非接觸人體心率檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　郭慶亮（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東?青島?266555；青島興儀電子設(shè)備有限責(zé)任公司，山東?青島?266555）

　　摘?要：本文設(shè)計(jì)了一款非接觸心率信號(hào)的檢測(cè)電路，并分析了運(yùn)放電路的可靠性和去除噪聲的措施，對(duì)實(shí)際的印制板布局也提出了有效的處理措施，來(lái)保證人體心率微弱信號(hào)可靠提取。

　　關(guān)鍵詞：非接觸；人體心率；去除噪聲；印制板；布局

　　0 引言

　　人體的心率信號(hào)非常微弱，在醫(yī)學(xué)上有多種測(cè)量脈搏和心跳信號(hào)的方法，醫(yī)學(xué)上的方法一般都是接觸式測(cè)量，測(cè)量手腕或者測(cè)量心臟位置的信號(hào)?，F(xiàn)在非常流行的智能穿戴設(shè)備，采用了接觸式方法測(cè)量人體脈搏，從而間接的檢測(cè)心率。

　　但在被測(cè)人體不方便接觸式測(cè)量或者人體表面有水的情況下，這種接觸式的測(cè)量方法就比較局限了。本文就是尋找并實(shí)驗(yàn)了一種非接觸測(cè)量人體脈搏（心率）的方法，實(shí)際測(cè)量并取得了準(zhǔn)確的結(jié)果。

　　1 非接觸人體心率信號(hào)的提取

　　正常人體的脈搏和心率是一致的，智能穿戴設(shè)備采用了接觸式的“光電容積脈搏法”來(lái)間接的檢測(cè)心率。非接觸人體心跳信號(hào)我們也采用了光電方法，將光打在了人體某個(gè)部位，通過(guò)的光來(lái)攜帶人體脈動(dòng)的微弱信號(hào)。我們將光源與被測(cè)對(duì)象，使其互相不接觸。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用激光來(lái)照射人體手部，將人手脈搏信號(hào)調(diào)制在激光信號(hào)上，將調(diào)制后的激光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和精密放大后，再?gòu)碾娦盘?hào)中將這種周期信號(hào)解調(diào)出來(lái)，如圖1。

　　在這個(gè)信號(hào)提取鏈路中，核心的問(wèn)題是光信號(hào)的調(diào)制和電信號(hào)的解調(diào)。光信號(hào)的調(diào)制這里不討論了。我們需要對(duì)光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的非失真的放大，我們的識(shí)別設(shè)備要放在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用，在工業(yè)環(huán)境中，噪聲信號(hào)大、空間輻射干擾大，脈搏信號(hào)調(diào)制在微弱的光信號(hào)中，信號(hào)的放大電路必須設(shè)計(jì)可靠。

　　2 信號(hào)的放大和調(diào)理

　　2.1 電路設(shè)計(jì)

　　在光電信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，跨阻抗放大電路形式和零偏置的光伏模式都是典型設(shè)計(jì)，在這里就不多贅述。轉(zhuǎn)換光電流在pA級(jí)別，對(duì)電路的可靠性穩(wěn)定性分析顯得尤為重要。圖2是光電信號(hào)的放大電路，放大之后經(jīng)過(guò)一個(gè)跟隨放大器輸出帶通濾波器，再到精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器。以下從直流分析、穩(wěn)定性補(bǔ)償、閉環(huán)增益和噪聲消除4個(gè)方面來(lái)分析運(yùn)放電路的可靠性。

　　2.1.1 直流分析

　　從運(yùn)放本身的輸入偏置電流，輸出失調(diào)電壓來(lái)看。我們這個(gè)電路中轉(zhuǎn)換的光電流在pA級(jí)別。直流特性需要滿足

　　需要選擇運(yùn)放的最大輸出失調(diào)電壓盡量小，此處R F取樣電阻為500 MΩ。

　　由式（1）可知，根據(jù)電路參數(shù)計(jì)算，輸出失調(diào)電壓導(dǎo)致的電流漂移為0.1 pA，合計(jì)0.1001 pA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于要求的I _S 電流10 pA。

　　2.1.2 穩(wěn)定性補(bǔ)償

　　運(yùn)放的穩(wěn)定性分析主要從相位裕量（PM）和增益裕量(GM)兩方面考慮。

　　一般來(lái)說(shuō)，45°~60°的相位裕度是比較合適的。如果相位裕度比較小則容易不穩(wěn)定，相位裕度=0°時(shí)就會(huì)發(fā)生振蕩；隨著相位裕度的增加，系統(tǒng)有過(guò)沖的輸入響應(yīng)。增益裕度就是相角為-180°時(shí)的增益，一般＜0 dB，也就是圖3中的GM。

　　運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益隨頻率的變化通常在數(shù)據(jù)手冊(cè)中有，我們更感興趣的是運(yùn)放的閉環(huán)增益，閉環(huán)下的相位裕量，典型做法是在反饋電阻兩端并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電容C C ，來(lái)彌補(bǔ)階躍響應(yīng)的過(guò)沖和振鈴。為此，我們將圖3的電路圖進(jìn)行模型化，并對(duì)其中的各電阻電容進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，如下。

　　在圖2中，I _S 是光電流，C _S 是光電二極管的電容與差模電容和共模電容之和。C _F 是補(bǔ)償電容C _C 和電阻的寄生電容之和。通過(guò)運(yùn)放的波特圖，我們可看出，當(dāng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)頻率f _XVR 大于噪聲增益極點(diǎn)f _NP ，且落在增益帶寬積f _GBP之內(nèi)時(shí)，增益帶寬積f _GBP 典型值為2 MHz，運(yùn)放可以穩(wěn)定工作，即滿足如下條件：

　　其中：

　　通過(guò)，計(jì)算出來(lái)轉(zhuǎn)折點(diǎn)頻率，噪聲增益的零點(diǎn)，噪聲增益的極點(diǎn)。從而可以基本判定運(yùn)放是否處于穩(wěn)態(tài)區(qū)域。

　　2.1.3 閉環(huán)增益

　　運(yùn)放的閉環(huán)增益大小取決于反饋電阻R _F ，通過(guò)電容C _C 的補(bǔ)償，可以得到穩(wěn)定的閉環(huán)增益。一般來(lái)說(shuō)，光電轉(zhuǎn)換電路中反饋電阻的阻值比較大，為不影響補(bǔ)償電容，可以考慮使用耕地寄生電容的電阻，例如表貼型的電阻。同時(shí)可以選擇更快的運(yùn)放，可以增加帶寬，避免運(yùn)放運(yùn)行的不穩(wěn)定區(qū)域。

　　2.1.4 噪聲消除

　　為了將更加微小的信號(hào)放大出來(lái)，我們習(xí)慣將R _F 盡可能最大，從而得到盡可能高的增益。所以選擇低噪聲電壓密度和噪聲電流密度的運(yùn)放顯得很重要，也可以通過(guò)兩級(jí)放大串聯(lián)來(lái)增加增益。

　　將運(yùn)放輸出端增加RC濾波器，可以減小整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)帶寬，這將克服噪聲跟隨頻率增加導(dǎo)致輸出噪聲電壓密度的增加。

　　2.1.5 其他

　　一個(gè)穩(wěn)定的微弱信號(hào)采集電路，必須有一個(gè)穩(wěn)定的供電電源，在設(shè)計(jì)之初，對(duì)芯片的電源進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)。

　　為了能使得信號(hào)軌之軌放大，信號(hào)不失真，還采用了±5 V電源供電。二級(jí)放大過(guò)程中，采用差分放大電路抵消共模干擾。根據(jù)上面的設(shè)計(jì)和分析，最終的設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示。

　　2.2 印制板材料及布局

　　電磁干擾常常會(huì)對(duì)電路性能造成不利影響，在信號(hào)強(qiáng)度較低情況下，需要對(duì)精密信號(hào)進(jìn)行保護(hù)，對(duì)印制板布局優(yōu)化設(shè)計(jì)和選型，這樣才能發(fā)揮出設(shè)計(jì)電路的效能。輸入端的信號(hào)線盡量短，在輸入端增加GRD保護(hù)環(huán)，可以最大程度的降低印制板中的輸入引腳漏電流，減少外圍元件數(shù)量，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　GRD保護(hù)環(huán)加在光電流采集的一端，普通印制板基板采用FR-4，其絕緣性能為50 MΩ左右，有1 V的壓差就會(huì)有20 nA的漏電流，這是非常大的一個(gè)值，而采用羅格斯4350B作為基板，其絕緣電阻在 5.7 10 × ?9，可以將值下降100倍，從而能將更微弱的信號(hào)轉(zhuǎn)換出來(lái)，不受電路干擾影響。圖5是采用羅格斯材料作為基板一個(gè)示意圖和實(shí)際的印制板布局。

　　在保護(hù)環(huán)設(shè)計(jì)的時(shí)候，將印制板GRD保護(hù)環(huán)區(qū)域開(kāi)窗，去掉涂層，可以大大增加絕緣效果。印制板的焊接和精密運(yùn)放的屏蔽都有關(guān)鍵作用，在此就不一一贅述。實(shí)際印制板電路如圖6所示，經(jīng)過(guò)這樣設(shè)計(jì)的禽蛋心跳光電信號(hào)提取電路，可以精確采集10 pA級(jí)別的微弱光電流信號(hào)。

　　3 結(jié)論

　　人體脈搏信號(hào)非常微弱，現(xiàn)有的設(shè)備不管是醫(yī)療電子還是智能穿戴設(shè)備都采用了接觸式的方法來(lái)檢測(cè)人體脈搏或者心電信號(hào)。本文著重從非接觸人體心率信號(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路的穩(wěn)定性補(bǔ)償和印制板布局幾個(gè)方面做了詳細(xì)分析和討論，并在實(shí)際結(jié)果中取得了良好的測(cè)量效果。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　郭慶亮，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)，E-mail: guoql@eidz.com。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第9期第63頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。