脉搏信号调理电路设计*

张金榜，刘 军，齐 华

（武警工程大学 研究生管理大队，陕西 西安710086）

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，具有重要的生理参考和诊断参考价值[1-2]。但脉搏信号属于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刺激（环境、温度）的干扰，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[3-4]。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

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提出如下要求：（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甚至畸变；（2）高增益：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：使之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[5]。

1.2 调理电路设计方案

基于脉搏信号的上述特征，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[6]。

2 硬件电路设计

2.1 一级放大电路设计[7-8]

一级放大电路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，增益可通过改变引脚1和引脚8之间的电阻来调节，计算公式如下：

脉搏信号和噪声同时经过这一级电路放大，如果放大倍数过大，噪声也被放大。如果噪声幅度过大，则不利于后级处理，即后级难以有效消除噪声。所以，一级放大电路放大倍数不宜过大，本级增益设置为11，此时引脚1和引脚8之间接一个精度为0.01%、阻值为4.99 kΩ的金属膜电阻。

2.2 调零电路设计

调零电路实现进一步抑制由于肌肉抖动、人体紧张、呼吸颤抖等因素引起的基线漂移的功能，从而保证在输入为零的时候，整个电路的输出为零。本电路采用广泛应用的同相端调零电路，如图3所示。

此电路中，调整电压加在同相输入端。考虑到经一级放大电路处理后的脉搏信号是毫伏级，此处设置R3和 R5的阻值分别为 100 kΩ 和 500 Ω， 构成 200：1的分压电路，R5两端将得到失调电压调整范围由下式决定：失调电压调整范围=±Vss(R5/R3)，其中 Vss为±3.3 V，R5两端将得到±16.5 mV的失调电压调整范围，能够满足调零要求[9]。

2.3 工频限波电路设计

本文采用有源双T带阻滤波电路来抑制脉搏信号测量中的50 Hz的工频干扰，电路原理图如图4所示。有源双T陷波电路的传递函数为：

其中s为复变量。

陷波电路的截止频率为50 Hz，即：

表1 常见仪表放大器特性比较

2.4 带通滤波电路设计[10]

人体正常的脉率为 60次/min～100次/min，即 1 Hz～1.67 Hz，不同人的脉搏频率可能不一样，但最高频率不超过40 Hz。从脉搏功率谱的能量分布来看，99%的能量集中在0.5 Hz～10 Hz之间。脉搏信号的最低频率只有0.5 Hz；为降低信号因相移产生的线性失真，其低频截止频率要达到最低频率的1/10，即0.05 Hz；其最高频率不超过40 Hz，故高频截止频率选择40 Hz。该电路的频带范围大约是0.05 Hz～40 Hz，该范围内包含了脉搏信号的主要能量成分，能将脉搏信号的有用成分从采集到的信号中分离出来。

经比较分析有源滤波器和无源滤波器的性能特点，结合脉搏信号频率较低的特点，本文选用有源滤波器。

2.4.1 高通滤波器的设计

本文高通滤波电路采用二阶Sallen-Key高通滤波电路，电路如图5所示。

本文需要设计的高通滤波器的截止频率为0.05 Hz，即：

2.4.2 低通滤波电路设计

脉搏信号具有近似脉冲波形的特征，为保证其不失真放大，必须充分考虑滤波器的相位特性。有三种典型的滤波器：巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器。其中，贝塞尔滤波器具有线性相移特性，最适用于脉搏信号的滤波处理。巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器都会引起脉搏波形失真[11]。本文设计采用二阶贝塞尔有源低通滤波器，能获得较好的高频衰减特性和失真特性，可以减小输出波形在上升沿和下降沿出现的小幅过冲，实现对脉搏信号不失真地放大，具体电路如图6所示。仿二阶高通滤波电路可得该电路的截止频率为：

通过计算选取：R13=60 kΩ，R14=60 kΩ，C8=C9=0.12 μF。

2.5 二级放大电路设计

脉搏信号属于微伏级信号，即使经过性能优良的传感器得到的信号也只是毫伏级。经前级电路处理后的脉搏信号幅度小，不能满足A/D转换的需求，需要对其进一步放大，才能与A/D转换单元的输入范围匹配，从而减小量化误差。经分析对比，该放大电路选用OP2177集成芯片，它具有噪声低、增益精度高和线性度好的优势，可满足对信号进一步放大的需求。具体电路如图7所示。一级放大电路对信号放大11倍，本二级放大电路放大200倍，本级输出的信号基可以达到1 V左右，能够满足信号采集的要求。

3 实验结果及分析

3.1 测试过程

硬件电路设计完成后，进行硬件实际测试。输入信号采用安捷伦函数发生器，该发生器具有幅值范围宽、精度高、可靠的优点，用安捷伦示波器观察信号调理电路的输出波形。

3.2 结果与分析

输入信号的频率为1.2 Hz，幅值为0.01 mV～1 mV(模拟正常脉搏信号的频率和幅值)，具体实验结果见表2。实验结果表明，输出波形稳定，波动范围为2 mV～20 mV，相对较小。实际测试表明，整个电路输入阻抗可达15 MΩ，共模抑制比大于 100 dB，噪声小于 0.1 μV，对微弱的脉搏信号有良好的滤波、放大效果，且能满足A/D转换的要求。

脉搏信号调理电路的性能决定了整个脉搏检测系统的可靠性与稳定性。本文重点依据脉搏信号的特点，针对性地选择元器件，并对所设计的硬件电路进行测试。实验结果表明，该电路具有较好的滤波、放大性能，且满足A/D转换的要求，进而提高了脉搏信号检测的可靠性。

表2 硬件电路输入/输出性能测试结果

[1]李向东，乐建威，王新图.脉搏波信号分析方法的研究进展[J].数据采集与处理，2009，24(S)：29-33.

[2]王芳，吴效明.基于ZigBee的无线传输脉搏检测系统设计[J].医疗卫生装备，2009，30(6)：21-22，25.

[3]卢超.脉搏检测实验装置的研制[J].实验室研究与探索，2010，29(29)：41-44.

[4]郭世富，马树元，吴平东，等.基于ZigBee无线传感器网络的脉搏信号测试系统[J].计算机应用研究，2007，24(4)：258-260.

[5]王智洁，和卫星，吕继东.便携式无线心电采集装置的研究及实现[J].电子技术与应用，2010，36(11)：95-96.

[6]李亭亭.运动员生理信号的采集和数据分析系统的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2008.

[7]徐诚，董圣男，刘成.基于蓝牙技术的脉搏波检测系统设计[J].电子测量技术，2009，32(10)：88-91.

[8]郁丽，郭勇，赖武刚，等.生命状态远程监视及定位系统的研究[J].电信科学，2010(3)：74-78.

[9]任冠中.基于ARM7的多路生理信号监护系统设计[D].内蒙古：内蒙古大学，2011.

[10]张凌飞，刘承桥，王岩.简易人体脉搏信号调理电路的设计[J].科技信息，2011(11)：103-104.

[11]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程—模拟电子线路设计[M].北京：电子工业出版社，2007.