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(jià)值[1-2]。但脈搏信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，具有隨機(jī)性強(qiáng)、頻率低的特點(diǎn)，極易受到檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和外界刺激（環(huán)境、溫度）的干擾，必須對(duì)檢測(cè)到的脈搏信號(hào)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(jìn)一步從醫(yī)學(xué)角度分析研究脈搏信息提供準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)源[3-4]。因此，研究脈搏信號(hào)調(diào)理電路對(duì)整個(gè)脈搏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 調(diào)理電路總體設(shè)計(jì)
1.1 調(diào)理電路設(shè)計(jì)要求
    脈搏信號(hào)取自人體淺表動(dòng)脈，信號(hào)源阻抗較大，且幅度小、頻率低，極易被噪聲湮沒(méi)。因此，對(duì)脈搏信號(hào)調(diào)理電路提出如下要求：（1）高輸入阻抗：由于信號(hào)源阻抗較高，脈搏信號(hào)很微弱，若輸入阻抗不高，經(jīng)分壓后信號(hào)會(huì)更小，會(huì)使脈搏信號(hào)有嚴(yán)重?fù)p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(hào)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(méi)信號(hào)微弱且信噪比低的脈搏信號(hào)；（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(duì)安全，主要對(duì)電氣特性的要求[5]。
1.2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)方案
    基于脈搏信號(hào)的上述特征，本文設(shè)計(jì)的高性能脈搏信號(hào)調(diào)理電路由一級(jí)放大電路、調(diào)零電路、工頻限波電路、帶通濾波電路和二級(jí)放大電路組成，其原理框圖如圖1所示[6]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 一級(jí)放大電路設(shè)計(jì)[7-8]
    一級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)到的脈搏信號(hào)進(jìn)行線性放大和抑制干擾信號(hào)的功能，其性能的優(yōu)劣直接決定了后續(xù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理的真實(shí)性。針對(duì)脈搏信號(hào)的特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)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(diǎn)漂移的并聯(lián)差動(dòng)三運(yùn)放儀表放大器。目前比較常見(jiàn)的用于脈搏信號(hào)檢測(cè)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(duì)脈搏信號(hào)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(jí)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(guò)改變引腳1和引腳8之間的電阻來(lái)調(diào)節(jié)，計(jì)算公式如下：
   
    脈搏信號(hào)和噪聲同時(shí)經(jīng)過(guò)這一級(jí)電路放大，如果放大倍數(shù)過(guò)大，噪聲也被放大。如果噪聲幅度過(guò)大，則不利于后級(jí)處理，即后級(jí)難以有效消除噪聲。所以，一級(jí)放大電路放大倍數(shù)不宜過(guò)大，本級(jí)增益設(shè)置為11，此時(shí)引腳1和引腳8之間接一個(gè)精度為0.01%、阻值為4.99 kΩ的金屬膜電阻。
2.2 調(diào)零電路設(shè)計(jì)
    調(diào)零電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步抑制由于肌肉抖動(dòng)、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(shí)候，整個(gè)電路的輸出為零。本電路采用廣泛應(yīng)用的同相端調(diào)零電路，如圖3所示。
    此電路中，調(diào)整電壓加在同相輸入端?？紤]到經(jīng)一

2.4 帶通濾波電路設(shè)計(jì)[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(guò)40 Hz。從脈搏功率譜的能量分布來(lái)看，99%的能量集中在0.5 Hz～10 Hz之間。脈搏信號(hào)的最低頻率只有0.5 Hz；為降低信號(hào)因相移產(chǎn)生的線性失真，其低頻截止頻率要達(dá)到最低頻率的1/10，即0.05 Hz；其最高頻率不超過(guò)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(hào)的主要能量成分，能將脈搏信號(hào)的有用成分從采集到的信號(hào)中分離出來(lái)。
    經(jīng)比較分析有源濾波器和無(wú)源濾波器的性能特點(diǎn)，結(jié)合脈搏信號(hào)頻率較低的特點(diǎn)，本文選用有源濾波器。

示。一級(jí)放大電路對(duì)信號(hào)放大11倍，本二級(jí)放大電路放大200倍，本級(jí)輸出的信號(hào)基可以達(dá)到1 V左右，能夠滿足信號(hào)采集的要求。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 測(cè)試過(guò)程
    硬件電路設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行硬件實(shí)際測(cè)試。輸入信號(hào)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(diǎn)，用安捷倫示波器觀察信號(hào)調(diào)理電路的輸出波形。
3.2 結(jié)果與分析
    輸入信號(hào)的頻率為1.2 Hz，幅值為0.01 mV~1 mV(模擬正常脈搏信號(hào)的頻率和幅值)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸出波形穩(wěn)定，波動(dòng)范圍為2 mV~20 mV，相對(duì)較小。實(shí)際測(cè)試表明，整個(gè)電路輸入阻抗可達(dá)15 MΩ，共模抑制比大于100 dB，噪聲小于0.1 μV，對(duì)微弱的脈搏信號(hào)有良好的濾波、放大效果，且能滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求。

    脈搏信號(hào)調(diào)理電路的性能決定了整個(gè)脈搏檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。本文重點(diǎn)依據(jù)脈搏信號(hào)的特點(diǎn)，針對(duì)性地選擇元器件，并對(duì)所設(shè)計(jì)的硬件電路進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路具有較好的濾波、放大性能，且滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求，進(jìn)而提高了脈搏信號(hào)檢測(cè)的可靠性。
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