血壓監護系統的電路分析和印刷電路板設計

溫家寶，劉 悅，張金玲，舒 磊，楊歡歡

（北京郵電大學 電子工程學院，北京 100876）

引言

血壓是人體重要的生理指標之一，合適的血壓是維持人體正常新陳代謝的必要條件。同時，血壓的高低也反映了人體心臟和血管的功能狀況。血壓監測對防病治病及早發現疾病都具有重要意義。另外，臨床上還常需要對危重病人和手術中的病人實行血壓的連續監護，以防病人出現意外，也便于醫護人員及時采取措施。電子血壓計具有易于攜帶操作簡便的特點。因此電子血壓計在人們的生活中得到廣泛的應用。

我們設計的電子血壓計采用示波器法，示波法測量原理是用充氣袖袋阻斷動脈血流，在放氣過程中檢測袖袋內氣體的振蕩波。振蕩波起源于血管壁的搏動，當袖袋內壓(靜壓)大于收縮壓時，動脈被關閉，此時因近端脈搏的沖擊而呈細小的振蕩波；靜壓小于收縮壓時，則波幅增大；靜壓等于平均動脈壓時，動脈壁處于去負荷狀態，波幅達到最大值；靜壓小于平均動脈壓時，則波幅逐漸減小；靜壓小于舒張壓以后，動脈管腔在舒張期已充分擴張，管壁剛性增加，因而波幅維持較小的水平。

1 壓信號采集系統設計要求

1.1 增益

因為我們選擇的MSP430 單片機的A/D 參考電壓為0～3V,傳感器的信號電壓在0～75MV,因此我們需要設計前端放大電路對傳感器的信號進行放大以滿足單片機A/D 采樣信號的需要。在電路設計時，為了抑制電路信號的零點漂移，進一步提高共模抑制比，我們采用了差分放大電路。

1.2 頻率響應

傳感器信號包括袖帶壓信號和脈搏波信號。它們不是簡單疊加在一起的，其中還夾雜著高頻干擾和一些低頻分量，我們所需要的脈搏波信號的頻率范圍是在0.6～6.4Hz，為此需要設計0.6～6.4Hz 的帶通濾波器來獲得脈搏波信號。

2 前端放大電路

2.1 放大電路放大器的選型

放大電路的放大器我們選用常見的LM324，LM324系列由四個獨立的具有高增益和內部頻率補償的運算放大器組成，應用領域包括傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統的運算放大器。內部結構圖見圖1。

2.2 放大電路分析

前端放大電路如圖2 所示，采用差分放大來抑制電路信號的零點漂移，進一步提高共模抑制比。圖2 可以分為驅動電路、放大電路、減法器電路3 塊區域進行分析說明。

由R1，R2，R3 和OP1 所組成的定電流源。I3 是驅動Sensor 的電流，供給OP1 電源為6v，供給Sensor電流為0.8mA。這樣可以保證0mmHg 時模擬輸出時0V,300mmHg 時是3V。I3 的值由公式（1）得到

放大電路由RA,RB,R4,R5,Rvr1，OP2,OP3,OP4 組成，將Sensor 信號加以放大。（Vin2-Vin1）為Sensor 輸入電壓,由公式（2）可以得到OP4 的輸出電壓V01。

圖1 LM324 的內部結構圖

減法電路由R6，R7，R8，R9，Rvr2，OP5 組成，它的作用是將放大得到的信號調整到所需要的電壓值。Vout 的計算公式如下

3 濾波電路

壓力傳感器信號有袖帶壓信號和脈搏波信號,其中還夾雜著來自外界的高頻干擾和低頻分量,既包含高頻干擾又包含低頻干擾,而我們需要的脈搏波信號頻率范圍為0.6～6.4Hz，因此設計通帶頻率為0.6～6.4Hz 的帶通濾波器來獲取脈搏波信號是必需的。

帶通濾波器如圖3 所示。其頻率特性如圖4 所示，利用帶寬函數分別求得濾波電路的3dB 帶寬，高通截止頻率和低通截止頻率如圖5 所示。

從頻率測量值可知，該帶通濾波器的帶寬是5.95Hz，頻率范圍是0.45～6.4Hz，滿足應用要求。

圖2 前端放大電路圖

圖3 帶通濾波器電路圖

4 印刷電路板分析

4.1 PCB 板的布局

根據“先大后小，先難后易”的布局原則，單元電路、核心電路應當優先布局。因此將模擬電路模塊的3個LM324 放大器“對稱式”布局，并在Y 軸方向上放置。

MAX232 去耦電容的布局要盡量靠近芯片的電源引腳，并使之與電源和地之間形成的回路最短。這樣可以更好的濾掉電源信號噪聲。如圖6 所示。

本系統需要用到3.3v 和5v 兩個電源網絡，在布局的時候應當考慮把同一個電源網絡的器件盡量放在一起，以便于進行電源分割。

4.2 PCB 板的布線

圖4 濾波電路的頻率響應

圖5 3dB 帶寬

圖6 MAX232

由于脈搏波信號和袖帶壓信號屬于微弱的信號，且為了避免兩個信號之間的串擾，在電路布線的過程中應當避免這兩個信號線平行走線，信號線之間的間距滿足3W 原則。并且同一個信號的線寬盡可能的保持一致，走線選擇最佳路徑。這樣可以降低信號的損耗。

為了避免不同的信號線在相鄰層走成同一方向形成層間的串擾。在血壓檢測系統PCB 的設計過程中，top層和bottom 層的走線應當走成正交結構。

5 結論

本文對血壓監測系統電路進行了分析，并用PSpice仿真軟件驗證了濾波電路設計的可行性。同時分析了血壓監測系統的PCB 板可能存在的電磁兼容問題，設計出合理的電路板如圖7 所示。

圖7 血壓監測系統PCB 版圖

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