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非触摸人体心率检测电路设计

郭庆亮(中国电子科技集团公司第四十一研究所,山东 青岛 266555;青岛兴仪电子设备有限责任公司,山东 青岛 266555)摘 要:本文设计了一款非接触心率信号的检测电路,并分析了运放电路的

  郭庆亮(我国电子科技集团公司第四十一研讨所,山东 青岛 266555;青岛兴仪电子设备有限责任公司,山东 青岛 266555)

  摘 要:本文规划了一款非触摸心率信号的检测电路,并剖析了运放电路的牢靠性和去除噪声的办法,对实践的印制板布局也提出了有用的处理办法,来确保人体心率弱小信号牢靠提取。

  关键词:非触摸人体心率去除噪声印制板布局

  0 导言

  人体的心率信号十分弱小,在医学上有多种丈量脉息和心跳信号的办法,医学上的办法一般都是触摸式丈量,丈量手腕或许丈量心脏方位的信号。现在十分盛行的智能穿戴设备,选用了触摸式办法丈量人体脉息,然后直接的检测心率。

  但在被测人体不方便触摸式丈量或许人体外表有水的情况下,这种触摸式的丈量办法就比较限制了。本文便是寻觅并试验了一种非触摸丈量人体脉息(心率)的办法,实践丈量并取得了准确的成果。

  1 非触摸人体心率信号的提取

  正常人体的脉息和心率是共同的,智能穿戴设备选用了触摸式的“光电容积脉息法”来直接的检测心率。非触摸人体心跳信号咱们也选用了光电办法,将光打在了人体某个部位,通过的光来带着人体脉动的弱小信号。咱们将光源与被测目标,使其相互不触摸。试验过程中运用激光来照耀人体手部,将人手脉息信号调制在激光信号上,将调制后的激光信号进行光电转化和精细扩大后,再从电信号中将这种周期信号解调出来,如图1。

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  在这个信号提取链路中,中心的问题是光信号的调制和电信号的解调。光信号的调制这儿不评论了。咱们需求对光电转化后的信号进行准确的非失真的扩大,咱们的辨认设备要放在工业现场运用,在工业环境中,噪声信号大、空间辐射搅扰大,脉息信号调制在弱小的光信号中,信号的扩大电路有必要规划牢靠。

  2 信号的扩大和调度

  2.1 电路规划

  在光电信号转化过程中,跨阻抗扩大电路方式和零偏置的光伏形式都是典型规划,在这儿就不多赘述。转化光电流在pA等级,对电路的牢靠性安稳性剖析显得尤为重要。图2是光电信号的扩大电路,扩大之后通过一个跟从扩大器输出带通滤波器,再到精细模数转化器。以下从直流剖析、安稳性补偿、闭环增益和噪声消除4个方面来剖析运放电路的牢靠性。

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  2.1.1 直流剖析

  从运放自身的输入偏置电流,输出失调电压来看。咱们这个电路中转化的光电流在pA等级。直流特性需求满意

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  需求挑选运放的最大输出失调电压尽量小,此处R F取样电阻为500 MΩ。

  由式(1)可知,依据电路参数核算,输出失调电压导致的电流漂移为0.1 pA,算计0.1001 pA,远远小于要求的I S 电流10 pA。

  2.1.2 安稳性补偿

  运放的安稳性剖析主要从相位裕量(PM)和增益裕量(GM)两方面考虑。

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  一般来说,45°~60°的相位裕度是比较适宜的。假如相位裕度比较小则简单不安稳,相位裕度=0°时就会产生振动;跟着相位裕度的添加,体系有过冲的输入呼应。增益裕度便是相角为-180°时的增益,一般<0 dB,也便是图3中的GM。

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  运放的开环增益随频率的改变通常在数据手册中有,咱们更感兴趣的是运放的闭环增益,闭环下的相位裕量,典型做法是在反应电阻两头并联一个补偿电容C C ,来补偿阶跃呼应的过冲和振铃。为此,咱们将图3的电路图进行模型化,并对其间的各电阻电容进行分类计算,如下。

  在图2中,I S 是光电流,C S 是光电二极管的电容与差模电容和共模电容之和。C F 是补偿电容C C 和电阻的寄生电容之和。通过运放的波特图,咱们可看出,当转折点频率f XVR 大于噪声增益极点f NP ,且落在增益带宽积f GBP之内时,增益带宽积f GBP 典型值为2 MHz,运放能够安稳作业,即满意如下条件:

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  其间:

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  通过,核算出来转折点频率,噪声增益的零点,噪声增益的极点。然后能够根本断定运放是否处于稳态区域。

  2.1.3 闭环增益

  运放的闭环增益巨细取决于反应电阻R F ,通过电容C C 的补偿,能够得到安稳的闭环增益。一般来说,光电转化电路中反应电阻的阻值比较大,为不影响补偿电容,能够考虑运用犁地寄生电容的电阻,例如表贴型的电阻。一起能够挑选更快的运放,能够添加带宽,防止运放运转的不安稳区域。

  2.1.4 噪声消除

  为了将愈加细小的信号扩大出来,咱们习气将R F 尽可能最大,然后得到尽可能高的增益。所以挑选低噪声电压密度和噪声电流密度的运放显得很重要,也能够通过两级扩大串联来添加增益。

  将运放输出端添加RC滤波器,能够减小整个体系的信号带宽,这将战胜噪声跟从频率添加导致输出噪声电压密度的添加。

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  2.1.5 其他

  一个安稳的弱小信号收集电路,有必要有一个安稳的供电电源,在规划之初,对芯片的电源进行滤波规划。

  为了能使得信号轨之轨扩大,信号不失真,还选用了±5 V电源供电。二级扩大过程中,选用差分扩大电路抵消共模搅扰。依据上面的规划和剖析,终究的规划电路图如图4所示。

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  2.2 印制板资料及布局

  电磁搅扰常常会对电路功能形成晦气影响,在信号强度较低情况下,需求对精细信号进行维护,对印制板布局优化规划和选型,这样才干发挥出规划电路的效能。输入端的信号线尽量短,在输入端添加GRD维护环,能够最大程度的下降印制板中的输入引脚漏电流,削减外围元件数量,简化体系规划。

  GRD维护环加在光电流收集的一端,一般印制板基板选用FR-4,其绝缘功能为50 MΩ左右,有1 V的压差就会有20 nA的漏电流,这是十分大的一个值,而选用罗格斯4350B作为基板,其绝缘电阻在 5.7 10 × Ω9,能够将值下降100倍,然后能将更弱小的信号转化出来,不受电路搅扰影响。图5是选用罗格斯资料作为基板一个示意图和实践的印制板布局。

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  在维护环规划的时分,将印制板GRD维护环区域开窗,去掉涂层,能够大大添加绝缘作用。印制板的焊接和精细运放的屏蔽都有关键作用,在此就不逐个赘述。实践印制板电路如图6所示,通过这样规划的禽蛋心跳光电信号提取电路,能够准确收集10 pA等级的弱小光电流信号。

  3 定论

  人体脉息信号十分弱小,现有的设备不管是医疗电子仍是智能穿戴设备都选用了触摸式的办法来检测人体脉息或许心电信号。本文侧重从非触摸人体心率信号检测转化电路的安稳性补偿和印制板布局几个方面做了详细剖析和评论,并在实践成果中取得了杰出的丈量作用。

  参阅文献

  [1] 戈文杰,喻杰奎,胡强高,等.弱小光信号检测体系的研讨[J].光通信研讨,2013.

  [2] 孙红兵,莫永新. 弱小光电信号检测电路规划[J].现代电子技术,2007.

  [3] ADA4530 Reference Design(Picoamp meter).世捷公司参阅规划,2016.

  [4] ADA4530-1.pdf.ADI公司产品数据手册.

  [5] 李长青,梅欣丽,明奇.弱小光信号检测电路的完成[J].使用光学,2010.

  [6] ADA4530-1飞安级输入偏执电流丈量使用笔记AN-1373.ADI公司,2015.

  作者简介:

  郭庆亮,高级工程师,研讨方向为自动化产品规划研制,E-mail: guoql@eidz.com。

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第9期第63页,欢迎您写论文时引证,并注明出处。

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