光電脈搏信號檢測電路設(shè)計.doc

光電脈搏信號檢測電路設(shè)計 生物醫(yī)學(xué)工程班唐維3004202327摘要：系統(tǒng)采用硅光電池做為光電效應(yīng)手指脈搏傳感器識取脈搏信號。信號經(jīng)放大后采用低通放大器克服干擾。關(guān)鍵詞： 脈搏測量 放大器 二階低通一、前言脈診在我國已具有2600多年臨床實踐，是我國傳統(tǒng)中醫(yī)的精髓，但祖國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)采用“望、聞、問、切”的手段進行病情診斷，受人為的影響因素較大，測量精度不高。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測試不再局限于傳統(tǒng)的人工測試法或聽診器測試法。利用血液是高度不透明的液體,光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點, 可通過傳感器對脈搏信號進行檢測,這種技術(shù)具有先進性、實用性和穩(wěn)定性,同時也是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展方向。本文將詳細介紹一種光傳導(dǎo)式的脈搏信號檢測電路，并說明所涉及到的問題和方法。二、系統(tǒng)設(shè)計 1 系統(tǒng)目標設(shè)計及意義設(shè)計制作一個光電脈搏測試儀，通過光電式脈搏傳感器對手指末端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號，并在顯示器上顯示所測的脈搏跳動波形，要求測量穩(wěn)定、準確、性能良好。 2 設(shè)計思想（1）傳感器：利用指套式光電傳感器，指套式光電傳感器的換能元件用硅光電池,由于心臟的跳動,引起手指尖的微血管的體積發(fā)生相應(yīng)的變化（當心臟收縮時，微血管容積增大；當心臟舒張時,微血管容積減少），當光通過手指尖射到硅光電池時,產(chǎn)生光電效應(yīng),兩極之間產(chǎn)生電壓由于指尖的微血管內(nèi)的血液隨著心臟的跳動發(fā)生相應(yīng)于脈搏的容積變化,因而使光透過指尖射到硅光電池時也發(fā)生相應(yīng)的強度變化, 而非血液組織(皮膚、肌肉、骨格等)的光吸收量是恒定不變的, 這樣就把人體的脈搏(非電學(xué)量) 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)于脈博的電信號, 方便檢測。（2）按正常人脈搏數(shù)為6080次/min，老人為100150次/min，在運動后最高跳動次數(shù)為240次/ min設(shè)計低通放大器。5Hz以上是病人與正常人脈搏波體現(xiàn)差異的地方，應(yīng)注意保留。（3）測量中考慮到并要消除的干擾有：環(huán)境光對脈搏傳感器測量的影響、電磁干擾對脈搏傳感器的影響、測量過程中運動的噪聲還有50Hz干擾。（4）由于透過指尖射到硅光電池的光強很小，輸出短路電流約為0.1uA3 uA，所以總共放大106倍以便于觀察。傳感器得到的脈搏信號極為微弱，很容易淹沒在噪聲及干擾信號之中，所以對取得的微弱信號先進行放大后再濾波。設(shè)計兩極放大，因為三級放大個別電路板的零點漂移大得足以達到滿幅，測量不準確。每個單級放大器的放大倍數(shù)不大于30，以免自激振蕩。（5）所選的電阻參數(shù)要盡量精確， IC選用偏置電流小、輸入失調(diào)電壓小的運算放大器，考慮到性價比，使用LM324。由于硅光電池的輸出短路電流受光照變化較大，使得輸出變化大，所以采用12V雙電源供電。 3 整體框圖本系統(tǒng)共分為三個模塊：二階低通放大電路路光電信號轉(zhuǎn)換電路一級放大電路方框圖中各部分的作用是：（1）傳感器：將脈搏的跳動轉(zhuǎn)換為電壓信號，放大104倍。（2）一級放大電路：對微弱信號進行放大，放大約20倍（3）二階低通濾波電路： 濾除干擾信號并進一步放大，再放大約20倍。4 單元電路的設(shè)計 光電信號轉(zhuǎn)換電路圖1 光電信號轉(zhuǎn)換電路如圖，換能元件為硅光電池，脈搏信號的拾取實際上是光透過指尖射到硅光電池時發(fā)生相應(yīng)的強度變化,從而產(chǎn)生硅光電池電流的微弱變化，再經(jīng)過放大而得到的。所拾取的信號為電壓信號。電路的輸出為：R1過大，穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生漂移誤差，影響增益精度，考慮到靈敏度和線性度的協(xié)調(diào)，選R1=22K，使得輸出達到mv級。為了抑制高頻干擾和消除運放輸入偏置電流的影響 ，接入電容C1、電阻R2和電容C2。電容的取值是基于脈搏信號的頻率考慮的。（2）一級反向放大電路 如圖：圖2 一級放大為了與前面匹配，并使選用器件簡便，選擇R3=22K，為滿足放大20倍，選用R4=500K。得理想放大倍數(shù)倍C3用來隔直；C4用以防止放大器自激并起到低通作用，為了不影響有用信號又能濾掉50HZ干擾 ，C4不能太大也不能太小，取C4=0.01F將頻率截止到31HZ恰好。（3） 后置二階低通放大電路 圖3 為二級低通放大電路。按人體脈搏在最高跳動次數(shù)240 次/min 計算，據(jù)歸一化法設(shè)計低通放大器，如圖3 所示。轉(zhuǎn)折頻率由R6、C5 、R7 和C6 決定，放大倍數(shù)由R7 和R5的比值決定，R8用來減小輸入阻抗不平衡的影響。圖3二級低通放大器二價低通濾波器的傳遞函數(shù)：理想放大倍數(shù)為倍。0.707倍零頻增益高頻轉(zhuǎn)折頻率：fH=14Hz低頻特性滿足條件，不影響有用信號。5整體電路為：運放LM324特性LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如上圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立，引腳排列見圖：特性: 雙電源工作電壓：1.5V至15V輸入偏置電壓：2.05.0mV輸入偏置電流：2nA共模抑制比：典型值80dB帶寬：1.3MHZ失調(diào)電壓：典型值7A，最大值30A失調(diào)電流：典型值10PA，最大值200PA總結(jié)： 整體電路僅采用一個LM324，且電阻值只用到22K和500K兩種電阻，使設(shè)計簡單，節(jié)省資源?？偟睦硐敕糯蟊稊?shù)為4106，截止到14赫茲左右，基本滿足脈搏信號的拾取條件。測試報告1、 靜態(tài)工作點的測量將輸入兩端短路，接入工作電壓，用萬用表測得輸出電壓為390mv,低于500mv基本滿足條件。2、 硅光電池特性測量 如圖連接電路，用普通臺燈當光源照射，測得輸出約為2V，所以硅光電池輸出短路電流變化量約為12A。3、 一級放大電路 圖2 一級放大用信號源輸入20mv電壓，并改變輸入信號頻率進行觀察，測得數(shù)據(jù)表為：f(HZ)510152025303540Vo1(mv)448.9433.1410.1383.4355.6328.6303.5280.7根據(jù)觀察可得在脈搏信號強的部分如5HZ時放大22倍，且截止頻率在30HZ左右，與理想值基本吻合。4、后級濾波加放大圖3二級低通放大器用信號源輸入224mv電壓，并不斷改變輸入信號頻率觀察輸出，測得數(shù)據(jù)表為：f(Hz)510152025303550Vo(mv)1898.4998.7668.6498.9395.1325.0274.3181.2據(jù)觀察得截止頻率在10HZ左右，且在50HZ時輸出只有5HZ（脈搏信號較強時）時的大約十分之一，可見濾波效果較好。5、 脈搏信號測試將手指緊貼硅光電池表面，用臺燈照射，打開工作電源，觀察示波器。測得男生脈搏波形接近：女生脈搏波接近：總結(jié)：脈搏信號的主峰頻率在1HZ左右，但由于示波器的缺陷，不能觀察放大器和濾波器在低頻時的放大情況，使得數(shù)據(jù)有點模糊。由于示波器為直流耦合,所以直流電平漂移很嚴重,這就要求受試者一定要平靜,身體自然放松,使漂移降到最低程度。光照射指尖部, 使硅光電池中心正對著微血管床。由于放大倍數(shù)較大，入射光