高精度便携式哮喘监测仪模拟前端的研究与设计

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1、工程硕士学位论文高精度便携式哮喘监测仪模拟前端的研究与设计作者姓名汪庆工程领域集成电路工程校内指导教师吴朝晖副教授校外指导教师叶晖高级工程师所在学院电子与信息学院论文提交日期2018年4月StudyandDesignofaPortableandHigh-precisionanalogfrontendforAsthmaMonitorSystemADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WangQingSupervisor：AssociateProf.WuZhaohuiSeniorEngineerYeHuiSouthChinaUn

2、iversityofTechnologyGuangzhou,China摘要近年来，随着日趋加重的环境问题，哮喘病的发病率逐年递增。由于哮喘病人的肺功能参数在哮喘症状被察觉几个小时前甚至几天前即已出现，所以如果可以使用哮喘病监测系统作为一个早期预警系统，哮喘病患者就可以充分了解自身病情，在哮喘发作之前发现病情并及时采取措施，避免哮喘突然发作引起不可预知的后果。应用于哮喘病监测系统的压力传感器，在前端数据采集的过程中存在低气压范围内分辨率低的问题，实测压力传感器发现当呼气流量从10LPM变化至30LPM时,输出电压只变化了3mv左右，如此小的电压分辨率不利于后续ADC的采集以及MCU的处理。

3、本文针对压力传感器在信号采集过程中存在的低气压范围内分辨率低问题，采用分段程控的方法，提高了哮喘病监测系统在低气流范围内的分辨率。设计了一个在低气流范围内高分辨率的前端数据采集调理电路，并对程控前后（调理前后）的实验数据进行分析，实验结果显示：在未呼气的情况下（呼气流量值为0LPM），程控后的曲线流量值更接近于实际值0LPM，程控后的流量监测值误差比程控前最高提高了2.35LPM，最低提高了0.14LPM。程控后的流量监测值比程控前更精准，该方法对于呼气流量精度的实时监测有了进一步提升，程控后比程控前的流量值分辨率更高。针对本系统，本文还设计了一款专门应用于此系统的Programmabl

4、eGainAmplifier（PGA,可编程程控放大器）芯片，其中包括24dB两级运算放大器、6dB衰减器、串并转换接口以及通道选择器的设计。本文采用0.18µm标准CMOS工艺实现了PGA的原理图设计，芯片采用5V电压供电，仿真结果显示:PGA的输出摆幅为4.63V，程控增益倍数分别为24.07dB、12.03dB、6.011dB、8.617mdB,增益误差最大值为0.14%，最小值为0.1%。PGA的输出摆幅、程控增益倍数及增益误差满足了哮喘监测系统的参数需求，可运用于哮喘病监测系统。关键词：哮喘病监测；程控放大；数字逻辑开关控制；可编程程控放大器IAbstractInrecenty

5、ears,withtheincreasingaggravatedenvironmentalproblems,theincidenceofasthmaisincreasingyearbyyear.Duetothelungfunctionparametersofasthmaticpatientswillemergebeforeasthmaticsymptomsaredetectedseveralhoursago,evenafewdaysago.Therefore,iftheasthmamonitoringsystemcanuseasanearlywarningsystem,thepatien

6、tscanfullyunderstandtheirillnessandtaketimelymeasurestoavoidtheunpredictableconsequencescausingbyasuddenattackofasthmabeforeasthmaisdetected.Intheprocessofdataacquisition,thepressuresensorusedinfrontendoftheasthmamonitoringsystemexistaproblemoflowresolutionwithinthescopeoflowpressure.Themeasuredd

7、atadiscoverthattheoutputvoltageonlychangeabout3mvwhenexpiratoryflowvaryfrom10to30LPM.SuchsmallvoltageresolutionagainstacquisitionofthesubsequentADCandtheprocessingofMCU.Aimingtosolvetheproblemoflowresolutionwithinthesc