基于光电传感器的脉搏信号采集电路优化设计*

龚中良,李　曜

(中南林业科技大学机电工程学院,长沙 410004)



基于光电传感器的脉搏信号采集电路优化设计*

龚中良*,李曜

(中南林业科技大学机电工程学院,长沙 410004)

摘要:简要介绍了脉搏信号的特点以及以OPT101芯片为核心的光电传感器的工作原理。设计了一个对脉搏信号进行滤波放大的调理电路并进一步对其优化,优化电路利用差分电路的高共模抑制比的特点,实现对脉搏信号的滤波放大处理。经实验测试表明,采用优化后的电路能够在示波器上采集到符合A/D转换输入电压要求的清晰脉搏波波形。此电路具有成本低、结构简单合理等优点。

关键词:滤波技术;电路设计;光电传感器;差分电路

人体脉搏信号中包含丰富的生理信息,对临床具有重大的意义。人体脉搏信号的幅度一般都在0～10 mV左右,99%的能量集中在0.5 Hz～10 Hz之间[1],属于低频小信号。为了对脉搏信号进行各种处理和显示,必须首先将信号放大到所要求的强度。而A/D转换器的输入范围为-5 V～+5V,所以模拟信号处理电路必须将脉搏信号放大到-5 V～+5 V。

常见的脉搏信号采集方法有:压力传感器法、心电电位法、光电、电容传感器法、电声传感器法等[2]。以上这些方法中,光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器,通过对手指末端透光度的监测,间接检测出脉搏信号,光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复等优点,为临床诊断提供强有力的技术支持[3-4]。

很多学者在脉搏信号采集这方面做了研究。侯海良[5]等设计了一种便携式远程脉搏信号采集系统,系统采用的是三级运算放大;李晋华[6]在《光电脉搏仪的设计》一文中设计的信号调理电路,采用的是压控电压源型低通滤波器;王丽英[7]则是采用低通滤波以及二级放大来采集脉搏信号;张金榜[1]等设计的脉搏采集硬件电路包括:一级放大电路、调零电路、50 Hz限波电路、带通滤波电路及二级放大电路脉搏调整电路设计;张凌飞等设计的简易人体脉搏信号调理电路是通过一个带通滤波电路来采集脉搏信号[8];陈亮亮[9]采用二阶高通、二阶低通以及陷波电路来对脉搏信号进行处理。

随着腕式脉搏血氧仪的相继出现,对于脉搏采集装置的硬件集成化要求越来越高。上述几种电路都只适用于传统的血氧仪,电子元器件较多,设备体积较大。本文利用差分电路[10]的高共模抑制比的特点以及脉搏信号的特点,设计并优化了脉搏信号采集处理电路。

1　常用脉搏采集电路

脉搏信号阻抗较大,且幅度小,频率低,极易被噪声湮没。因此,对脉搏信号采集电路有如下要求[11]:(1)多干扰下的微弱信号。由于脉搏信号幅度很小,极容易引入干扰,有来自肌体抖动、精神紧张带来的假象信号等。(2)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,会使脉搏信号有严重损失;(3)高增益。脉搏信号属于微弱信号,只有较高的放大倍数才能对脉搏信号进行数字化处理;(4)高共模抑制比。主要是消除50 Hz的工频干扰;(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。

1.1光电脉搏传感器设计

光发射二极管采用SE2470红外线发射二极管,在等效驱动电流下功率输出更大。光接收器件采用新型的光敏器件OPT101,其内部结构如图1。芯片内部集成光敏器和一级放大电路,有效地抑制了外界电磁信号对原始脉搏信号的干扰,提高脉搏测量精度。

图1　OPT芯片内部结构

1.2脉搏采集设计

脉搏采集设计电路如图2所示。

图2　常用脉搏采集电路

此脉搏采集电路由光发射电路、光接收电路、后级放大电路、50 Hz陷波电路以及二阶低通滤波电路组成。光发射电路由SE2470红外线发射二极管和分压电阻组成,Vcc由3.0 V电池供电。光接收电路对由脉搏引起的微弱光变化量进行检测,采用集成光接收放大芯片OPT101,其工作原理为:光敏二极管受光照的影响产生微弱的电流,再通过运算放大器将电流信号转换为电压信号,并对其进行放大,输出为反相信号。光发射与接收电路共同组成光电脉搏传感器。后级放大电路由一个无源高通滤波器和同相运算放大器组成,无源高通滤波其主要目的是隔离传感器信号中的直流分量,其截止频率f=1/(2πRC),选择适当的R12、C5值,使f=0.5 Hz。滤波后的交流信号经同相运算放大器进行放大,增益A由R2/R5决定,可取A1=100。脉搏信号的频率在0.5 Hz到20 Hz之间,容易受到50 Hz工频的干扰,应用50 Hz陷波滤波器可以很好的滤掉工频干扰,陷波电路采用RC有源双T网络来实现,陷波滤波器的中心频率计算公式为f0=1/(2πRC)其中C=C1=C2;R=R9=R10,选择合适的R、C使f0=50 Hz,通带增益A2=1。在滤掉工频干扰后,信号中还有一些其他的高频干扰,通过二阶低通滤波器可以滤掉其中的高频干扰获得低频有效信号,其中心频率f0=1/(2πRC),其中R=R6=R7;C=C3=C4,选择适当的R、C值,使f=10 Hz,同时增益可设计为A3=2。此电路总的放大倍数A由A1、A2、A3以及OPT101的增益4者乘积组成,A>200,满足A/D转换器的要求。

2　优化设计电路

图2脉搏采集电路采用的是三级放大,所用电子元器件多,电路结构复杂,没有充分利用集成运算放大器和差分电路的特性。图2中C5,R12组成的无源高通滤波其作用是去除信号中的直流分量,抑制脉搏波波形的基线漂移,对此可采用差分电路来去除直流分量及共模信号干扰,同时当存在外界干扰时,属于共模信号,差分电路能有效的去除此干扰,更好的抑制基线漂移。为了充分利用放大器,可以在滤波的同时进行放大。而对于50 Hz工频干扰,由于脉搏信号的频率主要分布在0.5 Hz～20 Hz之间,可在低通滤波的时候,通过设置元件参数,将其截止频率设置为10 Hz,50 Hz工频得到有关效的误减。同时50 Hz工频信号也属于共模信号,经差分输入再一次得到衰减。运算放大器采用OP07,十分适合于高增益和放大传感器的微弱信号等方面[12]。故可只利用一级放大电路便能实现常用脉搏采集电路三级放大的所有功能,从而得到清晰的脉搏波波形。

2.1同相放大设计

同相放大设计电路如图3所示。

电路采用差分形式,有效信号由同相端输入,反相端信号经R3、C2组成的无源低通滤波,其截止频率f0=1/(2πRC),其中R=R3,C=C2,选择适当的R、C值,使f0=0.5 Hz,即只有直流分量通过反相输入端,脉搏信号由同相输入端输入而进行放大。同相端既有脉搏信号又有直流共模分量,而反相端只有直流共模分量,由V0=A(V+-V-)可得,只有脉搏信号得到放大。利用差分电路抑制共模信号的特性,直流共模信号得到有效的滤除,交流脉搏信号得到有效的滤波放大,很好的抑制了基线漂移。同相采用了一个电压偏置电路即电平抬升电路,由Vcc、R7、R8组成,其作用在于抬高同相端的输入电压,使放大器工作在放大区,R6为一个大电阻,可取2 MΩ,防止有效交流信号从支路R4～R8而衰减。C1与R1构成有源低通滤波,截止频率f0=1/(2πRC),选择适当的R=R1、C=C1值,使f0=10 Hz。R2=R4以满足阻抗匹配问题,放大倍数A由R1/R2的比值决定,取R1=2 MΩ。则A=200,满足A/D转换器的要求。此电路结构简单,元件少,只需一级放大。经实验验证能够在示波器上采集到清晰稳定的脉搏波波形。由于,传感器输出的是反相信号,此时观测到的脉搏波波形是反相的,还需经一级反相器或利用软件使其反相。

2.2反相放大设计电路

从OPT101集成芯片输出的信号是反相的,图3电路是同相放大,没有加反相器,所以看到的脉搏波也是反相的。同相放大电路输入阻抗比反相放大电路大,更符合电路设计要求,信号是否可从反相端输入,即只利用一次放大就把所有问题解决。设计电路如图4。

图3　同相放大优化设计电路

图4　反相放大优化设计电路

此电路原理与图3同相放大电路一样,各参数也与图3电路相同,只是此时有效信号从反相端输入。在各参数不变的情况下,经实验验证:在有环境光影响时,利用图3电路,不能从示波器上观测到脉搏波形,而在无环境光影响时,可观测到清晰的脉搏波形。出现此现象的原因为:由于电源电压为0～3.0 V,而放大后的输出电压也只能在此范围内,否则就会出现饱和失真,而观测不到输出电压。由输出电压V0=A(V+-V-)可知,当光接收电路会受到环境光的影响,有环境光影响时V-增大,在电平抬升电路的作用下,V->V+,V0<0。出现负饱和失真,故采集不到脉搏波形。而在无光环境影响时,则不会出现此情况。对此,可将电路中的R2用变位器替代后,通过调节R2电阻值,改变偏置电压值,可找到一个临界电阻值,可解决上述问题,满足在有光和无光环境下均可采集脉搏信号。经验验证,此电路同样可用来采集脉搏信号,并且不需后续的反相电路。

3　测试结果与结论

在电路设计完成以后,接下来的任务便是测试电路的准确性和稳定性。将手指尖放到光电传感器上,接收到的红外光强度转换成微弱的电压信号,且有很多杂波。传感器输出的信号经上述电路滤波放大,我们这里放大近200倍。在有环境光与无环境光的条件下,输出电压都是3 V左右,且波形无明显的杂波,此时我们就可以将该信号输入到A/D卡进行采样了。

上述2种优化脉搏采集电路,充分利用激光二极管和集成化光敏器件OPT101和差分运算放大器高共模抑制比的特点,实现了脉搏采集电路的改进,电路结构得到简单化,电子元器件少量化,对于硬件的集成与产品的便携式提供了很好的参考意义。试验表明,采用上述电路,能够得到较理想的脉搏波形。改进后的电路,可以进行二次开发,实现对低频小信号的有效滤波放大,可用于生物信号处理以及小型移动医疗设备中。

参考文献:

[1]张金榜,刘军,齐华.脉搏信号调整电路设计[J].电子技术应用,2012,38(9):46-49.

[2]刘文,唐辉,商洪涛.光电传感器在脉搏采集中的研究[J].中国医学装备,2005,9(2):22-23.

[3]王炳和,杨禺,相敬林.脉搏声信号检测系统实验设计及功率谱特征[J].中华物理医学杂志,1998,20(3):58-161.

[4]戴军伟,王博亮.光电脉搏传感器的研制和噪声分析[J].现代电子技术,2006,29(2):78-90.

[5]侯海食,成运,陈洁,等.便携式远程脉搏采集系统的设计[J].计算机测量与控制,2012,20(2):544-547.

[6]李晋华,杜宇慧.光电脉搏仪的设计[J].自动化技术与应用,2008,27(8):99-103.

[7]王丽英.基于光电技术的脉搏测量方法[J].国外电子元器件,2006(5):32-34.

[8]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.

[9]陈亮亮,陈付毅.一种低成本的光电式血氧饱和度Q值测量电路的设计[J].电子器件,2008,31(4):1384-1386

[10]吴剑,郭忠武,王广志,等.微型脉搏表中低功耗电路的设计[J].电子器件,2001,24(4):261-266

[11]刘涛,赵艳飞,刘志刚,等.基于STC89C51的多通道脉搏采集系统设计[J].现代电子技术,2011,34(15):150-154.

[12]郑万挺,陈付毅.光电脉搏血氧心率仪电路设计[J].电子器件,2010,33(6):786-789.

龚中良(1965-),男,汉族,湖北人,中南林业科技大学机电工程学院教授,研究方向为机械电子工程专业,gzlaa@163.com;

李曜(1989-),男,汉族,湖南益阳人,中南林业科技大学在读硕士,研究方向为机械电子工程,13787261030@163.com。

TheOptimizationDesignonAcquisitionCircuitofthePulseSignalBasedonthePhotoelectricSensor*

GONGZhongliang*,LIYao

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,China)

Abstract:By briefly introducing the characteristics of pulse signal and the working principle of the photoelectric sensor with OPT101 as its core,this paper has designed and optimized a conditioning circuit which can amplify the filtering of pulse signal based on high common mode rejection ratio of differential circuit.Experiments show that the optimized circuit can capture the pulse waveforms required by the A/D conversional input voltage clearly.For this optimized circuit,low cost and simple and reasonable structure are its important advantages.

Key words:filter technique;circuit design;the photoelectric sensor;differential circuit

doi:EEACC:7210G;7230C10.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.017

中图分类号:TN713.8

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0658-04

收稿日期:2013-08-27修改日期:2013-11-05

项目来源:湖南省科技计划项目(2012GK3144);中南林业科技大学研究生科技创新基金项目(CX2014B12)