脉搏信号调理电路的设计_脉搏信号采集电路

　　摘 要：脉搏作为人体重要的生理及病理参数之一，其信号具有重要的研究价值。针对其信号微弱、频率低且易受干扰的特点，文中首先提出了信号调理电路设计的要求，然后有针对性地选择元器件并设计硬件电路，最后对所设计的硬件电路进行实际测试。结果表明该调理电路具有输出波形稳定、噪声小和共模抑制比高的特点，提高了脉搏信号采集的精度。
　　关键词：脉搏；信号调理；电路设计
　　Design of Circuit for Conditioning the Pulse Signals
　　ZHANG Jin-bang，LIU Jun
　　（Graduate Management Team，Engineering University of CAPF，Xi"an 710086）
　　Abstract: Pulse is one of the most important index of the human physiology and pathology，and provided with important medical researchful value . Basede on the characteristic of weak，low frequency and easily can be disturbed of pulse signals. The request of conditioning circuit for pulse signals is proposed，and the necessary compinents are elected in accordance with the characters of pulse，and the circuit is design. There are the circuit of prepose amplification，the circuit of zero，the circuit of restricting the signals 50 Hz，the circuit of band-pass filter and the circuit of secondary amplification. The circuit of hardware designed has been tested，and the measurement shows that the conditioning circuit of pulse signals possesses the advantages of high CMMR(common model restrain ration)，low noise，the output is stabilization，and has enhanced the precision of collection for pulse signals.
　　Keywords: pulse; conditioning signals; design of circuit
　　脉搏是人体的重要生理参数之一，它携带了丰富的生理和病理信息，具有重要的生理和诊断参考价值[1-2]，但脉搏信号在强噪声背景下的低频微弱信号，具有随机性强、频率低的特点，极易受到检测系统内部噪声和外界环境(环境、温度)的干扰，因此必须对检测到的脉搏信号做一系列的处理(滤除噪声和干扰)，才可获得高保真的脉搏信息，为进一步从医学角度分析研究脉搏信息提供准确、有效的数据源。因此，研究脉搏信号调理电路对整个脉搏信号检测系统具有十分重要的意义。
　　1 调理电路总体设计
　　脉搏信号幅度小、频率低，极易被噪声湮没，减少甚至消除这些噪声干扰是有效识别脉搏信号特征参数的因素。信号调理电路作为信号采集单元的重要组成部分，其稳定性和可靠性直接决定了脉搏信号的真实性与有效性。
　　1.1 调理电路设计要求
　　脉搏信号取自人体浅表动脉，信号源阻抗较大，且幅度小、频率低，极易被噪声湮没。因此，对脉搏信号调理电路有如下要求：(1)高输入阻抗。由于信号源阻抗较高，脉搏信号很微弱，若输入阻抗不高，经分压后信号会更小，会使脉搏信号有严重损失；(2)高增益。脉搏信号属于微弱信号，只有较高的放大倍数才能提高脉搏信号采集的精度；(3)高共模抑制比。主要是消除市电50 Hz的工频干扰；(4)低噪声。使噪声信号不湮没信号微弱且信噪比低的脉搏信号；(5)低漂移。防止高放大倍数的放大电路出现饱和现象；(6)合适的带宽。以有效地抑制噪声，防止采样混叠；(7)高安全性。确保人体的绝对安全，主要对电气特性的要求。
　　1.2 调理电路设计方案
　　基于脉搏信号的上述特征和调理电路设计要求，本文设计的高性能脉搏信号调理电路由一级放大电路、调零电路、工频限波电路、带通滤波电路和二级放大电路组成，其原理框图如图1所示。
　　调理电路的工作流程为，一级放大电路对检测到的脉搏信号，进行线性放大，经调零电路抑制零漂后，传送至限波电路和带通滤波电路，滤除杂波干扰信号；再经二级放大电路送至A/D转换部分进行信号采样。
　　2 硬件电路设计
　　2.1 一级放大电路设计[9-10]
　　一级放大电路是调理电路设计中的第一个关键点，实现对检测到的脉搏信号进行线性放大和抑制干扰信号的功能，其性能的优劣直接决定了后续系统对数据分析处理的真实性。针对脉搏信号的特点，应当采用适当增益、低功耗、低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比、线性工作范围宽和低零点漂移的并联差动三运放仪表放大器。目前比较常见的用于脉搏信号检测的仪表放大器有INA111、INA118、INA128、AD8553和AD620。其主要特性比较如表1所示。
　　针对脉搏信号采集的要求，经综合分析比较，本电路选择体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广的AD620作为一级放大电路的主体芯片。具体电路如图2所示。AD620使用方便，增益可通过改变放大器第1和第8引脚之间的电阻来调节，计算公式如下