设计报告光电脉搏信号检测电路

医用电子设计报告

光电脉搏信号检测电路

一、设计目的与意义

脉搏的概念：

脉搏的广义内容包括心尖搏动波、动脉波和静脉波。其共同特点是频率甚低。动脉脉搏为一般所说的脉搏，由心脏节律性地收缩和舒张引起主动脉中的容积和压力发生改变，从而使动脉管壁出现振动而产生的。脉搏产生后沿管壁向全身动脉传播，在身体浅表有动脉通过的部位，都可触摸到脉搏。所以动脉波的测量相对来说比较方便。

正常动脉波形如图。它由以下几个部分组成。上升支：在心室快速射血期，动脉血压迅速上升，管壁被扩张，形成脉搏波形中的上升支；下降支：心室射血的后期。射血速度减慢，进入主动脉的血量少于由主动脉流向外周的血量，故被扩张的大动脉开始回缩，动脉血压逐渐降低，形成脉搏波形中下降支的前段。随后，心室舒张，动脉血压继续下降，形成下降支的其余部分。因为心室舒张时室内压下降，主动脉内的血液向心室方向返流。这一返流使主动脉瓣很快关闭。返流的血液使主动脉根部的容积增大，并且受到闭合的主动脉瓣阻挡，发生一个返折波，因此在降中峡的后面形成一个短暂的向上的小波，称为降中波。老年人或者高血压病人由于血管顺应性较差，所以降中波不明显或者消失。血管弹性不良而硬化时，上升及下降段也均呈陡峭状。

脉搏能反映心血管系统多方面的状态，如心跳的频率和节律、心脏的收缩力、血管充盈度、动脉管壁的弹性等等。所以脉搏的测定是一项重要的临床检查顶目。中医更将扪脉作为诊治疾病的主要方法。在中医现代化研究中，对脉搏的分析更为细致，可以分辨出迟脉、数脉、代脉、浮脉、弦脉、滑脉和涩脉等等。其中有以频率之不同而区分的（如迟脉、数脉），有以节律区分的（如结脉、代脉），有以深浅和形态区分的（如弦脉、滑脉、涩脉）等。这就要求在设计脉搏传感器时，要对其灵敏度、频响、拾取信号的方向等作认真的考虑。

二、系统设计

光电转换器的设计：

①原理：

利用光电池的光生电流大小与被测光的照度成正比的特性，用光电池作为光电变换器件。

生物体组织对波长大于600nm的红光和近红外光线吸收的较少，透过较多。但是，血液却极易吸收这种光线，特别是对波长700-800nm范围的光线，无论是氧和血红蛋白还是还原血红蛋白都能大量的吸收它。利用红外发光二极管照射手指尖部，因为指尖血管中血液容积变化体现动脉搏动情况，当血液充盈（容积变大）时，红光透过的少，否则透过的多。

利用光电池把透过指尖的光强变化转化为电压信号。

②光电池的选择

脉搏波是低频微弱的生理信号，电路的核心元件光电探测器选用了灵敏度较高、响应快、转换效率高的硅光电池。硅光电池具有较小内阻的恒流源特性，当负载电阻小时，其光电流随入射光照度成好的线性变化关系，线性关系的范围也较宽。因此，电路设计时将硅光电池用作电流源

透射型光电转换器

③注意事项：

1.硅光电池选择：在固定光强条件下曝光，直接检测光电流是否达到所需灵敏度。

2.检测光源稳定性：保证传感器匣内光源强度不变，应采用稳压电源。单次检测可用干电池。

3.光源与光电池的距离能固定不变：防止光源移动影响波形幅。

4.测试匣不透光或漏光：防止周围环境光源干扰。

5.光电源引出线为屏蔽线——防止干扰(与显示器地线联结)

6.使用时注意待测指端位置固定，每次插入均至无名指第一指节横纹处。如作持续监控用，需将传感器用胶纸固定，以免移动。

三、单元电路的设计

(1)光电转换电路

光电转换电路的技术核心要有最佳的线性度和信噪改善比。光电转换电路采用如图所示的低输入阻抗的电流放大型。硅光电池与运算放大器的两个输入端相连，运算放大器处于电流放大状态。运算放大器两输入端间的输入阻抗in Z 是光电池的负载电阻，可表示为in Z =Rf ／(A+1)

为了抑制高频干扰和消除运放输入偏置电流的影响，实际电路在正输入端加入平衡电阻，可以使运放两个输入端由偏置电流在两电阻上产生的压降相等，从而消除偏置电流的影响。

参数设置：C1=C2=1μF Rf=23.9k Ω

信号放大倍数为23900倍

(2)信号调理电路

a.信号放大、一阶滤波

14μ电容隔直流，一阶滤波截止频率0612

18.8210180010f hz π-=

=⨯⨯⨯,放大倍数为100倍

用ewb 仿真得到结果：

b.三阶滤波

由于人体脉搏最高频率约为4hz，而主要频率分布在1hz左右，所以设置截止频率为10hz，选取三阶低通滤波器，设置参数如图标注，并且可以有效的滤除50hz工频干扰。

用ewb仿真显示结果：

四、整体电路

总体放大倍数A=A1A2=23900×100=2390000

理论上将光源通过手指照射在硅光电池，电池的电流为2μA，放大后可以到达伏级，是令人满意的

测试报告

一、各项参数测试

1.信号拾取

采用实验室提供的台灯作为光源，由于要求精度不高，所以光源稳定性是符合要求的。测试时将食指指尖放于硅光电池上，尽量坐着测试，手臂放平，避免手的抖动和位移。

2.三阶滤波器的测试

输入信号Vi=16.9mv 从1hz开始慢慢调大信号频率，当输出信号V o幅值下降到输入的0.707倍12.0mv时，信号频率为10.3hz，与设计的10hz截止频率完全符合。继续调节输入信号，发现到50赫兹左右几乎没有信号，工频干扰得到有效抑制。

3.静态工作点

将放大器两输入端对地短路，测得输出端输出约200mv<0.5v，符合要求。

4.放大倍数测试

用信号发生器输入20mv的信号，用示波器观察输出Vo的幅值为2v，放大了100倍，符合设计

二、小结

实际测得的脉搏波形幅值适当，便于观测，噪声较低，波形基本稳定如图

缺点是有一定时间的延迟，受被测者自身影响大，还有待改进。

本传感器有如下主要特点：较高的信噪比；较好的线性；实际电路制作选用了具有体积小、功耗低、工作电压低、可以单电源工作、廉价等优点的四运放集成电路LM324，电路结构紧凑；降低了传感器的功耗和价格。

这次的课程设计，我从最开始的一无所知，无从下手，到查找阅读大量资料，有了一定的整体设计思路，再到在实验室里的动手实践，到最后完成设计看到脉搏波，经历了一段曲折艰辛，有苦有乐的过程。一次次的在实验室废寝忘食的奋斗一整天，一次次的出现困难显示出之前基础知识掌握的不牢固和经验的欠缺，而一次次的通过学习、动手而解决了问题的喜悦也是其他任何所不能代替的。尤其是当最后在示波器上看到脉搏波，怀着忐忑的心情听李老师的评价，当李老师用了“很好”来肯定的时候，我心中的喜悦消除了之前所有的疲累、沮丧，感到一切的努力都是值得的。拿着自己制作的电路板，我百感交集，感谢李老师让我们真正掌握了真才实学，我会带着这种精神继续投入到各项学习和研究中去！