新闻中心

EEPW首页 > 电源与新能源 > 设计应用 > 脉搏信号调理电路的设计

脉搏信号调理电路的设计

作者:时间:2013-04-23来源:网络收藏

摘要:作为人体重要的生理及病理参数之一,其信号具有重要的研究价值。针对其信号微弱、频率低且易受干扰的特点,文中首先提出了的要求,然后有针对性地选择元器件并设计硬件电路,最后对所设计的硬件电路进行实际测试。结果表明该调理电路具有输出波形稳定、噪声小和共模抑制比高的特点,提高了信号采集的精度。
关键词:

脉搏是人体的重要生理参数之一,它携带了丰富的生理和病理信息,具有重要的生理和诊断参考价值,但脉搏信号在强噪声背景下的低频微弱信号,具有随机性强、频率低的特点,极易受到检测系统内部噪声和外界环境(环境、温度)的干扰,因此必须对检测到的脉搏信号做一系列的处理(滤除噪声和干扰),才可获得高保真的脉搏信息,为进一步从医学角度分析研究脉搏信息提供准确、有效的数据源。因此,研究脉搏电路对整个脉搏信号检测系统具有十分重要的意义。

1 调理电路总体设计
脉搏信号幅度小、频率低,极易被噪声湮没,减少甚至消除这些噪声干扰是有效识别脉搏信号特征参数的因素。信号调理电路作为信号采集单元的重要组成部分,其稳定性和可靠性直接决定了脉搏信号的真实性与有效性。
1.1 调理要求
脉搏信号取自人体浅表动脉,信号源阻抗较大,且幅度小、频率低,极易被噪声湮没。因此,对脉搏信号调理电路有如下要求: (1)高输入阻抗。由于信号源阻抗较高,脉搏信号很微弱,若输入阻抗不高,经分压后信号会更小,会使脉搏信号有严重损失;(2)高增益。脉搏信号属于微弱信号,只有较高的放大倍数才能提高脉搏信号采集的精度;(3)高共模抑制比。主要是消除市电50 Hz的工频干扰;(4)低噪声。使噪声信号不湮没信号微弱且信噪比低的脉搏信号;(5)低漂移。防止高放大倍数的放大电路出现饱和现象;(6)合适的带宽。以有效地抑制噪声,防止采样混叠;(7)高安全性。确保人体的绝对安全,主要对电气特性的要求。
1.2 调理电路设计方案
基于脉搏信号的上述特征和调理电路设计要求,本文设计的高性能脉搏信号调理电路由一级放大电路、调零电路、工频限波电路、带通滤波电路和二级放大电路组成,其原理框图如图1所示。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/175837.htm

a.JPG


调理电路的工作流程为,一级放大电路对检测到的脉搏信号,进行线性放大,经调零电路抑制零漂后,传送至限波电路和带通滤波电路,滤除杂波干扰信号;再经二级放大电路送至A/D转换部分进行信号采样。

2 硬件电路设计
2.1 一级放大电路设计
一级放大电路是调理电路设计中的第一个关键点,实现对检测到的脉搏信号进行线性放大和抑制干扰信号的功能,其性能的优劣直接决定了后续系统对数据分析处理的真实性。针对脉搏信号的特点,应当采用适当增益、低功耗、低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比、线性工作范围宽和低零点漂移的并联差动三运放仪表放大器。目前比较常见的用于脉搏信号检测的仪表放大器有INA111、INA118、INA128、AD8553和AD620。其主要特性比较如表1所示。

c.JPG


针对脉搏信号采集的要求,经综合分析比较,本电路选择体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广的AD620作为一级放大电路的主体芯片。具体电路如图2所示。AD620使用方便,增益可通过改变放大器第1和第8引脚之间的电阻来调节,计算公式如下
d.JPG
有用信号和噪声同时经过这一级,如果放大倍数过大,噪声也被放大,如果噪声幅度过大,则不利于后级处理,即后级难以有效消除噪声。所以,一级放大电路放大倍数不宜过大,本级增益设置为11,此时引脚1和8之间接一个精度为0.01%、阻值为4.99 kΩ的金属膜电阻。

b.JPG


2.2 调零电路设计
调零电路,实现进一步抑制由于肌肉抖动、人体紧张、呼吸颤抖等因素引起的基线漂移的功能,从而保证在输入为零的时候,整个电路的输出为零。本电路采用广泛应用的同相端调零电路,电路如图3所示。

e.JPG


此电路中,调整电压加在同相输入端。考虑到经一级放大电路处理后的脉搏信号是毫伏级,此处设置R3和R5的阻值分别为100 kΩ和500 Ω,构成200:1的分压电路,R5两端将得到失调电压调整范围,由下式决定:
失调电压调整范围=±Vss(R5/R3) (3)
其中Vss=+3.3 V,R5两端将得到±16.5 mV的失调电压调整范围,能够满足调零要求。


上一页 1 2 3 下一页

评论


相关推荐

技术专区

关闭