脈搏是人體的重要生理參數(shù)之一，它攜帶了豐富的生理和病理信息，具有重要的生理參考和診斷參考價值[1-2]。但脈搏信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，具有隨機性強、頻率低的特點，極易受到檢測系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和外界刺激（環(huán)境、溫度）的干擾，必須對檢測到的脈搏信號做一系列的處理（濾除噪聲和干擾），才可獲得高保真的脈搏信息，為進一步從醫(yī)學角度分析研究脈搏信息提供準確、有效的數(shù)據(jù)源[3-4]。因此，研究脈搏信號調理電路對整個脈搏信號檢測系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 調理電路總體設計
1.1 調理電路設計要求
    脈搏信號取自人體淺表動脈，信號源阻抗較大，且幅度小、頻率低，極易被噪聲湮沒。因此，對脈搏信號調理電路提出如下要求：（1）高輸入阻抗：由于信號源阻抗較高，脈搏信號很微弱，若輸入阻抗不高，經(jīng)分壓后信號會更小，會使脈搏信號有嚴重損失甚至畸變；（2）高增益：只有較高的放大倍數(shù)才能提高脈搏信號采集的精度；（3）高共模抑制比：主要是消除市電50 Hz的工頻干擾；（4）低噪聲：使之不湮沒信號微弱且信噪比低的脈搏信號；（5）低漂移：防止高放大倍數(shù)的放大電路出現(xiàn)飽和現(xiàn)象；（6）合適的帶寬：以有效地抑制噪聲，防止采樣混疊；（7）高安全性：確保人體的絕對安全，主要對電氣特性的要求[5]。
1.2 調理電路設計方案
    基于脈搏信號的上述特征，本文設計的高性能脈搏信號調理電路由一級放大電路、調零電路、工頻限波電路、帶通濾波電路和二級放大電路組成，其原理框圖如圖1所示[6]。

2 硬件電路設計
2.1 一級放大電路設計[7-8]
    一級放大電路實現(xiàn)對檢測到的脈搏信號進行線性放大和抑制干擾信號的功能，其性能的優(yōu)劣直接決定了后續(xù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)分析處理的真實性。針對脈搏信號的特點，應當采用適當增益、低功耗、低噪聲、高輸入阻抗、高共模抑制比、線性工作范圍寬和低零點漂移的并聯(lián)差動三運放儀表放大器。目前比較常見的用于脈搏信號檢測的儀表放大器有INA111、INA118、INA128、AD8553和AD620。其主要特性比較如表1所示。

    針對脈搏信號采集的要求，經(jīng)綜合分析比較，本電路選擇體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣的AD620作為一級放大電路的主體芯片。具體電路如圖2所示。AD620使用方便，增益可通過改變引腳1和引腳8之間的電阻來調節(jié)，計算公式如下：
   
    脈搏信號和噪聲同時經(jīng)過這一級電路放大，如果放大倍數(shù)過大，噪聲也被放大。如果噪聲幅度過大，則不利于后級處理，即后級難以有效消除噪聲。所以，一級放大電路放大倍數(shù)不宜過大，本級增益設置為11，此時引腳1和引腳8之間接一個精度為0.01%、阻值為4.99 kΩ的金屬膜電阻。
2.2 調零電路設計
    調零電路實現(xiàn)進一步抑制由于肌肉抖動、人體緊張、呼吸顫抖等因素引起的基線漂移的功能，從而保證在輸入為零的時候，整個電路的輸出為零。本電路采用廣泛應用的同相端調零電路，如圖3所示。
    此電路中，調整電壓加在同相輸入端?？紤]到經(jīng)一

2.4 帶通濾波電路設計[10]
    人體正常的脈率為60次/min～100次/min，即1 Hz～1.67 Hz，不同人的脈搏頻率可能不一樣，但最高頻率不超過40 Hz。從脈搏功率譜的能量分布來看，99%的能量集中在0.5 Hz～10 Hz之間。脈搏信號的最低頻率只有0.5 Hz；為降低信號因相移產(chǎn)生的線性失真，其低頻截止頻率要達到最低頻率的1/10，即0.05 Hz；其最高頻率不超過40 Hz，故高頻截止頻率選擇40 Hz。該電路的頻帶范圍大約是0.05 Hz～40 Hz，該范圍內(nèi)包含了脈搏信號的主要能量成分，能將脈搏信號的有用成分從采集到的信號中分離出來。
    經(jīng)比較分析有源濾波器和無源濾波器的性能特點，結合脈搏信號頻率較低的特點，本文選用有源濾波器。

示。一級放大電路對信號放大11倍，本二級放大電路放大200倍，本級輸出的信號基可以達到1 V左右，能夠滿足信號采集的要求。
3 實驗結果及分析
3.1 測試過程
    硬件電路設計完成后，進行硬件實際測試。輸入信號采用安捷倫函數(shù)發(fā)生器，該發(fā)生器具有幅值范圍寬、精度高、可靠的優(yōu)點，用安捷倫示波器觀察信號調理電路的輸出波形。
3.2 結果與分析
    輸入信號的頻率為1.2 Hz，幅值為0.01 mV~1 mV(模擬正常脈搏信號的頻率和幅值)，具體實驗結果見表2。實驗結果表明，輸出波形穩(wěn)定，波動范圍為2 mV~20 mV，相對較小。實際測試表明，整個電路輸入阻抗可達15 MΩ，共模抑制比大于100 dB，噪聲小于0.1 μV，對微弱的脈搏信號有良好的濾波、放大效果，且能滿足A/D轉換的要求。

    脈搏信號調理電路的性能決定了整個脈搏檢測系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。本文重點依據(jù)脈搏信號的特點，針對性地選擇元器件，并對所設計的硬件電路進行測試。實驗結果表明，該電路具有較好的濾波、放大性能，且滿足A/D轉換的要求，進而提高了脈搏信號檢測的可靠性。
參考文獻
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