光電脈搏信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

光電脈搏信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)一、前言脈診在我國(guó)已具有2600多年臨床實(shí)踐，是我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)的精髓，但祖國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)采用“望、聞、問(wèn)、切”的手段進(jìn)行病情診斷，受人為的影響因素較大，測(cè)量精度不高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈搏測(cè)試不再局限于傳統(tǒng)的人工測(cè)試法或聽(tīng)診器測(cè)試法。利用血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點(diǎn)，可通過(guò)傳感器對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，這種技術(shù)具有先進(jìn)性、實(shí)用性和穩(wěn)定性，同時(shí)也是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展方向。本文將詳細(xì)介紹…種光傳導(dǎo)式的脈搏信號(hào)檢測(cè)電路，并說(shuō)明所涉及到的問(wèn)題和方法。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)計(jì)及意義設(shè)計(jì)制作一個(gè)光電脈搏測(cè)試儀，通過(guò)光電式脈搏傳感器對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè)，間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)，并在顯示器上顯示所測(cè)的脈搏跳動(dòng)波形，要求測(cè)量穩(wěn)定、準(zhǔn)確、性能良好。2設(shè)計(jì)思想(1)傳感器：利用指套式光電傳感器，指套式光電傳感器的換能元件用硅光電池，由于心臟的跳動(dòng)，引起手指尖的微血管的體積發(fā)生相應(yīng)的變化(當(dāng)心臟收縮時(shí)，微血管容積增大；當(dāng)心臟舒張時(shí)，微血管容積減少),當(dāng)光通過(guò)手指尖射到硅光電池時(shí)，產(chǎn)生光電效應(yīng)，兩極之間產(chǎn)生電壓由于指尖的微血管內(nèi)的血液隨著心臟的跳動(dòng)發(fā)生相應(yīng)于脈搏的容積變化，因而使光透過(guò)指尖射到硅光電池時(shí)也發(fā)生相應(yīng)的強(qiáng)度變化，而非血液組織(皮膚、肌肉、骨格等)的光吸收量是恒定不變的，這樣就把人體的脈搏(非電學(xué)量)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)于脈博的電信號(hào)，方便檢(2)按正常人脈搏數(shù)為60~80次/min,老人為100~150次/min,在運(yùn)動(dòng)后最高跳動(dòng)次數(shù)為240次/min設(shè)計(jì)低通放大器。5Hz以上是病人與正常人脈搏波體現(xiàn)(3)測(cè)量中考慮到并要消除的干擾有：環(huán)境光對(duì)脈搏傳感器測(cè)量的影響、電磁(4)由于透過(guò)指尖射到硅光電池的光強(qiáng)很小，輸出短路電流約為0.luA～3uA,所以總共放大10倍以便于觀(guān)察。傳感器得到的脈搏信號(hào)極為微弱，很容易淹沒(méi)在噪聲及干擾信號(hào)之中，所以對(duì)取得的微弱信號(hào)先進(jìn)行放大后再濾波。設(shè)計(jì)兩極放大，因?yàn)槿?jí)放大個(gè)別電路板的零點(diǎn)漂移大得足以達(dá)到滿(mǎn)幅，測(cè)量不準(zhǔn)確。每個(gè)單級(jí)放大器的放大倍數(shù)不大于30,以免自激振蕩。(5)所選的電阻參數(shù)要盡量精確，IC選用偏置電流小、輸入失調(diào)電壓小的運(yùn)(1)傳感器：將脈搏的跳動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，放大10?倍。(2)一級(jí)放大電路：對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大，放大約20倍(3)二階低通濾波電路：濾除干擾信號(hào)并進(jìn)一步放大，再放大約20倍。4單元電路的設(shè)計(jì)(1)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖，換能元件為硅光電池，脈搏信號(hào)的拾取實(shí)際上是光透過(guò)指尖射到硅光電池時(shí)發(fā)生相應(yīng)的強(qiáng)度變化，從而產(chǎn)生硅光電池電流的微弱變化，再經(jīng)過(guò)放大而得到的。所拾取的信號(hào)為電壓信號(hào)。電路的輸出為：Vi=-ig●R?R1過(guò)大，穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生漂移誤差，影響增益精度，考慮到靈敏度和線(xiàn)性度的協(xié)調(diào)，選Ri=22KΩ,使得輸出達(dá)到mv級(jí)。為了抑制高頻干擾和消除運(yùn)放輸入偏置電流的影響,接入電容Cl、電阻R2和電容C?.電容的取值是基于脈搏信號(hào)的頻率考慮的。(2)一級(jí)反向放大電路十理想放大倍數(shù)為倍。0.707倍零頻增益高頻轉(zhuǎn)折頻率：低頻特性滿(mǎn)足條件，不影響有用信號(hào)。5整體電路為：LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如上圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立，引腳排列見(jiàn)圖：共模抑制比：典型值80dB失調(diào)電壓：典型值7μA,最大值30μA失調(diào)電流：典型值10PA,最大值200PA整體電路僅采用一個(gè)LM324,且電阻值只用到22KΩ和500KΩ兩種電總的理想放大倍數(shù)為4×10,截止到14赫茲左右，基本滿(mǎn)足脈搏信號(hào)的拾將輸入兩端短路，接入工作電壓，用萬(wàn)用表測(cè)得輸出電壓為390mv,低于500mv基本滿(mǎn)足條件。測(cè)得輸出約為2V,所以硅光電池輸出短路電流變化量約為1～2μA。根據(jù)觀(guān)察可得在脈搏信號(hào)強(qiáng)的部分如5HZ時(shí)放大22倍，且截止頻率在30HZ左4、后級(jí)濾波加放大幅度N幅度N+圖3二級(jí)低通放大器5據(jù)觀(guān)察得截止頻率在10HZ左右，且在50HZ時(shí)輸出只有5HZ(脈搏信號(hào)較強(qiáng)時(shí))幅度N幅度N脈搏信號(hào)的主峰頻率在1HZ左右，但由于示波器的缺陷，不能觀(guān)察放大器和濾波器在低頻時(shí)的放大情況，使得數(shù)據(jù)有點(diǎn)模糊。由于示波器為直流耦合，所以直流電平漂移很?chē)?yán)重，這就要求受試者一定要平微血管床。由于放大倍數(shù)較大，入射光強(qiáng)不要太強(qiáng)，否則會(huì)使輸出飽和，且不同的人脈搏波強(qiáng)度不同，為適應(yīng)不同條件下的檢測(cè)，最好的辦法是把一