血压监护系统的电路分析和印刷电路板设计

温家宝，刘 悦，张金玲，舒 磊，杨欢欢

（北京邮电大学 电子工程学院，北京 100876）

引言

血压是人体重要的生理指标之一，合适的血压是维持人体正常新陈代谢的必要条件。同时，血压的高低也反映了人体心脏和血管的功能状况。血压监测对防病治病及早发现疾病都具有重要意义。另外，临床上还常需要对危重病人和手术中的病人实行血压的连续监护，以防病人出现意外，也便于医护人员及时采取措施。电子血压计具有易于携带操作简便的特点。因此电子血压计在人们的生活中得到广泛的应用。

我们设计的电子血压计采用示波器法，示波法测量原理是用充气袖袋阻断动脉血流，在放气过程中检测袖袋内气体的振荡波。振荡波起源于血管壁的搏动，当袖袋内压(静压)大于收缩压时，动脉被关闭，此时因近端脉搏的冲击而呈细小的振荡波；静压小于收缩压时，则波幅增大；静压等于平均动脉压时，动脉壁处于去负荷状态，波幅达到最大值；静压小于平均动脉压时，则波幅逐渐减小；静压小于舒张压以后，动脉管腔在舒张期已充分扩张，管壁刚性增加，因而波幅维持较小的水平。

1 压信号采集系统设计要求

1.1 增益

因为我们选择的MSP430 单片机的A/D 参考电压为0～3V,传感器的信号电压在0～75MV,因此我们需要设计前端放大电路对传感器的信号进行放大以满足单片机A/D 采样信号的需要。在电路设计时，为了抑制电路信号的零点漂移，进一步提高共模抑制比，我们采用了差分放大电路。

1.2 频率响应

传感器信号包括袖带压信号和脉搏波信号。它们不是简单叠加在一起的，其中还夹杂着高频干扰和一些低频分量，我们所需要的脉搏波信号的频率范围是在0.6～6.4Hz，为此需要设计0.6～6.4Hz 的带通滤波器来获得脉搏波信号。

2 前端放大电路

2.1 放大电路放大器的选型

放大电路的放大器我们选用常见的LM324，LM324系列由四个独立的具有高增益和内部频率补偿的运算放大器组成，应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器。内部结构图见图1。

2.2 放大电路分析

前端放大电路如图2 所示，采用差分放大来抑制电路信号的零点漂移，进一步提高共模抑制比。图2 可以分为驱动电路、放大电路、减法器电路3 块区域进行分析说明。

由R1，R2，R3 和OP1 所组成的定电流源。I3 是驱动Sensor 的电流，供给OP1 电源为6v，供给Sensor电流为0.8mA。这样可以保证0mmHg 时模拟输出时0V,300mmHg 时是3V。I3 的值由公式（1）得到

放大电路由RA,RB,R4,R5,Rvr1，OP2,OP3,OP4 组成，将Sensor 信号加以放大。（Vin2-Vin1）为Sensor 输入电压,由公式（2）可以得到OP4 的输出电压V01。

图1 LM324 的内部结构图

减法电路由R6，R7，R8，R9，Rvr2，OP5 组成，它的作用是将放大得到的信号调整到所需要的电压值。Vout 的计算公式如下

3 滤波电路

压力传感器信号有袖带压信号和脉搏波信号,其中还夹杂着来自外界的高频干扰和低频分量,既包含高频干扰又包含低频干扰,而我们需要的脉搏波信号频率范围为0.6～6.4Hz，因此设计通带频率为0.6～6.4Hz 的带通滤波器来获取脉搏波信号是必需的。

带通滤波器如图3 所示。其频率特性如图4 所示，利用带宽函数分别求得滤波电路的3dB 带宽，高通截止频率和低通截止频率如图5 所示。

从频率测量值可知，该带通滤波器的带宽是5.95Hz，频率范围是0.45～6.4Hz，满足应用要求。

图2 前端放大电路图

图3 带通滤波器电路图

4 印刷电路板分析

4.1 PCB 板的布局

根据“先大后小，先难后易”的布局原则，单元电路、核心电路应当优先布局。因此将模拟电路模块的3个LM324 放大器“对称式”布局，并在Y 轴方向上放置。

MAX232 去耦电容的布局要尽量靠近芯片的电源引脚，并使之与电源和地之间形成的回路最短。这样可以更好的滤掉电源信号噪声。如图6 所示。

本系统需要用到3.3v 和5v 两个电源网络，在布局的时候应当考虑把同一个电源网络的器件尽量放在一起，以便于进行电源分割。

4.2 PCB 板的布线

图4 滤波电路的频率响应

图5 3dB 带宽

图6 MAX232

由于脉搏波信号和袖带压信号属于微弱的信号，且为了避免两个信号之间的串扰，在电路布线的过程中应当避免这两个信号线平行走线，信号线之间的间距满足3W 原则。并且同一个信号的线宽尽可能的保持一致，走线选择最佳路径。这样可以降低信号的损耗。

为了避免不同的信号线在相邻层走成同一方向形成层间的串扰。在血压检测系统PCB 的设计过程中，top层和bottom 层的走线应当走成正交结构。

5 结论

本文对血压监测系统电路进行了分析，并用PSpice仿真软件验证了滤波电路设计的可行性。同时分析了血压监测系统的PCB 板可能存在的电磁兼容问题，设计出合理的电路板如图7 所示。

图7 血压监测系统PCB 版图

[1]杨晓慧 .电子技术EDA 实践教程[M].北京：国防工业出版社，2005.

[2]李东生 .信号与电子系统原理及EDA 仿真[M]. 合肥：中国科技学技术出版社, 2000.

[3]樊文琪.电磁兼容设计（五）[J].电子质量，1999（4）.

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