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瑞彩祥云

作者:郭慶亮時間:2019-08-28來源:電子産品世界收藏

  郭慶亮(中國電子科技集團公司第四十一研究所,山東?青島?266555;青島興儀電子設備有限責任公司,山東?青島?266555)

本文引用地址:/article/201908/404229.htm

  摘?要:本文設計了一款心率信号的检测電路,并分析了运放電路的可靠性和的措施,對實際的也提出了有效的處理措施,來保證微弱信號可靠提取。

  關鍵詞:

  0 引言

  人體的心率信號非常微弱,在醫學上有多種測量脈搏和心跳信號的方法,醫學上的方法一般都是接觸式測量,測量手腕或者測量心髒位置的信號。現在非常流行的智能穿戴設備,采用了接觸式方法測量人體脈搏,從而間接的檢測心率。

  但在被測人體不方便接觸式測量或者人體表面有水的情況下,這種接觸式的測量方法就比較局限了。本文就是尋找並實驗了一種測量人體脈搏(心率)的方法,實際測量並取得了准確的結果。

  1 非接觸信號的提取

  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。非接觸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,信号的放大電路必须設計可靠。

  2 信号的放大和调理

  2.1 電路設計

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

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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。我们这个電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,根据電路参数计算,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

  運放的穩定性分析主要從相位裕量(PM)和增益裕量(GM)兩方面考慮。

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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的電路图进行模型化,并对其中的各电阻电容进行分类统计,如下。

  在圖2中,I S 是光電流,C S 是光電二極管的電容與差模電容和共模電容之和。C F 是補償電容C C 和電阻的寄生電容之和。通過運放的波特圖,我們可看出,當轉折點頻率f XVR 大于噪聲增益極點f NP ,且落在增益帶寬積f GBP之內時,增益帶寬積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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  通過,計算出來轉折點頻率,噪聲增益的零點,噪聲增益的極點。從而可以基本判定運放是否處于穩態區域。

  2.1.3 闭环增益

  運放的閉環增益大小取決于反饋電阻R F ,通過電容C C 的补偿,可以得到稳定的闭环增益。一般来说,光电转换電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

  爲了將更加微小的信號放大出來,我們習慣將R F 盡可能最大,從而得到盡可能高的增益。所以選擇低噪聲電壓密度和噪聲電流密度的運放顯得很重要,也可以通過兩級放大串聯來增加增益。

  將運放輸出端增加RC濾波器,可以減小整個系統的信號帶寬,這將克服噪聲跟隨頻率增加導致輸出噪聲電壓密度的增加。

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  2.1.5 其他

  一个稳定的微弱信号采集電路,必须有一个稳定的供电电源,在設計之初,对芯片的电源进行滤波設計。

  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,采用差分放大電路抵消共模干扰。根据上面的設計和分析,最终的設計電路图如图4所示。

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  2.2 材料及

  电磁干扰常常会对電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,对印制板布局优化設計和选型,这样才能发挥出設計電路的效能。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,简化系统設計。

  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,不受電路干扰影响。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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  在保护环設計的时候,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。实际印制板電路如图6所示,经过这样設計的禽蛋心跳光电信号提取電路,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,现有的设备不管是醫療電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。本文着重从非接觸人體心率信号检测转换電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。

  參考文獻

  [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. 微弱光电信号检测電路設計[J].现代电子技术,2007.

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

  [4] ADA4530-1.pdf.ADI公司产品数据手册.

  [5] 李长青,梅欣丽,明奇.微弱光信号检测電路的实现[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.

  作者簡介:

  郭庆亮,高级工程师,研究方向为自动化产品設計研发,E-mail: guoql@eidz.com。

  本文來源于科技期刊《電子産品世界》2019年第9期第63頁,歡迎您寫論文時引用,並注明出處。



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