龔中良,李　曜

(中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410004)

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基于光電傳感器的脈搏信號(hào)采集電路優(yōu)化設(shè)計(jì)*

龔中良*,李曜

(中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410004)

摘要:簡(jiǎn)要介紹了脈搏信號(hào)的特點(diǎn)以及以O(shè)PT101芯片為核心的光電傳感器的工作原理。設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行濾波放大的調(diào)理電路并進(jìn)一步對(duì)其優(yōu)化,優(yōu)化電路利用差分電路的高共模抑制比的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的濾波放大處理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,采用優(yōu)化后的電路能夠在示波器上采集到符合A/D轉(zhuǎn)換輸入電壓要求的清晰脈搏波波形。此電路具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:濾波技術(shù);電路設(shè)計(jì);光電傳感器;差分電路

人體脈搏信號(hào)中包含豐富的生理信息,對(duì)臨床具有重大的意義。人體脈搏信號(hào)的幅度一般都在0～10 mV左右,99%的能量集中在0.5 Hz～10 Hz之間[1],屬于低頻小信號(hào)。為了對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行各種處理和顯示,必須首先將信號(hào)放大到所要求的強(qiáng)度。而A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍為-5 V～+5V,所以模擬信號(hào)處理電路必須將脈搏信號(hào)放大到-5 V～+5 V。

常見的脈搏信號(hào)采集方法有:壓力傳感器法、心電電位法、光電、電容傳感器法、電聲傳感器法等[2]。以上這些方法中,光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器,通過(guò)對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè),間接檢測(cè)出脈搏信號(hào),光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn),為臨床診斷提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持[3-4]。

很多學(xué)者在脈搏信號(hào)采集這方面做了研究。侯海良[5]等設(shè)計(jì)了一種便攜式遠(yuǎn)程脈搏信號(hào)采集系統(tǒng),系統(tǒng)采用的是三級(jí)運(yùn)算放大;李晉華[6]在《光電脈搏儀的設(shè)計(jì)》一文中設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路,采用的是壓控電壓源型低通濾波器;王麗英[7]則是采用低通濾波以及二級(jí)放大來(lái)采集脈搏信號(hào);張金榜[1]等設(shè)計(jì)的脈搏采集硬件電路包括:一級(jí)放大電路、調(diào)零電路、50 Hz限波電路、帶通濾波電路及二級(jí)放大電路脈搏調(diào)整電路設(shè)計(jì);張凌飛等設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易人體脈搏信號(hào)調(diào)理電路是通過(guò)一個(gè)帶通濾波電路來(lái)采集脈搏信號(hào)[8];陳亮亮[9]采用二階高通、二階低通以及陷波電路來(lái)對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行處理。

隨著腕式脈搏血氧儀的相繼出現(xiàn),對(duì)于脈搏采集裝置的硬件集成化要求越來(lái)越高。上述幾種電路都只適用于傳統(tǒng)的血氧儀,電子元器件較多,設(shè)備體積較大。本文利用差分電路[10]的高共模抑制比的特點(diǎn)以及脈搏信號(hào)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)并優(yōu)化了脈搏信號(hào)采集處理電路。

1　常用脈搏采集電路

脈搏信號(hào)阻抗較大,且幅度小,頻率低,極易被噪聲湮沒(méi)。因此,對(duì)脈搏信號(hào)采集電路有如下要求[11]:(1)多干擾下的微弱信號(hào)。由于脈搏信號(hào)幅度很小,極容易引入干擾,有來(lái)自肌體抖動(dòng)、精神緊張帶來(lái)的假象信號(hào)等。(2)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,會(huì)使脈搏信號(hào)有嚴(yán)重?fù)p失;(3)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)才能對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理;(4)高共模抑制比。主要是消除50 Hz的工頻干擾;(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。

1.1光電脈搏傳感器設(shè)計(jì)

光發(fā)射二極管采用SE2470紅外線發(fā)射二極管,在等效驅(qū)動(dòng)電流下功率輸出更大。光接收器件采用新型的光敏器件OPT101,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。芯片內(nèi)部集成光敏器和一級(jí)放大電路,有效地抑制了外界電磁信號(hào)對(duì)原始脈搏信號(hào)的干擾,提高脈搏測(cè)量精度。

圖1　OPT芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2脈搏采集設(shè)計(jì)

脈搏采集設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2　常用脈搏采集電路

此脈搏采集電路由光發(fā)射電路、光接收電路、后級(jí)放大電路、50 Hz陷波電路以及二階低通濾波電路組成。光發(fā)射電路由SE2470紅外線發(fā)射二極管和分壓電阻組成,Vcc由3.0 V電池供電。光接收電路對(duì)由脈搏引起的微弱光變化量進(jìn)行檢測(cè),采用集成光接收放大芯片OPT101,其工作原理為:光敏二極管受光照的影響產(chǎn)生微弱的電流,再通過(guò)運(yùn)算放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),并對(duì)其進(jìn)行放大,輸出為反相信號(hào)。光發(fā)射與接收電路共同組成光電脈搏傳感器。后級(jí)放大電路由一個(gè)無(wú)源高通濾波器和同相運(yùn)算放大器組成,無(wú)源高通濾波其主要目的是隔離傳感器信號(hào)中的直流分量,其截止頻率f=1/(2πRC),選擇適當(dāng)?shù)腞12、C5值,使f=0.5 Hz。濾波后的交流信號(hào)經(jīng)同相運(yùn)算放大器進(jìn)行放大,增益A由R2/R5決定,可取A1=100。脈搏信號(hào)的頻率在0.5 Hz到20 Hz之間,容易受到50 Hz工頻的干擾,應(yīng)用50 Hz陷波濾波器可以很好的濾掉工頻干擾,陷波電路采用RC有源雙T網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn),陷波濾波器的中心頻率計(jì)算公式為f0=1/(2πRC)其中C=C1=C2;R=R9=R10,選擇合適的R、C使f0=50 Hz,通帶增益A2=1。在濾掉工頻干擾后,信號(hào)中還有一些其他的高頻干擾,通過(guò)二階低通濾波器可以濾掉其中的高頻干擾獲得低頻有效信號(hào),其中心頻率f0=1/(2πRC),其中R=R6=R7;C=C3=C4,選擇適當(dāng)?shù)腞、C值,使f=10 Hz,同時(shí)增益可設(shè)計(jì)為A3=2。此電路總的放大倍數(shù)A由A1、A2、A3以及OPT101的增益4者乘積組成,A>200,滿足A/D轉(zhuǎn)換器的要求。

2　優(yōu)化設(shè)計(jì)電路

圖2脈搏采集電路采用的是三級(jí)放大,所用電子元器件多,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,沒(méi)有充分利用集成運(yùn)算放大器和差分電路的特性。圖2中C5,R12組成的無(wú)源高通濾波其作用是去除信號(hào)中的直流分量,抑制脈搏波波形的基線漂移,對(duì)此可采用差分電路來(lái)去除直流分量及共模信號(hào)干擾,同時(shí)當(dāng)存在外界干擾時(shí),屬于共模信號(hào),差分電路能有效的去除此干擾,更好的抑制基線漂移。為了充分利用放大器,可以在濾波的同時(shí)進(jìn)行放大。而對(duì)于50 Hz工頻干擾,由于脈搏信號(hào)的頻率主要分布在0.5 Hz～20 Hz之間,可在低通濾波的時(shí)候,通過(guò)設(shè)置元件參數(shù),將其截止頻率設(shè)置為10 Hz,50 Hz工頻得到有關(guān)效的誤減。同時(shí)50 Hz工頻信號(hào)也屬于共模信號(hào),經(jīng)差分輸入再一次得到衰減。運(yùn)算放大器采用OP07,十分適合于高增益和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面[12]。故可只利用一級(jí)放大電路便能實(shí)現(xiàn)常用脈搏采集電路三級(jí)放大的所有功能,從而得到清晰的脈搏波波形。

2.1同相放大設(shè)計(jì)

同相放大設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

電路采用差分形式,有效信號(hào)由同相端輸入,反相端信號(hào)經(jīng)R3、C2組成的無(wú)源低通濾波,其截止頻率f0=1/(2πRC),其中R=R3,C=C2,選擇適當(dāng)?shù)腞、C值,使f0=0.5 Hz,即只有直流分量通過(guò)反相輸入端,脈搏信號(hào)由同相輸入端輸入而進(jìn)行放大。同相端既有脈搏信號(hào)又有直流共模分量,而反相端只有直流共模分量,由V0=A(V+-V-)可得,只有脈搏信號(hào)得到放大。利用差分電路抑制共模信號(hào)的特性,直流共模信號(hào)得到有效的濾除,交流脈搏信號(hào)得到有效的濾波放大,很好的抑制了基線漂移。同相采用了一個(gè)電壓偏置電路即電平抬升電路,由Vcc、R7、R8組成,其作用在于抬高同相端的輸入電壓,使放大器工作在放大區(qū),R6為一個(gè)大電阻,可取2 MΩ,防止有效交流信號(hào)從支路R4～R8而衰減。C1與R1構(gòu)成有源低通濾波,截止頻率f0=1/(2πRC),選擇適當(dāng)?shù)腞=R1、C=C1值,使f0=10 Hz。R2=R4以滿足阻抗匹配問(wèn)題,放大倍數(shù)A由R1/R2的比值決定,取R1=2 MΩ。則A=200,滿足A/D轉(zhuǎn)換器的要求。此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,元件少,只需一級(jí)放大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能夠在示波器上采集到清晰穩(wěn)定的脈搏波波形。由于,傳感器輸出的是反相信號(hào),此時(shí)觀測(cè)到的脈搏波波形是反相的,還需經(jīng)一級(jí)反相器或利用軟件使其反相。

2.2反相放大設(shè)計(jì)電路

從OPT101集成芯片輸出的信號(hào)是反相的,圖3電路是同相放大,沒(méi)有加反相器,所以看到的脈搏波也是反相的。同相放大電路輸入阻抗比反相放大電路大,更符合電路設(shè)計(jì)要求,信號(hào)是否可從反相端輸入,即只利用一次放大就把所有問(wèn)題解決。設(shè)計(jì)電路如圖4。

圖3　同相放大優(yōu)化設(shè)計(jì)電路

圖4　反相放大優(yōu)化設(shè)計(jì)電路

此電路原理與圖3同相放大電路一樣,各參數(shù)也與圖3電路相同,只是此時(shí)有效信號(hào)從反相端輸入。在各參數(shù)不變的情況下,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:在有環(huán)境光影響時(shí),利用圖3電路,不能從示波器上觀測(cè)到脈搏波形,而在無(wú)環(huán)境光影響時(shí),可觀測(cè)到清晰的脈搏波形。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因?yàn)?由于電源電壓為0～3.0 V,而放大后的輸出電壓也只能在此范圍內(nèi),否則就會(huì)出現(xiàn)飽和失真,而觀測(cè)不到輸出電壓。由輸出電壓V0=A(V+-V-)可知,當(dāng)光接收電路會(huì)受到環(huán)境光的影響,有環(huán)境光影響時(shí)V-增大,在電平抬升電路的作用下,V->V+,V0<0。出現(xiàn)負(fù)飽和失真,故采集不到脈搏波形。而在無(wú)光環(huán)境影響時(shí),則不會(huì)出現(xiàn)此情況。對(duì)此,可將電路中的R2用變位器替代后,通過(guò)調(diào)節(jié)R2電阻值,改變偏置電壓值,可找到一個(gè)臨界電阻值,可解決上述問(wèn)題,滿足在有光和無(wú)光環(huán)境下均可采集脈搏信號(hào)。經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證,此電路同樣可用來(lái)采集脈搏信號(hào),并且不需后續(xù)的反相電路。

3　測(cè)試結(jié)果與結(jié)論

在電路設(shè)計(jì)完成以后,接下來(lái)的任務(wù)便是測(cè)試電路的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。將手指尖放到光電傳感器上,接收到的紅外光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào),且有很多雜波。傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)上述電路濾波放大,我們這里放大近200倍。在有環(huán)境光與無(wú)環(huán)境光的條件下,輸出電壓都是3 V左右,且波形無(wú)明顯的雜波,此時(shí)我們就可以將該信號(hào)輸入到A/D卡進(jìn)行采樣了。

上述2種優(yōu)化脈搏采集電路,充分利用激光二極管和集成化光敏器件OPT101和差分運(yùn)算放大器高共模抑制比的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了脈搏采集電路的改進(jìn),電路結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)單化,電子元器件少量化,對(duì)于硬件的集成與產(chǎn)品的便攜式提供了很好的參考意義。試驗(yàn)表明,采用上述電路,能夠得到較理想的脈搏波形。改進(jìn)后的電路,可以進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻小信號(hào)的有效濾波放大,可用于生物信號(hào)處理以及小型移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備中。

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龔中良(1965-),男,漢族,湖北人,中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授,研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程專業(yè),gzlaa@163.com;

李曜(1989-),男,漢族,湖南益陽(yáng)人,中南林業(yè)科技大學(xué)在讀碩士,研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程,13787261030@163.com。

TheOptimizationDesignonAcquisitionCircuitofthePulseSignalBasedonthePhotoelectricSensor*

GONGZhongliang*,LIYao

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,China)

Abstract:By briefly introducing the characteristics of pulse signal and the working principle of the photoelectric sensor with OPT101 as its core,this paper has designed and optimized a conditioning circuit which can amplify the filtering of pulse signal based on high common mode rejection ratio of differential circuit.Experiments show that the optimized circuit can capture the pulse waveforms required by the A/D conversional input voltage clearly.For this optimized circuit,low cost and simple and reasonable structure are its important advantages.

Key words:filter technique;circuit design;the photoelectric sensor;differential circuit

doi:EEACC:7210G;7230C10.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.017

中圖分類號(hào):TN713.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)04-0658-04

收稿日期:2013-08-27修改日期:2013-11-05

項(xiàng)目來(lái)源:湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012GK3144);中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CX2014B12)