脈搏信號調(diào)理電路設(shè)計*

張金榜，劉 軍，齊 華

（武警工程大學 研究生管理大隊，陜西 西安710086）

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，具有重要的生理參考和診斷參考價值[1-2]。但脈搏信號屬于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)部噪聲和外界刺激（環(huán)境、溫度）的干擾，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)學角度分析研究脈搏信息提供準確、有效的數(shù)據(jù)源[3-4]。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

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)理電路提出如下要求：（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，會使脈搏信號有嚴重損失甚至畸變；（2）高增益：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：使之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[5]。

1.2 調(diào)理電路設(shè)計方案

基于脈搏信號的上述特征，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[6]。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 一級放大電路設(shè)計[7-8]

一級放大電路實現(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，應當采用適當增益、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，增益可通過改變引腳1和引腳8之間的電阻來調(diào)節(jié)，計算公式如下：

脈搏信號和噪聲同時經(jīng)過這一級電路放大，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和引腳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。本電路采用廣泛應用的同相端調(diào)零電路，如圖3所示。

此電路中，調(diào)整電壓加在同相輸入端。考慮到經(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)，其中 Vss為±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[9]。

2.3 工頻限波電路設(shè)計

本文采用有源雙T帶阻濾波電路來抑制脈搏信號測量中的50 Hz的工頻干擾，電路原理圖如圖4所示。有源雙T陷波電路的傳遞函數(shù)為：

其中s為復變量。

陷波電路的截止頻率為50 Hz，即：

表1 常見儀表放大器特性比較

2.4 帶通濾波電路設(shè)計[10]

人體正常的脈率為 60次/min～100次/min，即 1 Hz～1.67 Hz，不同人的脈搏頻率可能不一樣，但最高頻率不超過40 Hz。從脈搏功率譜的能量分布來看，99%的能量集中在0.5 Hz～10 Hz之間。脈搏信號的最低頻率只有0.5 Hz；為降低信號因相移產(chǎn)生的線性失真，其低頻截止頻率要達到最低頻率的1/10，即0.05 Hz；其最高頻率不超過40 Hz，故高頻截止頻率選擇40 Hz。該電路的頻帶范圍大約是0.05 Hz～40 Hz，該范圍內(nèi)包含了脈搏信號的主要能量成分，能將脈搏信號的有用成分從采集到的信號中分離出來。

經(jīng)比較分析有源濾波器和無源濾波器的性能特點，結(jié)合脈搏信號頻率較低的特點，本文選用有源濾波器。

2.4.1 高通濾波器的設(shè)計

本文高通濾波電路采用二階Sallen-Key高通濾波電路，電路如圖5所示。

本文需要設(shè)計的高通濾波器的截止頻率為0.05 Hz，即：

2.4.2 低通濾波電路設(shè)計

脈搏信號具有近似脈沖波形的特征，為保證其不失真放大，必須充分考慮濾波器的相位特性。有三種典型的濾波器：巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器和貝塞爾濾波器。其中，貝塞爾濾波器具有線性相移特性，最適用于脈搏信號的濾波處理。巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器都會引起脈搏波形失真[11]。本文設(shè)計采用二階貝塞爾有源低通濾波器，能獲得較好的高頻衰減特性和失真特性，可以減小輸出波形在上升沿和下降沿出現(xiàn)的小幅過沖，實現(xiàn)對脈搏信號不失真地放大，具體電路如圖6所示。仿二階高通濾波電路可得該電路的截止頻率為：

通過計算選取：R13=60 kΩ，R14=60 kΩ，C8=C9=0.12 μF。

2.5 二級放大電路設(shè)計

脈搏信號屬于微伏級信號，即使經(jīng)過性能優(yōu)良的傳感器得到的信號也只是毫伏級。經(jīng)前級電路處理后的脈搏信號幅度小，不能滿足A/D轉(zhuǎn)換的需求，需要對其進一步放大，才能與A/D轉(zhuǎn)換單元的輸入范圍匹配，從而減小量化誤差。經(jīng)分析對比，該放大電路選用OP2177集成芯片，它具有噪聲低、增益精度高和線性度好的優(yōu)勢，可滿足對信號進一步放大的需求。具體電路如圖7所示。一級放大電路對信號放大11倍，本二級放大電路放大200倍，本級輸出的信號基可以達到1 V左右，能夠滿足信號采集的要求。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 測試過程

硬件電路設(shè)計完成后，進行硬件實際測試。輸入信號采用安捷倫函數(shù)發(fā)生器，該發(fā)生器具有幅值范圍寬、精度高、可靠的優(yōu)點，用安捷倫示波器觀察信號調(diào)理電路的輸出波形。

3.2 結(jié)果與分析

輸入信號的頻率為1.2 Hz，幅值為0.01 mV～1 mV(模擬正常脈搏信號的頻率和幅值)，具體實驗結(jié)果見表2。實驗結(jié)果表明，輸出波形穩(wěn)定，波動范圍為2 mV～20 mV，相對較小。實際測試表明，整個電路輸入阻抗可達15 MΩ，共模抑制比大于 100 dB，噪聲小于 0.1 μV，對微弱的脈搏信號有良好的濾波、放大效果，且能滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求。

脈搏信號調(diào)理電路的性能決定了整個脈搏檢測系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。本文重點依據(jù)脈搏信號的特點，針對性地選擇元器件，并對所設(shè)計的硬件電路進行測試。實驗結(jié)果表明，該電路具有較好的濾波、放大性能，且滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求，進而提高了脈搏信號檢測的可靠性。

表2 硬件電路輸入/輸出性能測試結(jié)果

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