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非接触人体心率检测电路设计

作者:郭庆亮时间:2019-08-28来源:电子产品世界收藏

  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)

本文引用地址:/article/201908/404229.htm

  摘要:本文设计了一款心率信号的检测电路,并分析了运放电路的可靠性和的措施,对实际的也提出了有效的处理措施,来保证微弱信号可靠提取。

  关键词:

  0 引言

  人体的心率信号非常微弱,在医学上有多种测量脉搏和心跳信号的方法,医学上的方法一般都是接触式测量,测量手腕或者测量心脏位置的信号。现在非常流行的智能穿戴设备,采用了接触式方法测量人体脉搏,从而间接的检测心率。

  但在被测人体不方便接触式测量或者人体表面有水的情况下,这种接触式的测量方法就比较局限了。本文就是寻找并实验了一种测量人体脉搏(心率)的方法,实际测量并取得了准确的结果。

  1 非接触信号的提取

  正常人体的脉搏和心率是一致的,智能穿戴设备采用了接触式的“光电容积脉搏法”来间接的检测心率。非接触人体心跳信号我们也采用了光电方法,将光打在了人体某个部位,通过的光来携带人体脉动的微弱信号。我们将光源与被测对象,使其互相不接触。实验过程中利用激光来照射人体手部,将人手脉搏信号调制在激光信号上,将调制后的激光信号进行光电转换和精密放大后,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,核心的问题是光信号的调制和电信号的解调。光信号的调制这里不讨论了。我们需要对光电转换后的信号进行准确的非失真的放大,我们的识别设备要放在工业现场使用,在工业环境中,噪声信号大、空间辐射干扰大,脉搏信号调制在微弱的光信号中,信号的放大电路必须设计可靠。

  2 信号的放大和调理

  2.1 电路设计

  在光电信号转换过程中,跨阻抗放大电路形式和零偏置的光伏模式都是典型设计,在这里就不多赘述。转换光电流在pA级别,对电路的可靠性稳定性分析显得尤为重要。图2是光电信号的放大电路,放大之后经过一个跟随放大器输出带通滤波器,再到精密模数转换器。以下从直流分析、稳定性补偿、闭环增益和噪声消除4个方面来分析运放电路的可靠性。

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  2.1.1 直流分析

  从运放本身的输入偏置电流,输出失调电压来看。我们这个电路中转换的光电流在pA级别。直流特性需要满足

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  需要选择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,根据电路参数计算,输出失调电压导致的电流漂移为0.1 pA,合计0.1001 pA,远远小于要求的I S 电流10 pA。

  2.1.2 稳定性补偿

  运放的稳定性分析主要从相位裕量(PM)和增益裕量(GM)两方面考虑。

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  一般来说,45°~60°的相位裕度是比较合适的。如果相位裕度比较小则容易不稳定,相位裕度=0°时就会发生振荡;随着相位裕度的增加,系统有过冲的输入响应。增益裕度就是相角为-180°时的增益,一般<0 dB,也就是图3中的GM。

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  运放的开环增益随频率的变化通常在数据手册中有,我们更感兴趣的是运放的闭环增益,闭环下的相位裕量,典型做法是在反馈电阻两端并联一个补偿电容C C ,来弥补阶跃响应的过冲和振铃。为此,我们将图3的电路图进行模型化,并对其中的各电阻电容进行分类统计,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,我们可看出,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,运放可以稳定工作,即满足如下条件:

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  其中:

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  通过,计算出来转折点频率,噪声增益的零点,噪声增益的极点。从而可以基本判定运放是否处于稳态区域。

  2.1.3 闭环增益

  运放的闭环增益大小取决于反馈电阻R F ,通过电容C C 的补偿,可以得到稳定的闭环增益。一般来说,光电转换电路中反馈电阻的阻值比较大,为不影响补偿电容,可以考虑使用耕地寄生电容的电阻,例如表贴型的电阻。同时可以选择更快的运放,可以增加带宽,避免运放运行的不稳定区域。

  2.1.4 噪声消除

  为了将更加微小的信号放大出来,我们习惯将R F 尽可能最大,从而得到尽可能高的增益。所以选择低噪声电压密度和噪声电流密度的运放显得很重要,也可以通过两级放大串联来增加增益。

  将运放输出端增加RC滤波器,可以减小整个系统的信号带宽,这将克服噪声跟随频率增加导致输出噪声电压密度的增加。

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  2.1.5 其他

  一个稳定的微弱信号采集电路,必须有一个稳定的供电电源,在设计之初,对芯片的电源进行滤波设计。

  为了能使得信号轨之轨放大,信号不失真,还采用了±5 V电源供电。二级放大过程中,采用差分放大电路抵消共模干扰。根据上面的设计和分析,最终的设计电路图如图4所示。

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  2.2 材料及

  电磁干扰常常会对电路性能造成不利影响,在信号强度较低情况下,需要对精密信号进行保护,对印制板布局优化设计和选型,这样才能发挥出设计电路的效能。输入端的信号线尽量短,在输入端增加GRD保护环,可以最大程度的降低印制板中的输入引脚漏电流,减少外围元件数量,简化系统设计。

  GRD保护环加在光电流采集的一端,普通印制板基板采用FR-4,其绝缘性能为50 MΩ左右,有1 V的压差就会有20 nA的漏电流,这是非常大的一个值,而采用罗格斯4350B作为基板,其绝缘电阻在 5.7 10 × 9,可以将值下降100倍,从而能将更微弱的信号转换出来,不受电路干扰影响。图5是采用罗格斯材料作为基板一个示意图和实际的印制板布局。

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  在保护环设计的时候,将印制板GRD保护环区域开窗,去掉涂层,可以大大增加绝缘效果。印制板的焊接和精密运放的屏蔽都有关键作用,在此就不一一赘述。实际印制板电路如图6所示,经过这样设计的禽蛋心跳光电信号提取电路,可以精确采集10 pA级别的微弱光电流信号。

  3 结论

  人体脉搏信号非常微弱,现有的设备不管是医疗电子还是智能穿戴设备都采用了接触式的方法来检测人体脉搏或者心电信号。本文着重从非接触人体心率信号检测转换电路的稳定性补偿和印制板布局几个方面做了详细分析和讨论,并在实际结果中取得了良好的测量效果。

  参考文献

  [1] 戈文杰,喻杰奎,胡强高,等.微弱光信号检测系统的研究[J].光通信研究,2013.

  [2] 孙红兵,莫永新. 微弱光电信号检测电路设计[J].现代电子技术,2007.

  [3] ADA4530 Reference Design(Picoamp meter).世捷公司参考设计,2016.

  [4] ADA4530-1.pdf.ADI公司产品数据手册.

  [5] 李长青,梅欣丽,明奇.微弱光信号检测电路的实现[J].应用光学,2010.

  [6] ADA4530-1飞安级输入偏执电流测量应用笔记AN-1373.ADI公司,2015.

  作者简介:

  郭庆亮,高级工程师,研究方向为自动化产品设计研发,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,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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