微弱信號采集處理電路研究

摘要：文中介紹了一種醫學用的檢測信號的采集處理電路，它能夠準確的將微弱信號放大，具有精度高、噪聲低、高抗干擾能力、低漂移、高穩定性、線形與保真度好、有合適的輸入與輸出阻抗、響應快、可靠性與經濟性等優點。

關鍵詞：血小板聚集；微弱信號；處理電路

中圖分類號：G712？搖 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）01-0173-02

由血小板聚集功能異常可檢測出因聚集功能低下所造成的出血傾向疾病，或因聚集功能過高所形成的血栓，診斷血栓栓塞并發癥，如中風、心梗等疾病元監測，并可提早預防避免發生。同時可用于研究，如血小板藥物學研究、中西藥節選抗血小板藥物之測定研究中醫藥活血化淤機理等。全血經低速離心，去除紅細胞、白細胞，制備富含血小板血漿（PRP）。在特定的連續攪拌條件下于富含血小板血漿（PRP）中加入誘導劑時，由于血小板發生聚集，懸液的濁度就會發生相應的改變，光電池將濁度的變化轉換為電信號的變化，在記錄儀上予以記錄，根據聚集曲線可計算出血小板聚集的程度和時間。

一、總體設計

1.整體設計。上述血小板聚集功能檢測過程很容易受到外界電信號和客觀環境的干擾，為了抗干擾，準確的采集有用信號，應系統采用調制解調電路。調制電路使用的是光電調制，解調電路采用精密整流型相敏檢波電路。整體設計主要包括激勵電路、采集電路、調理電路三部分，功能主要是進行檢測信號的采集。整個硬件功能齊全，結構簡單，成本低廉，易生產。

2.影響檢測精度的因素。①機械定位的準確性。根據檢測的原理，檢測裝置的光電發射與光電接收的光軸應一致，因此要求發射部件與接收部件應該水平，中心對應，并且為了避免引入雜光，發射部件與接收部件都一定要采用黑色陽極氧化的工藝，且光軸應在試樣中心。另外，我們設置了4條并行的檢測通道，為了達到一致性，要求各通道發射部件發射的光束平行，光強一致，發射部件的發射面積相同，同時各接收部件的接收面積也要相同，這就對機械定位要求很高，這將直接影響檢測的重復性、一致性。②供電電壓的穩定性。按照檢測原理我們知道供電電壓一個微小變化就會改變檢測結果。為了濾出供電電壓的干擾，我們設置了4條并行的檢測通道和一個參考通道，所有通道的硬件電路完全相同，只是檢測通道的激勵光源發出的光線透過檢測血液照射到光電池上，而參考通道光線是直接照射到光電池上的，這樣采用差動的方法就可以有效地濾除電源的竄擾信號，提高檢測的精度。③標準容器的誤差。檢測中使用的反應試管的透光率也會引起檢測誤差，這個透光率誤差是與更高精度的標準容器比對修正而得到的，這里我們未做任何補償，進行總體系統誤差分析時不能忽略。

二、電路設計

1.激勵電路。本系統是使用雙光束發光二極管來作為激勵光源，分別能發出波長為405納米的藍光和660納米的紅光，這樣既能滿足多種血液檢測項目檢測光源波長不同的要求，又能降低電路的成本。但這樣易于受到外界自然光的影響，而檢測信號又均為微弱信號，因此為了減少噪聲，提高檢測精度，我們一方面對儀器裝置做了準確的機械定位，一方面對光源進行了調制。因而該部分電路包含有兩部分：一部分是振蕩電路，一部分是光電調幅調制電路。①振蕩電路。這里采用RC正弦波振蕩電路，穩幅環節采用的是穩壓管，后面又采用了滯回比較器電路將一定頻率的正弦波信號變為方波信號來作為載波信號。這樣可以消除振蕩效應，提高電路的抗干擾能力，保證信號同步。這里注意運放參數的選取，滯后的范圍不宜過小，否則會降低抗干擾的能力，但也不宜過大，否則將會影響調解參考信號與調制信號的相位關系，對相敏解調不利。②調制光源。這里檢測的信號變化微小，很容易淹沒到噪聲信號中，我們加了調制解調。本系統中使用的是光電調幅調制電路，將方波信號作為載波，發光二極管光強的變化為調制信號。由于檢測信號的頻率不太高，載波信號頻率應大于調制信號頻率的10倍以上，方能得到一個良好的調制效果。

2.采集電路。這里采集電路包括光電接收轉換電路和精密相敏解調電路兩部分，其中的光電接收轉換電路為關鍵部分，它將直接影響電路的成功與否。①光電接收與轉換電路。這里我們采用的檢測傳感器為硅光電池，它價格便宜、壽命長、性能穩定。我們通過硅光電池來講透過檢測試劑光強的變化轉化為電流的變化，再通過一定的電路將電流的變化轉化為電壓的變化。因為電壓變化信號微小，且檢測信號的頻率較低，我們選用OP27運算放大器對信號進行去噪和放大處理。OP27精密運算放大器兼有低失調電壓和漂移特性與高速、低噪聲的特性。失調電壓低至25μV，最大漂移為0.6μV/°C，因而該器件是精密儀器儀表應用的理想之選。極低噪聲（10Hz時en=3.5nV/√Hz），低1/f噪聲轉折頻率（2.7Hz）以及高增益（180萬），能夠使低電平信號得到精確的高增益放大。8MHz增益帶寬積和2.8V/μs壓擺率則可以在高速數據采集系統中實現出色的動態精度。②精密相敏解調電路。精密相敏檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，能夠提高抗干擾能力，所以我們選用它。相敏檢波電路的主要特點是，除了所需解調的調幅信號外，還要輸入一個參考信號。有了參考信號就可以用它來鑒別輸入信號的相位和頻率。在本電路設計中，采用方波信號作參考信號。這時輸入信號不是與單位參考信號相乘，而是與歸一化的方波載波信號相乘。這時的輸出電壓對所有的n為偶數的偶次諧波，輸出為零；而奇次諧波的傳遞系數隨諧波增高而衰減，因而相敏檢波電路具有抑制高次諧波干擾的能力。

3.調理電路。我們設計采用一階有源低通濾波電路來作為調理電路，具體的做法是在一階RC低通電路的輸出端，再加上一個同相比例放大電路，使之既能起放大作用，又與負載很好隔離開來。

從幅頻響應來看，一階濾波器的效果還不夠好，它的衰減率只是20dB/十倍頻。我們后面還設計了數字濾波再進行更深層次的濾波。

實驗結果表明該信號采集系統在凝血檢測單通道的重復性和多通道的一致性方面均達到檢測規程的要求，但對檢測系統的安全性和穩定性還需進行運行可靠性分析和其他相關的運行評定。從檢測結果可以看出該技術設計方案是切實可行的，在技術上和經濟上都具有比較高的優越性。

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作者簡介：周冀馨（1981-），女，天津人，天津電子信息職業技術學院，講師，碩士，研究方向：電氣自動化。endprint