心率計信號處理電路的設計與仿真

沈陽工學院 姜德文 李 鶴

心率計信號處理電路的設計與仿真

沈陽工學院 姜德文 李 鶴

心率計是測量心臟體征常用的一種儀器，由于測量要求高，所以其安裝的傳感器靈敏度非常高，抗干擾能力弱。因此需要對輸入信號進行處理，才能輸出需要的心率信號。本文給出了一種處理微弱傳感器信號的電路解決方案。

multisim仿真；微弱信號處理；心率計

1 引言

一般的心率計的輸出信號都在毫伏級并且伴隨許多干擾和不需要的信號，引入信號處理電路可以有效的解決這個問題，將不需要的信號去除，將需要的信號放大，得到可供儀器接收端識別的信號。心率計的傳感器大多以壓電傳感器制作而成。本次設計對pdvf壓電膜傳感器輸出信號進行處理。用交流電源模擬傳感器輸入，并進行電路整體分析。

2 信號處理電路組成及選擇

電路整體分析：心率計所使用的壓電傳感器是一種靈敏度非常高的元件，當有非脈搏壓力時，就會有5毫伏左右的不規(guī)則的脈沖信號輸出。在測試心率時，傳感器的輸出信號中夾雜著許多上述的干擾信號，導致接收端不能判別心率信號。其次，傳感器的輸入電阻相對較大。基于這些特點，首先用運算放大電路對信號進行放大，然后用濾波電路將高頻率的脈沖去除，最后將帶有干擾的低頻信號進行整形處理，輸出穩(wěn)定的心率信號（見圖1）。

圖1 原理框圖

3 電路元件選擇與數(shù)值計算

3.1 各級電路設計

1)放大電路：由于傳感器的輸入電阻一般都在幾兆歐以上，相對較大，所以這里采用兩級同相比例放大電路進行信號放大。一般的運放模塊都可以滿足要求，但是考慮造價以及供電問題，本次設計采用lm324模塊。

2)濾波電路：同樣以lm324模塊為基礎設計一個二階低通濾波電路。

3)整形電路：因為濾波后的電路還存在低頻的干擾，利用遲滯比較器可以有效的將濾波形進行整理，輸出穩(wěn)定的脈搏信號。這里選用lm339模塊。

3.2 數(shù)值計算

在電路的設計中，根據需要利用同相比例運算放大電路以及低通濾波截止頻率的計算，需要用到的公式如下：

同向比例運算放大電路放大：

Uo與Ui同相：根據“虛短”和“虛斷” 得到：

Uo=（1+Rf/R1)U- =（1+Rf/R1)Ui

濾波電路的傳遞函數(shù)：

通帶電壓放大倍數(shù)：

截止頻率f0和3dB截止頻率fc：

根據定義，當f=fc時，應有：

根據上述公式得：要實現(xiàn)一級放大20倍：Rf=20kΩ；R1=1kΩ。二級放大10倍：Rf=100kΩ；R1=10 kΩ。濾波截止頻率25Hz，則C1=C2=2.2μF；R1=R2=15kΩ；R3=10kΩ；R4=6kΩ 。

4 電路仿真

仿真電路圖如圖2所示，該電路一級放大20倍，二級放大10倍，濾波電路截止頻率5Hz，整形電路門限電壓為0V。適用于處理輸入電壓在5mv到20mv之間；輸入頻率在1Hz到30Hz的傳感器輸出信號。

圖2 總體電路圖

圖3 仿真波形圖

仿真波形如圖3所示，信號輸入為電壓5mv，頻率1Hz的正弦波。輸出為電壓1v，頻率1Hz的方波。輸出電壓共放大200倍，有穩(wěn)定的輸出信號。

5 電路分析

整個電路實現(xiàn)了對傳感器輸入信號的接收，經過多級處理后，能夠輸出可供其他儀器應用的波形。并且針對不同型號的傳感器輸入信號，可以通過對電路的調整來實現(xiàn)對輸入信號的合適處理。首先放大電路的電壓放大倍數(shù)，可根據不同的放大倍數(shù)來調整Rf來實現(xiàn)放大倍數(shù)的變換。濾波電路也是可調的，其截止頻率可以根據傳感器輸入的頻率來調整，當出現(xiàn)輸出信號被削弱則說明截止頻率太低。調節(jié)截止頻率時，只需對電路中的R1、R2進行調節(jié)即可，盡量保持兩電阻阻值相同。整形電路也可根據需要進行調節(jié)，針對要研究的信號位置不同，可調節(jié)高頻和低頻信號輸出寬度。整個電路供電一級采用單電源+9v供電，其余級模塊采用雙電源+9v、-9v供電。當對電路中的電阻值進行更改后，若輸出波形失真，應適當加大電壓。

6 結束語

電路實現(xiàn)了對傳感器信號的放大、濾波、整形。可以對傳感器的不規(guī)則信號進行處理，去除不需要的信號，輸出可供接收端使用的穩(wěn)定信號。同時可以根據不同的傳感器輸入信號，能供通過更改電路內部電阻值等，使電路仍然能夠正常工作。

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姜德文，男，遼寧人，在讀本科生，研究方向：傳感器信號處理。

李鶴（通訊作者），男，沈陽工學院信息與控制學院專業(yè)教師，研究方向為人工智能，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。