脈搏信號調(diào)理電路的設(shè)計

摘要：脈搏作為人體重要的生理及病理參數(shù)之一，其信號具有重要的研究價值。針對其信號微弱、頻率低且易受干擾的特點，文中首先提出了信號調(diào)理電路設(shè)計的要求，然后有針對性地選擇元器件并設(shè)計硬件電路，最后對所設(shè)計的硬件電路進行實際測試。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，提高了脈搏信號采集的精度。
關(guān)鍵詞：脈搏；信號調(diào)理；電路設(shè)計

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值，但脈搏信號在強噪聲背景下的低頻微弱信號，具有隨機性強、頻率低的特點，極易受到檢測系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和外界環(huán)境(環(huán)境、溫度)的干擾，因此必須對檢測到的脈搏信號做一系列的處理(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，研究脈搏信號調(diào)理電路對整個脈搏信號檢測系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 調(diào)理電路總體設(shè)計
脈搏信號幅度小、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別脈搏信號特征參數(shù)的因素。信號調(diào)理電路作為信號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的真實性與有效性。
1．1 調(diào)理電路設(shè)計要求
脈搏信號取自人體淺表動脈，信號源阻抗較大，且幅度小、頻率低，極易被噪聲湮沒。因此，對脈搏信號調(diào)理電路有如下要求： (1)高輸入阻抗。由于信號源阻抗較高，脈搏信號很微弱，若輸入阻抗不高，經(jīng)分壓后信號會更小，會使脈搏信號有嚴(yán)重?fù)p失；(2)高增益。脈搏信號屬于微弱信號，只有較高的放大倍數(shù)才能提高脈搏信號采集的精度；(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。使噪聲信號不湮沒信號微弱且信噪比低的脈搏信號；(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。確保人體的絕對安全，主要對電氣特性的要求。
1．2 調(diào)理電路設(shè)計方案
基于脈搏信號的上述特征和調(diào)理電路設(shè)計要求，本文設(shè)計的高性能脈搏信號調(diào)理電路由一級放大電路、調(diào)零電路、工頻限波電路、帶通濾波電路和二級放大電路組成，其原理框圖如圖1所示。

調(diào)理電路的工作流程為，一級放大電路對檢測到的脈搏信號，進行線性放大，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；再經(jīng)二級放大電路送至A／D轉(zhuǎn)換部分進行信號采樣。

2 硬件電路設(shè)計
2．1 一級放大電路設(shè)計
一級放大電路是調(diào)理電路設(shè)計中的第一個關(guān)鍵點，實現(xiàn)對檢測到的脈搏信號進行線性放大和抑制干擾信號的功能，其性能的優(yōu)劣直接決定了后續(xù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)分析處理的真實性。針對脈搏信號的特點，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漂移的并聯(lián)差動三運放儀表放大器。目前比較常見的用于脈搏信號檢測的儀表放大器有INA111、INA118、INA128、AD8553和AD620。其主要特性比較如表1所示。

針對脈搏信號采集的要求，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)，計算公式如下

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

2．2 調(diào)零電路設(shè)計
調(diào)零電路，實現(xiàn)進一步抑制由于肌肉抖動、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候，整個電路的輸出為零。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?？紤]到經(jīng)一級放大電路處理后的脈搏信號是毫伏級，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。