斜率和截距可知設計電路的性能與額定值比較接近。

    幅值、相位測量輸出和法則一致性分別如圖7和圖8所示。從輸出特性曲線上看，測量值與理論值基本吻合；由法則一致性分析得到，在±20 dB范圍內，幅值測量精度在±0.5 dB以內，在±90°范圍內，相位測量精度為小于±0.9°。

    本文利用AD8302單片集成特性設計的幅相測量電路結構簡單、易于實現、有利于便攜式生物儀器的使用。同時本文設計的幅相測量電路克服了神經肌肉疾病評估系統中鑒相、鑒幅的難題，在一定的測量范圍內，幅相測量精度分別在±0.5 dB和±0.9°以內，為整個系統的精確性測量打下了良好的基礎。
參考文獻
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[3] 王超，張強，黃春艷，等.生物電阻抗測量系統功能抽象與設計[J].儀器儀表學報，2008，29(1)：38-42.
[4] Wang Chao，Qian Xiangchen，Wang Xiangyu，et al.Mixingfrequency based bioelectrical impedance measurement[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2007，28(6)：961-965.
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[8] Matthew Pilotte.Operation of RF Detector Produ- cts at Low Frequency[EB].http：//www.analog.com/st-tic/imported-files/application_notes/896652515AN_691_0.pdf.2005/2011，01，16：13-14.
[9] 楊虎，劉瓊蓀，鐘波.數理統計[M].北京：高等教育出版社，2004.