基于光電傳感器的脈搏信號采集電路優化設計*

龔中良,李　曜

(中南林業科技大學機電工程學院,長沙 410004)

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基于光電傳感器的脈搏信號采集電路優化設計*

龔中良*,李曜

(中南林業科技大學機電工程學院,長沙 410004)

摘要:簡要介紹了脈搏信號的特點以及以OPT101芯片為核心的光電傳感器的工作原理。設計了一個對脈搏信號進行濾波放大的調理電路并進一步對其優化,優化電路利用差分電路的高共模抑制比的特點,實現對脈搏信號的濾波放大處理。經實驗測試表明,采用優化后的電路能夠在示波器上采集到符合A/D轉換輸入電壓要求的清晰脈搏波波形。此電路具有成本低、結構簡單合理等優點。

關鍵詞:濾波技術;電路設計;光電傳感器;差分電路

人體脈搏信號中包含豐富的生理信息,對臨床具有重大的意義。人體脈搏信號的幅度一般都在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。為了對脈搏信號進行各種處理和顯示,必須首先將信號放大到所要求的強度。而A/D轉換器的輸入范圍為-5 V～+5V,所以模擬信號處理電路必須將脈搏信號放大到-5 V～+5 V。

常見的脈搏信號采集方法有: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光電容積法制成的脈搏傳感器,通過對手指末端透光度的監測,間接檢測出脈搏信號,光電式脈搏傳感器具有結構簡單、無損傷、可重復等優點,為臨床診斷提供強有力的技術支持[3-4]。

很多學者在脈搏信號采集這方面做了研究。侯海良[5]等設計了一種便攜式遠程脈搏信號采集系統,系統采用的是三級運算放大;李晉華[6]在《光電脈搏儀的設計》一文中設計的信號調理電路,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放大來采集脈搏信號;張金榜[1]等設計的脈搏采集硬件電路包括:一級放大電路、調零電路、50 Hz限波電路、帶通濾波電路及二級放大電路脈搏調整電路設計;張凌飛等設計的簡易人體脈搏信號調理電路是通過一個帶通濾波電路來采集脈搏信號[8];陳亮亮[9]采用二階高通、二階低通以及陷波電路來對脈搏信號進行處理。

隨著腕式脈搏血氧儀的相繼出現,對于脈搏采集裝置的硬件集成化要求越來越高。上述幾種電路都只適用于傳統的血氧儀,電子元器件較多,設備體積較大。本文利用差分電路[10]的高共模抑制比的特點以及脈搏信號的特點,設計并優化了脈搏信號采集處理電路。

1　常用脈搏采集電路

脈搏信號阻抗較大,且幅度小,頻率低,極易被噪聲湮沒。因此,對脈搏信號采集電路有如下要求[11]:(1)多干擾下的微弱信號。由于脈搏信號幅度很小,極容易引入干擾,有來自肌體抖動、精神緊張帶來的假象信號等。(2)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,會使脈搏信號有嚴重損失;(3)高增益。脈搏信號屬于微弱信號,只有較高的放大倍數才能對脈搏信號進行數字化處理;(4)高共模抑制比。主要是消除50 Hz的工頻干擾;(5)低漂移。防止高放大倍數的放大電路出現飽和現象;(6)合適的帶寬。以有效地抑制噪聲。

1.1光電脈搏傳感器設計

光發射二極管采用SE2470紅外線發射二極管,在等效驅動電流下功率輸出更大。光接收器件采用新型的光敏器件OPT101,其內部結構如圖1。芯片內部集成光敏器和一級放大電路,有效地抑制了外界電磁信號對原始脈搏信號的干擾,提高脈搏測量精度。

圖1　OPT芯片內部結構

1.2脈搏采集設計

脈搏采集設計電路如圖2所示。

圖2　常用脈搏采集電路

此脈搏采集電路由光發射電路、光接收電路、后級放大電路、50 Hz陷波電路以及二階低通濾波電路組成。光發射電路由SE2470紅外線發射二極管和分壓電阻組成,Vcc由3.0 V電池供電。光接收電路對由脈搏引起的微弱光變化量進行檢測,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生微弱的電流,再通過運算放大器將電流信號轉換為電壓信號,并對其進行放大,輸出為反相信號。光發射與接收電路共同組成光電脈搏傳感器。后級放大電路由一個無源高通濾波器和同相運算放大器組成,無源高通濾波其主要目的是隔離傳感器信號中的直流分量,其截止頻率f=1/(2πRC),選擇適當的R12、C5值,使f=0.5 Hz。濾波后的交流信號經同相運算放大器進行放大,增益A由R2/R5決定,可取A1=100。脈搏信號的頻率在0.5 Hz到20 Hz之間,容易受到50 Hz工頻的干擾,應用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網絡來實現,陷波濾波器的中心頻率計算公式為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,信號中還有一些其他的高頻干擾,通過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,其中心頻率f0=1/(2πRC),其中R=R6=R7;C=C3=C4,選擇適當的R、C值,使f=10 Hz,同時增益可設計為A3=2。此電路總的放大倍數A由A1、A2、A3以及OPT101的增益4者乘積組成,A>200,滿足A/D轉換器的要求。

2　優化設計電路

圖2脈搏采集電路采用的是三級放大,所用電子元器件多,電路結構復雜,沒有充分利用集成運算放大器和差分電路的特性。圖2中C5,R12組成的無源高通濾波其作用是去除信號中的直流分量,抑制脈搏波波形的基線漂移,對此可采用差分電路來去除直流分量及共模信號干擾,同時當存在外界干擾時,屬于共模信號,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,可以在濾波的同時進行放大。而對于50 Hz工頻干擾,由于脈搏信號的頻率主要分布在0.5 Hz～20 Hz之間,可在低通濾波的時候,通過設置元件參數,將其截止頻率設置為10 Hz,50 Hz工頻得到有關效的誤減。同時50 Hz工頻信號也屬于共模信號,經差分輸入再一次得到衰減。運算放大器采用OP07,十分適合于高增益和放大傳感器的微弱信號等方面[12]。故可只利用一級放大電路便能實現常用脈搏采集電路三級放大的所有功能,從而得到清晰的脈搏波波形。

2.1同相放大設計

同相放大設計電路如圖3所示。

電路采用差分形式,有效信號由同相端輸入,反相端信號經R3、C2組成的無源低通濾波,其截止頻率f0=1/(2πRC),其中R=R3,C=C2,選擇適當的R、C值,使f0=0.5 Hz,即只有直流分量通過反相輸入端,脈搏信號由同相輸入端輸入而進行放大。同相端既有脈搏信號又有直流共模分量,而反相端只有直流共模分量,由V0=A(V+-V-)可得,只有脈搏信號得到放大。利用差分電路抑制共模信號的特性,直流共模信號得到有效的濾除,交流脈搏信號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,R6為一個大電阻,可取2 MΩ,防止有效交流信號從支路R4～R8而衰減。C1與R1構成有源低通濾波,截止頻率f0=1/(2πRC),選擇適當的R=R1、C=C1值,使f0=10 Hz。R2=R4以滿足阻抗匹配問題,放大倍數A由R1/R2的比值決定,取R1=2 MΩ。則A=200,滿足A/D轉換器的要求。此電路結構簡單,元件少,只需一級放大。經實驗驗證能夠在示波器上采集到清晰穩定的脈搏波波形。由于,傳感器輸出的是反相信號,此時觀測到的脈搏波波形是反相的,還需經一級反相器或利用軟件使其反相。

2.2反相放大設計電路

從OPT101集成芯片輸出的信號是反相的,圖3電路是同相放大,沒有加反相器,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,更符合電路設計要求,信號是否可從反相端輸入,即只利用一次放大就把所有問題解決。設計電路如圖4。

圖3　同相放大優化設計電路

圖4　反相放大優化設計電路

此電路原理與圖3同相放大電路一樣,各參數也與圖3電路相同,只是此時有效信號從反相端輸入。在各參數不變的情況下,經實驗驗證:在有環境光影響時,利用圖3電路,不能從示波器上觀測到脈搏波形,而在無環境光影響時,可觀測到清晰的脈搏波形。出現此現象的原因為: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,否則就會出現飽和失真,而觀測不到輸出電壓。由輸出電壓V0=A(V+-V-)可知,當光接收電路會受到環境光的影響,有環境光影響時V-增大,在電平抬升電路的作用下,V->V+,V0<0。出現負飽和失真,故采集不到脈搏波形。而在無光環境影響時,則不會出現此情況。對此,可將電路中的R2用變位器替代后,通過調節R2電阻值,改變偏置電壓值,可找到一個臨界電阻值,可解決上述問題,滿足在有光和無光環境下均可采集脈搏信號。經驗驗證,此電路同樣可用來采集脈搏信號,并且不需后續的反相電路。

3　測試結果與結論

在電路設計完成以后,接下來的任務便是測試電路的準確性和穩定性。將手指尖放到光電傳感器上,接收到的紅外光強度轉換成微弱的電壓信號,且有很多雜波。傳感器輸出的信號經上述電路濾波放大,我們這里放大近200倍。在有環境光與無環境光的條件下,輸出電壓都是3 V左右,且波形無明顯的雜波,此時我們就可以將該信號輸入到A/D卡進行采樣了。

上述2種優化脈搏采集電路,充分利用激光二極管和集成化光敏器件OPT101和差分運算放大器高共模抑制比的特點,實現了脈搏采集電路的改進,電路結構得到簡單化,電子元器件少量化,對于硬件的集成與產品的便攜式提供了很好的參考意義。試驗表明,采用上述電路,能夠得到較理想的脈搏波形。改進后的電路,可以進行二次開發,實現對低頻小信號的有效濾波放大,可用于生物信號處理以及小型移動醫療設備中。

參考文獻:

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[11]劉濤,趙艷飛,劉志剛,等.基于STC89C51的多通道脈搏采集系統設計[J].現代電子技術,2011,34(15):150-154.

[12]鄭萬挺,陳付毅.光電脈搏血氧心率儀電路設計[J].電子器件,2010,33(6):786-789.

龔中良(1965-),男,漢族,湖北人,中南林業科技大學機電工程學院教授,研究方向為機械電子工程專業,gzlaa@163.com;

李曜(1989-),男,漢族,湖南益陽人,中南林業科技大學在讀碩士,研究方向為機械電子工程,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:TN713.8

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0658-04

收稿日期:2013-08-27修改日期:2013-11-05

項目來源:湖南省科技計劃項目(2012GK3144);中南林業科技大學研究生科技創新基金項目(CX2014B12)