微弱信号采集处理电路研究

摘要：文中介绍了一种医学用的检测信号的采集处理电路，它能够准确的将微弱信号放大，具有精度高、噪声低、高抗干扰能力、低漂移、高稳定性、线形与保真度好、有合适的输入与输出阻抗、响应快、可靠性与经济性等优点。

关键词：血小板聚集；微弱信号；处理电路

中图分类号：G712？摇 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）01-0173-02

由血小板聚集功能异常可检测出因聚集功能低下所造成的出血倾向疾病，或因聚集功能过高所形成的血栓，诊断血栓栓塞并发症，如中风、心梗等疾病元监测，并可提早预防避免发生。同时可用于研究，如血小板药物学研究、中西药节选抗血小板药物之测定研究中医药活血化淤机理等。全血经低速离心，去除红细胞、白细胞，制备富含血小板血浆（PRP）。在特定的连续搅拌条件下于富含血小板血浆（PRP）中加入诱导剂时，由于血小板发生聚集，悬液的浊度就会发生相应的改变，光电池将浊度的变化转换为电信号的变化，在记录仪上予以记录，根据聚集曲线可计算出血小板聚集的程度和时间。

一、总体设计

1.整体设计。上述血小板聚集功能检测过程很容易受到外界电信号和客观环境的干扰，为了抗干扰，准确的采集有用信号，应系统采用调制解调电路。调制电路使用的是光电调制，解调电路采用精密整流型相敏检波电路。整体设计主要包括激励电路、采集电路、调理电路三部分，功能主要是进行检测信号的采集。整个硬件功能齐全，结构简单，成本低廉，易生产。

2.影响检测精度的因素。①机械定位的准确性。根据检测的原理，检测装置的光电发射与光电接收的光轴应一致，因此要求发射部件与接收部件应该水平，中心对应，并且为了避免引入杂光，发射部件与接收部件都一定要采用黑色阳极氧化的工艺，且光轴应在试样中心。另外，我们设置了4条并行的检测通道，为了达到一致性，要求各通道发射部件发射的光束平行，光强一致，发射部件的发射面积相同，同时各接收部件的接收面积也要相同，这就对机械定位要求很高，这将直接影响检测的重复性、一致性。②供电电压的稳定性。按照检测原理我们知道供电电压一个微小变化就会改变检测结果。为了滤出供电电压的干扰，我们设置了4条并行的检测通道和一个参考通道，所有通道的硬件电路完全相同，只是检测通道的激励光源发出的光线透过检测血液照射到光电池上，而参考通道光线是直接照射到光电池上的，这样采用差动的方法就可以有效地滤除电源的窜扰信号，提高检测的精度。③标准容器的误差。检测中使用的反应试管的透光率也会引起检测误差，这个透光率误差是与更高精度的标准容器比对修正而得到的，这里我们未做任何补偿，进行总体系统误差分析时不能忽略。

二、电路设计

1.激励电路。本系统是使用双光束发光二极管来作为激励光源，分别能发出波长为405纳米的蓝光和660纳米的红光，这样既能满足多种血液检测项目检测光源波长不同的要求，又能降低电路的成本。但这样易于受到外界自然光的影响，而检测信号又均为微弱信号，因此为了减少噪声，提高检测精度，我们一方面对仪器装置做了准确的机械定位，一方面对光源进行了调制。因而该部分电路包含有两部分：一部分是振荡电路，一部分是光电调幅调制电路。①振荡电路。这里采用RC正弦波振荡电路，稳幅环节采用的是稳压管，后面又采用了滞回比较器电路将一定频率的正弦波信号变为方波信号来作为载波信号。这样可以消除振荡效应，提高电路的抗干扰能力，保证信号同步。这里注意运放参数的选取，滞后的范围不宜过小，否则会降低抗干扰的能力，但也不宜过大，否则将会影响调解参考信号与调制信号的相位关系，对相敏解调不利。②调制光源。这里检测的信号变化微小，很容易淹没到噪声信号中，我们加了调制解调。本系统中使用的是光电调幅调制电路，将方波信号作为载波，发光二极管光强的变化为调制信号。由于检测信号的频率不太高，载波信号频率应大于调制信号频率的10倍以上，方能得到一个良好的调制效果。

2.采集电路。这里采集电路包括光电接收转换电路和精密相敏解调电路两部分，其中的光电接收转换电路为关键部分，它将直接影响电路的成功与否。①光电接收与转换电路。这里我们采用的检测传感器为硅光电池，它价格便宜、寿命长、性能稳定。我们通过硅光电池来讲透过检测试剂光强的变化转化为电流的变化，再通过一定的电路将电流的变化转化为电压的变化。因为电压变化信号微小，且检测信号的频率较低，我们选用OP27运算放大器对信号进行去噪和放大处理。OP27精密运算放大器兼有低失调电压和漂移特性与高速、低噪声的特性。失调电压低至25μV，最大漂移为0.6μV/°C，因而该器件是精密仪器仪表应用的理想之选。极低噪声（10Hz时en=3.5nV/√Hz），低1/f噪声转折频率（2.7Hz）以及高增益（180万），能够使低电平信号得到精确的高增益放大。8MHz增益带宽积和2.8V/μs压摆率则可以在高速数据采集系统中实现出色的动态精度。②精密相敏解调电路。精密相敏检波电路具有判别信号相位和频率的能力，能够提高抗干扰能力，所以我们选用它。相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。在本电路设计中，采用方波信号作参考信号。这时输入信号不是与单位参考信号相乘，而是与归一化的方波载波信号相乘。这时的输出电压对所有的n为偶数的偶次谐波，输出为零；而奇次谐波的传递系数随谐波增高而衰减，因而相敏检波电路具有抑制高次谐波干扰的能力。

3.调理电路。我们设计采用一阶有源低通滤波电路来作为调理电路，具体的做法是在一阶RC低通电路的输出端，再加上一个同相比例放大电路，使之既能起放大作用，又与负载很好隔离开来。

从幅频响应来看，一阶滤波器的效果还不够好，它的衰减率只是20dB/十倍频。我们后面还设计了数字滤波再进行更深层次的滤波。

实验结果表明该信号采集系统在凝血检测单通道的重复性和多通道的一致性方面均达到检测规程的要求，但对检测系统的安全性和稳定性还需进行运行可靠性分析和其他相关的运行评定。从检测结果可以看出该技术设计方案是切实可行的，在技术上和经济上都具有比较高的优越性。

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作者简介：周冀馨（1981-），女，天津人，天津电子信息职业技术学院，讲师，硕士，研究方向：电气自动化。endprint