光电脉搏信号检测电路设计

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1、光电脉搏信号检测电路设计生物医学工程１班－唐维－3004202327摘要：系统采用硅光电池做为光电效应手指脉搏传感器识取脉搏信号。信号经放大后采用低通放大器克服干扰。关键词：脉搏测量放大器二阶低通一、前言脉诊在我国已具有2600多年临床实践，是我国传统中医的精髓，但祖国传统医学采用“望、闻、问、切”的手段进行病情诊断，受人为的影响因素较大，测量精度不高。随着科学技术的发展，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法。利用血液是高度不透明的液体,光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点,可通过传感

2、器对脉搏信号进行检测,这种技术具有先进性、实用性和稳定性,同时也是生物医学工程领域的发展方向。本文将详细介绍一种光传导式的脉搏信号检测电路，并说明所涉及到的问题和方法。二、系统设计1系统目标设计及意义设计制作一个光电脉搏测试仪，通过光电式脉搏传感器对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号，并在显示器上显示所测的脉搏跳动波形，要求测量稳定、准确、性能良好。2设计思想（1）传感器：利用指套式光电传感器，指套式光电传感器的换能元件用硅光电池,由于心脏的跳动,引起手指尖的微血管的体积发生相应的变化（当心脏收缩时，微血

3、管容积增大；当心脏舒张时,微血管容积减少），当光通过手指尖射到硅光电池时,产生光电效应,两极之间产生电压由于指尖的微血管内的血液随着心脏的跳动发生相应于脉搏的容积变化,因而使光透过指尖射到硅光电池时也发生相应的强度变化,而非血液组织(皮肤、肌肉、骨格等)的光吸收量是恒定不变的,这样就把人体的脉搏(非电学量)转换为相应于脉博的电信号,方便检测。（2）按正常人脉搏数为60~80次/min，老人为100~150次/min，在运动后最高跳动次数为240次/min设计低通放大器。5Hz以上是病人与正常人脉搏波体现差异的地

4、方，应注意保留。（3）测量中考虑到并要消除的干扰有：环境光对脉搏传感器测量的影响、电磁干扰对脉搏传感器的影响、测量过程中运动的噪声还有50Hz干扰。（4）由于透过指尖射到硅光电池的光强很小，输出短路电流约为0.1uA～3uA，所以总共放大106倍以便于观察。传感器得到的脉搏信号极为微弱，很容易淹没在噪声及干扰信号之中，所以对取得的微弱信号先进行放大后再滤波。设计两极放大，因为三级放大个别电路板的零点漂移大得足以达到满幅，测量不准确。每个单级放大器的放大倍数不大于30，以免自激振荡。（5）所选的电阻参数要尽量精确

5、，IC选用偏置电流小、输入失调电压小的运算放大器，考虑到性价比，使用LM324。由于硅光电池的输出短路电流受光照变化较大，使得输出变化大，所以采用12V双电源供电。3整体框图本系统共分为三个模块：二阶低通放大电路路光电信号转换电路一级放大电路方框图中各部分的作用是：（1）传感器：将脉搏的跳动转换为电压信号，放大104倍。（2）一级放大电路：对微弱信号进行放大，放大约20倍（3）二阶低通滤波电路：滤除干扰信号并进一步放大，再放大约20倍。4单元电路的设计⑴光电信号转换电路图1光电信号转换电路如图，换能元件为硅光电

6、池，脉搏信号的拾取实际上是光透过指尖射到硅光电池时发生相应的强度变化,从而产生硅光电池电流的微弱变化，再经过放大而得到的。所拾取的信号为电压信号。电路的输出为：R1过大，稳定性差，容易产生漂移误差，影响增益精度，考虑到灵敏度和线性度的协调，选R1=22KΩ，使得输出达到mv级。为了抑制高频干扰和消除运放输入偏置电流的影响，接入电容C1、电阻R2和电容C2。电容的取值是基于脉搏信号的频率考虑的。（2）一级反向放大电路如图：图2一级放大为了与前面匹配，并使选用器件简便，选择R3=22KΩ，为满足放大20倍，选用R4

7、=500KΩ。得理想放大倍数倍C3用来隔直；C4用以防止放大器自激并起到低通作用，为了不影响有用信号又能滤掉50HZ干扰，C4不能太大也不能太小，取C4=0.01μF将频率截止到31HZ恰好。（3）后置二阶低通放大电路图3为二级低通放大电路。按人体脉搏在最高跳动次数240次/min计算，据归一化法设计低通放大器，如图3所示。转折频率由R6、C5、R7和C6决定，放大倍数由R7和R5的比值决定，R8用来减小输入阻抗不平衡的影响。图3二级低通放大器二价低通滤波器的传递函数：理想放大倍数为倍。0.707倍零频增益高频

8、转折频率：fH=14Hz低频特性满足条件，不影响有用信号。5整体电路为：运放LM324特性LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如上图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，引脚排列见图：特性:双电源工作电压：±1.5V至±15V输入偏置电压：2.0～5.0mV输入偏置电流：2nA共模抑制比：典型值80dB带宽：1.3MH