简易人体脉搏信号调理电路的设计

是常量，它们随被测量的变化而变化。 因此，对于放大器而言，信号源
内阻
Rs
是变量，根据电压放大倍数的表达式A觶 us＝
Ri Rs＋Ri
·A觶 u
可知，放大
器的放大能力随信号大小而变化。 为了保证放大器对不同幅值信号具
有稳定的放大倍数，就必须使得放大器的输入电阻 Ri>>Rs，Ri 越大，因 信号源内阻变化引起的放大误差就越小。
小；当供电电压为±5V，输入频率为 2Hz 幅值为 1mV 的正弦波时，调节
电路参数，此放大电路输出频率为 2Hz 幅值约为 400mV 的正弦波，即
放大倍数约为 400，波形失真极小。 本次取得的脉 搏 信 号 经 过 400 倍
的放大，足够满足后续电路的要求。 由 于 其 他 部 电 路 距 采 用 5V 电 源
● 【参考文献】
［1］杨智敏,侯传教.单片式开关稳压器 LM2576-ADJ 及其应用[J].移 动 电 源 与 车 辆 ，2004(1):33-34． ［2］ 李建波. 基于 STC89C52 单片机的电子密码锁 [J]. 现在电子技术,2008(23): 154-156． ［3］姚 永 平 .STC89C51RC/RD+系 列 单 片 机 用 户 手 册 [EB/OL]. 宏 晶 科 技 .http://www. mcu memory.com,2006． ［4］ 周 海 .八 路 数 字 显 示 抢 答 器 [J].电 子 制 作 ,1999(19):33-35．
人体脉搏信号仅为微伏级， 即使经过性能优越的传感器采集出 来，也只有毫伏级。 为了方便后续电路对脉搏信号的处理，经过传感器 采集到的脉搏信号必须经过放大电路的放大处理。 但是人体脉搏信号 频 率 很 低 （人 体 的 正 常 脉 率 为 60～100 次/分 钟 ，即 1～1.67Hz），所 以 要 求用来放大脉搏信号的放大器除了具有较高的输入电阻和较高的共
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2011 年 第 11 期
简易人体脉搏信号调理电路的设计
张凌飞 刘承桥 王 岩 (青海民族大学物理与电子信息工程学院 青海 西宁 810007)
【摘 要】 三运放仪表放大器具有放大倍数高， 波形失真度小， 且输入阻抗高等特点， 一直作为工业标准被用于那些要求高增益或高 CMMR 等的精密应用场合，如传感器接口、低功耗医疗仪器等。 但是，三运放仪表放大器的应用在单电源场合具有较大局限性 。 本文阐述了基 于 LM108 的三运放仪表放大器在脉搏测量中的应用，并对此类三运放仪表放大器的供电问题给出了解决方案 。 此外，由于人体脉搏信号的频 率约为 1Hz，所以需要用滤波器对所采集到的信号进行滤波。 基于此，本文还简单介绍了基于 OP07 的带通滤波器。
R6 R4
(1+ 2R2 R1
)
决定。 根据此公式和图 1 中所给参数，可算得此放大电路的电压放大
倍数为 1000。 在实验过程中我们发现，当供电电压为±10V时，输入频
率为 2Hz 幅值为 1mV 的正弦波时，调节电路参数，此放大电路输出频
率 为 2Hz 幅 值 约 为 1V 的 正 弦 波 ，即 放 大 倍 数 约 为 1000，波 形 失 真 极
供 电 ，为 了 使 本 部 分 电 路 和 其 他 各 部 分 电 路 能 够 供 用 电 源 ，我 们 使 用±
5V 电源给其供电。
2 信号的滤波
本次设计所用的滤波器是基于 OP07 的带通滤波器。
图 2 带通滤波电路
图 1 基于 LM108 和 LM101 的三运放仪表放大电器电路
图 3 简易人体脉搏信号调理电路总电路图
4 小结
采 用 STC89C52 单 片 机 设 计 的 大 功 率 数 码 管 显 示 倒 计 时 系 统 实 现了智能的显示控制功能。 给系统加上断电保持功能，可以免去断电 以后电源恢复时进行复杂的校时。 另加两片 LM2576-ADJ 给大功率的 数码管输出电压，有着更高的可靠性和安全性。 虽 然 经 CD4511 译 码 出 来 的 “6”与 “9”字 形 不 够 好 看 ，可 外 接 一 些 电 路 把 “6” 和 “9” 的 另 一 笔 画加上，让观察者更容易辨认，消除数字混淆的麻烦。 科
1 信号的放大
1.1 仪表放大器简介
仪表放大器也称精密放大器，主要用于弱信号放大。
电子测量系统中，很多时候被测量的信号很弱（频率特别低，幅度
特别小），如人体脉搏信号等。 这些弱信号不能直接进行运算，滤波等
处理，必须进行放大。 并且这些弱信号往往要通过传感器取得，因此，
传感器的输出是放大器的信号源。 但是，大多数传感器的等效电阻不
2mv）仍具有很高的放大倍数，LM108 和 LM101 均具有高输入阻抗、高
稳定度、失真度小、供电电压范围宽（±5V 至±20V）等特点。
采用 LM108 和 LM101 构成三运放仪表放大器的具体电路图如图
1 所示。
图中
R2=R3,R4=R5,R6=R7; 电 压 放 大 倍 数 由 公 式
Av=
止频率由
R1C1
确 定 ， 其 计 算 公 式 为 :fc1 =
1 2πR1C1
代入数值计算得 fc1=0.08Hz
第二级的高端截止频率由
R4C3，其 计 算 公 式 为 ：fc2 =
2
姨
2
1 πR4
C3
代入数值计算得 fc2=10.2Hz。 总增益 G=50.4。
3 结束语
由 LM108 和 LM101 构成仪表放大器，放大倍数可达 400 倍，由于 所采用的传感器的输出电压值已经达数百微伏，只要选取合适的放大 倍数即可以在数字示波器上清楚地显示不失真的输出波形。 该放大器 是基于 OP07 的带通放大器， 理论上通频带宽是 0.1 赫兹至 10 赫兹， 由于诸多因素的影响，实际通频带宽为是 0.3 赫兹至 137.5 赫兹，但输 出的波形很好，几乎不受低频分量影响，电路能够正常稳定地工作。 测 得的脉搏波形与实际相符合。 简易脉搏信号调理电路用于对人体脉搏 信号进行调理，结构简单，工作稳定，造价较低，在脉搏采集中具有一 定的实用价值。 科
● 【参考文献】
［1］ 乜 国 荃 ,方 祖 祥 .人 体 脉 搏 的 测 量 与 分 析 [J].上 海 生 物 医 学 工 程 ,2006（02）. ［2］ 燕 金 元 .关 于 几 种 无 创 测 量 血 压 方 法 的 探 讨 .1998（07）. ［3］罗 山 鹰 ，娄 文 忠 .一 种 用 于 人 体 脉 搏 的 信 号 采 集 系 统 .兵 工 自 动 化 ，2001（2）. ［4］童诗白，华成英.模拟电子技术基础.4 版.北京：高等教育出版社，2006.
此外，从传感器获得的信号常常为差模小信号，并且含有较大共
模成分，其值有时候甚至远远大于差模信号。 因此，要求放大器具有较
强的共模信号抑制能力。
综上所述，仪表放大器除了要具有足够大的放大倍数外，还应该
具有较高的输入电阻和较高的共模抑制比。
1.2 仪表放大器在脉搏测量中的应用
三 运 放 仪 表 放 大 器 在 低 频 （1Hz 左 右 ）情 况 下 对 微 弱 电 压 信 号 （小 于
检查电路板线路的连接无误后， 模拟单片机的程序输出正确后， 接入 20V 电源， 用万用表测量第一路 LM2576 的输出是否为 15V，否 则通过调节电位器获得 15V 电压；同样的方法调得第二路 LM2576 的 输出为 12V，LM7805 的输出为 5V。 电源正常供电后，在不接单片机的 情 况 下 ，用 5V、12V 电 源 去 检 验 显 示 部 分 功 能 ，检 验 显 示 部 分 电 路 的 结果显示是否正确，显示部分功能是否实现。 把编写好的程序写入单 片机，结合硬件电路，整体调试电路。 调试中，检查电路的七位数码管 的位选段是否接在单片机的 P0 口，如果接入，应立即改正。 P0 口是开 漏 输 出 ，作 为 总 线 扩 展 用 时 ，不 用 上 拉 电 阻 ，作 为 I/O 用 时 ，才 加 上 拉 电阻。 P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉，给 P0 口加上上拉电阻后，检查所 有显示是否正常。 在实现了倒计时显示功能后，可设置 999 天内的任 意初始倒计时间，且能进行人工校正和调节数码管亮度。
3 系统调试
电路连接三英寸数码管，通过排线与控制电路连接，三英寸的数 码管所需电压为 12V 左右， 通过含 BCD\ 七段锁存 \ 译码 \ 驱动为一 体 的 集 成 电 路 CD4511 输 出 显 示 倒 计 时 。 CD4511 的 1、2、6、7 脚 为 BCD 码输入端，9 至 15 脚为输出端。
五英寸数码管显示电路如图 4 所示。
图 4 五英寸数码管显示电路 电路连接五英寸数码管，通过排线与控制电路连接，五英寸的数 码管所需供电电压为 15V 左右， 通过含 BCD\ 七段锁存 \ 译码 \ 驱动 为一体的集成电路 CD4511 输 出 显 示 倒 计 时 。 CD4511 的 1、2、6、7 脚 为 BCD 码输入端，9 至 15 脚为输出端。 2 软件设计 程序流程图如图 5 所示。
［责任编辑：王静］
图 5 程序流程图 ●
（上接第 103 页）不同的人的脉搏频率也可能不一样，所以频率为 1Hz
左右（本次设计我们取 0.1～2Hz）的 信 号 是 我 们 需 要 的 信 号 ，所 以 频 率
高于 2Hz 和低于 0 的信号都应该被滤除掉。 但由于元器件的性能及本
人的技术水品的限制， 智能设计出频率频带宽为 0.1Hz～10Hz 的带通
人体脉搏的频率为 60～100 次/分钟， 约为 1Hz，（下 转 第 109 页 ）
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2011 年 第 11 期
图 3 三英寸数码管显示电路
在电源正常的情况下，系统开始启动，程序初始化，显示倒计时。 当倒计时的时间发生错误需要校正，则通过外部中断，停止倒计时的 运行，进行时间校正。 如果天数格 d 错误,则对天数格 d 进行校正；如 果小时格 h 错误，则按一天 24 小时对小时格 h 进行校正；同理可对分 格和秒格进行校正。 校正完成后，再通过外部中断，进行复位，则系统 可正常显示倒计时。
【关键词】仪表放大器；带通滤波器；脉搏测量；电源
0 引言
人体脉搏含有大量反映人体健康状况的信息，通过分析人体脉搏 信息来诊断病症，是传统中医学中的重要部分。 当代以来，随着电子技 术和计算机技术的发展，人们能够将人体脉搏信号提取出来，直观地 显示在各种显示器上。 特别是人体脉搏测量仪的出现，大大地推动了 医学的发展，为人类的健康做出了巨大贡献。 人们通过观察和分析人 体脉搏波形，能够更快更精确地诊断各种病症。 当前，虽然人们已经制 造出了各种各样的脉搏测量仪，但人们对脉搏测量仪的进一步研究依 然在火热进行中， 这对人体脉搏测量仪调理的电路的要求也越来越 高，简单、性能稳定等都是表征电路的标准。
模抑制比外，还必须具有良好的低频响应特性。 综合考虑以上因素，我 们选择用仪表放大器来放大经传感器采集到的脉搏信号。
经过实际测试， 我们发现由运算放大器 LM108 和 LM101 构成的
OP07 芯片是一种低噪声， 非斩波稳零的双极性运算放大器集成 电路。OP07 具有非常低的输入失调电压（OP07A 的输入失调电压最大 为 25μV），在很多应用场合不需要额外的调零措 施 。 并 且 OP07 具 有 较低的输入偏置电流（OP07A 的输入偏置电流为±2nA）和很高的 开 环 增益（OP07A 的开环增益为 300V/mV）。 低失调，高开环增益的特性使 得 OP07 广 泛 适 用 于 高 增 益 的 测 量 设 备 和 放 大 传 感 器 的 弱 信 号 等 场 合。
滤波器。 基于 OP07 的为带宽 0.1～10Hz 的带通滤波电路如图 2 所示。
该滤波电路由两级组成。 其中第一级为高通滤波器，第二级为低通滤
波器。 0.1Hz 以上的信号通过第一级到达第二级， 然后被第二级切除
10Hz 以上部分，从而完成带通滤波。 第 一 级 为 同 相 放 大 器 ，其 低 端 截