脈搏信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

摘要：脈搏作為人體重要的生理及病理參數(shù)之一，其信號(hào)具有重要的研究價(jià)值。針對(duì)其信號(hào)微弱、頻率低且易受干擾的特點(diǎn)，文中首先提出了信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)的要求，然后有針對(duì)性地選擇元器件并設(shè)計(jì)硬件電路，最后對(duì)所設(shè)計(jì)的硬件電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。結(jié)果表明該調(diào)理電路具有輸出波形穩(wěn)定、噪聲小和共模抑制比高的特點(diǎn)，提高了脈搏信號(hào)采集的精度。
關(guān)鍵詞：脈搏；信號(hào)調(diào)理；電路設(shè)計(jì)

脈搏是人體的重要生理參數(shù)之一，它攜帶了豐富的生理和病理信息，具有重要的生理和診斷參考價(jià)值，但脈搏信號(hào)在強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，具有隨機(jī)性強(qiáng)、頻率低的特點(diǎn)，極易受到檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和外界環(huán)境(環(huán)境、溫度)的干擾，因此必須對(duì)檢測(cè)到的脈搏信號(hào)做一系列的處理(濾除噪聲和干擾)，才可獲得高保真的脈搏信息，為進(jìn)一步從醫(yī)學(xué)角度分析研究脈搏信息提供準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)源。因此，研究脈搏信號(hào)調(diào)理電路對(duì)整個(gè)脈搏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 調(diào)理電路總體設(shè)計(jì)
脈搏信號(hào)幅度小、頻率低，極易被噪聲湮沒，減少甚至消除這些噪聲干擾是有效識(shí)別脈搏信號(hào)特征參數(shù)的因素。信號(hào)調(diào)理電路作為信號(hào)采集單元的重要組成部分，其穩(wěn)定性和可靠性直接決定了脈搏信號(hào)的真實(shí)性與有效性。
1．1 調(diào)理電路設(shè)計(jì)要求
脈搏信號(hào)取自人體淺表動(dòng)脈，信號(hào)源阻抗較大，且幅度小、頻率低，極易被噪聲湮沒。因此，對(duì)脈搏信號(hào)調(diào)理電路有如下要求： (1)高輸入阻抗。由于信號(hào)源阻抗較高，脈搏信號(hào)很微弱，若輸入阻抗不高，經(jīng)分壓后信號(hào)會(huì)更小，會(huì)使脈搏信號(hào)有嚴(yán)重?fù)p失；(2)高增益。脈搏信號(hào)屬于微弱信號(hào)，只有較高的放大倍數(shù)才能提高脈搏信號(hào)采集的精度；(3)高共模抑制比。主要是消除市電50 Hz的工頻干擾；(4)低噪聲。使噪聲信號(hào)不湮沒信號(hào)微弱且信噪比低的脈搏信號(hào)；(5)低漂移。防止高放大倍數(shù)的放大電路出現(xiàn)飽和現(xiàn)象；(6)合適的帶寬。以有效地抑制噪聲，防止采樣混疊；(7)高安全性。確保人體的絕對(duì)安全，主要對(duì)電氣特性的要求。
1．2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)方案
基于脈搏信號(hào)的上述特征和調(diào)理電路設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)的高性能脈搏信號(hào)調(diào)理電路由一級(jí)放大電路、調(diào)零電路、工頻限波電路、帶通濾波電路和二級(jí)放大電路組成，其原理框圖如圖1所示。

調(diào)理電路的工作流程為，一級(jí)放大電路對(duì)檢測(cè)到的脈搏信號(hào)，進(jìn)行線性放大，經(jīng)調(diào)零電路抑制零漂后，傳送至限波電路和帶通濾波電路，濾除雜波干擾信號(hào)；再經(jīng)二級(jí)放大電路送至A／D轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行信號(hào)采樣。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 一級(jí)放大電路設(shè)計(jì)
一級(jí)放大電路是調(diào)理電路設(shè)計(jì)中的第一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)到的脈搏信號(hào)進(jìn)行線性放大和抑制干擾信號(hào)的功能，其性能的優(yōu)劣直接決定了后續(xù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理的真實(shí)性。針對(duì)脈搏信號(hào)的特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)增益、低功耗、低噪聲、高輸入阻抗、高共模抑制比、線性工作范圍寬和低零點(diǎn)漂移的并聯(lián)差動(dòng)三運(yùn)放儀表放大器。目前比較常見的用于脈搏信號(hào)檢測(cè)的儀表放大器有INA111、INA118、INA128、AD8553和AD620。其主要特性比較如表1所示。

針對(duì)脈搏信號(hào)采集的要求，經(jīng)綜合分析比較，本電路選擇體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣的AD620作為一級(jí)放大電路的主體芯片。具體電路如圖2所示。AD620使用方便，增益可通過改變放大器第1和第8引腳之間的電阻來調(diào)節(jié)，計(jì)算公式如下

有用信號(hào)和噪聲同時(shí)經(jīng)過這一級(jí)，如果放大倍數(shù)過大，噪聲也被放大，如果噪聲幅度過大，則不利于后級(jí)處理，即后級(jí)難以有效消除噪聲。所以，一級(jí)放大電路放大倍數(shù)不宜過大，本級(jí)增益設(shè)置為11，此時(shí)引腳1和8之間接一個(gè)精度為0．01％、阻值為4．99 kΩ的金屬膜電阻。

2．2 調(diào)零電路設(shè)計(jì)
調(diào)零電路，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步抑制由于肌肉抖動(dòng)、人體緊張、呼吸顫抖等因素引起的基線漂移的功能，從而保證在輸入為零的時(shí)候，整個(gè)電路的輸出為零。本電路采用廣泛應(yīng)用的同相端調(diào)零電路，電路如圖3所示。

此電路中，調(diào)整電壓加在同相輸入端。考慮到經(jīng)一級(jí)放大電路處理后的脈搏信號(hào)是毫伏級(jí)，此處設(shè)置R3和R5的阻值分別為100 kΩ和500 Ω，構(gòu)成200：1的分壓電路，R5兩端將得到失調(diào)電壓調(diào)整范圍，由下式?jīng)Q定：
失調(diào)電壓調(diào)整范圍=±Vss(R5／R3) (3)
其中Vss=+3．3 V，R5兩端將得到±16．5 mV的失調(diào)電壓調(diào)整范圍，能夠滿足調(diào)零要求。