非接觸人體心率檢測電路設(shè)計

　　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(shè)備有限責(zé)任公司，山東?青島?266555）

　　摘?要：本文設(shè)計了一款非接觸心率信號的檢測電路，并分析了運放電路的可靠性和去除噪聲的措施，對實際的印制板布局也提出了有效的處理措施，來保證人體心率微弱信號可靠提取。

　　關(guān)鍵詞：非接觸；人體心率；去除噪聲；印制板；布局

　　0 引言

　　人體的心率信號非常微弱，在醫(yī)學(xué)上有多種測量脈搏和心跳信號的方法，醫(yī)學(xué)上的方法一般都是接觸式測量，測量手腕或者測量心臟位置的信號?，F(xiàn)在非常流行的智能穿戴設(shè)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。本文就是尋找并實驗了一種非接觸測量人體脈搏（心率）的方法，實際測量并取得了準(zhǔn)確的結(jié)果。

　　1 非接觸人體心率信號的提取

　　正常人體的脈搏和心率是一致的，智能穿戴設(shè)備采用了接觸式的“光電容積脈搏法”來間接的檢測心率。非接觸人體心跳信號我們也采用了光電方法，將光打在了人體某個部位，通過的光來攜帶人體脈動的微弱信號。我們將光源與被測對象，使其互相不接觸。實驗過程中利用激光來照射人體手部，將人手脈搏信號調(diào)制在激光信號上，將調(diào)制后的激光信號進行光電轉(zhuǎn)換和精密放大后，再從電信號中將這種周期信號解調(diào)出來，如圖1。

　　在這個信號提取鏈路中，核心的問題是光信號的調(diào)制和電信號的解調(diào)。光信號的調(diào)制這里不討論了。我們需要對光電轉(zhuǎn)換后的信號進行準(zhǔn)確的非失真的放大，我們的識別設(shè)備要放在工業(yè)現(xiàn)場使用，在工業(yè)環(huán)境中，噪聲信號大、空間輻射干擾大，脈搏信號調(diào)制在微弱的光信號中，信號的放大電路必須設(shè)計可靠。

　　2 信號的放大和調(diào)理

　　2.1 電路設(shè)計

　　在光電信號轉(zhuǎn)換過程中，跨阻抗放大電路形式和零偏置的光伏模式都是典型設(shè)計，在這里就不多贅述。轉(zhuǎn)換光電流在pA級別，對電路的可靠性穩(wěn)定性分析顯得尤為重要。圖2是光電信號的放大電路，放大之后經(jīng)過一個跟隨放大器輸出帶通濾波器，再到精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器。以下從直流分析、穩(wěn)定性補償、閉環(huán)增益和噪聲消除4個方面來分析運放電路的可靠性。

　　2.1.1 直流分析

　　從運放本身的輸入偏置電流，輸出失調(diào)電壓來看。我們這個電路中轉(zhuǎn)換的光電流在pA級別。直流特性需要滿足

　　需要選擇運放的最大輸出失調(diào)電壓盡量小，此處R F取樣電阻為500 MΩ。

　　由式（1）可知，根據(jù)電路參數(shù)計算，輸出失調(diào)電壓導(dǎo)致的電流漂移為0.1 pA，合計0.1001 pA，遠遠小于要求的I _S 電流10 pA。

　　2.1.2 穩(wěn)定性補償

　　運放的穩(wěn)定性分析主要從相位裕量（PM）和增益裕量(GM)兩方面考慮。

　　一般來說，45°~60°的相位裕度是比較合適的。如果相位裕度比較小則容易不穩(wěn)定，相位裕度=0°時就會發(fā)生振蕩；隨著相位裕度的增加，系統(tǒng)有過沖的輸入響應(yīng)。增益裕度就是相角為-180°時的增益，一般＜0 dB，也就是圖3中的GM。

　　運放的開環(huán)增益隨頻率的變化通常在數(shù)據(jù)手冊中有，我們更感興趣的是運放的閉環(huán)增益，閉環(huán)下的相位裕量，典型做法是在反饋電阻兩端并聯(lián)一個補償電容C C ，來彌補階躍響應(yīng)的過沖和振鈴。為此，我們將圖3的電路圖進行模型化，并對其中的各電阻電容進行分類統(tǒng)計，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(dāng)轉(zhuǎn)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(nèi)時，增益帶寬積f _GBP 典型值為2 MHz，運放可以穩(wěn)定工作，即滿足如下條件：

　　其中：

　　通過，計算出來轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)區(qū)域。

　　2.1.3 閉環(huán)增益

　　運放的閉環(huán)增益大小取決于反饋電阻R _F ，通過電容C _C 的補償，可以得到穩(wěn)定的閉環(huán)增益。一般來說，光電轉(zhuǎn)換電路中反饋電阻的阻值比較大，為不影響補償電容，可以考慮使用耕地寄生電容的電阻，例如表貼型的電阻。同時可以選擇更快的運放，可以增加帶寬，避免運放運行的不穩(wěn)定區(qū)域。

　　2.1.4 噪聲消除

　　為了將更加微小的信號放大出來，我們習(xí)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(lián)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(tǒng)的信號帶寬，這將克服噪聲跟隨頻率增加導(dǎo)致輸出噪聲電壓密度的增加。

　　2.1.5 其他

　　一個穩(wěn)定的微弱信號采集電路，必須有一個穩(wěn)定的供電電源，在設(shè)計之初，對芯片的電源進行濾波設(shè)計。

　　為了能使得信號軌之軌放大，信號不失真，還采用了±5 V電源供電。二級放大過程中，采用差分放大電路抵消共模干擾。根據(jù)上面的設(shè)計和分析，最終的設(shè)計電路圖如圖4所示。

　　2.2 印制板材料及布局

　　電磁干擾常常會對電路性能造成不利影響，在信號強度較低情況下，需要對精密信號進行保護，對印制板布局優(yōu)化設(shè)計和選型，這樣才能發(fā)揮出設(shè)計電路的效能。輸入端的信號線盡量短，在輸入端增加GRD保護環(huán)，可以最大程度的降低印制板中的輸入引腳漏電流，減少外圍元件數(shù)量，簡化系統(tǒng)設(shè)計。

　　GRD保護環(huán)加在光電流采集的一端，普通印制板基板采用FR-4，其絕緣性能為50 MΩ左右，有1 V的壓差就會有20 nA的漏電流，這是非常大的一個值，而采用羅格斯4350B作為基板，其絕緣電阻在 5.7 10 × ?9，可以將值下降100倍，從而能將更微弱的信號轉(zhuǎn)換出來，不受電路干擾影響。圖5是采用羅格斯材料作為基板一個示意圖和實際的印制板布局。

　　在保護環(huán)設(shè)計的時候，將印制板GRD保護環(huán)區(qū)域開窗，去掉涂層，可以大大增加絕緣效果。印制板的焊接和精密運放的屏蔽都有關(guān)鍵作用，在此就不一一贅述。實際印制板電路如圖6所示，經(jīng)過這樣設(shè)計的禽蛋心跳光電信號提取電路，可以精確采集10 pA級別的微弱光電流信號。

　　3 結(jié)論

　　人體脈搏信號非常微弱，現(xiàn)有的設(shè)備不管是醫(yī)療電子還是智能穿戴設(shè)備都采用了接觸式的方法來檢測人體脈搏或者心電信號。本文著重從非接觸人體心率信號檢測轉(zhuǎn)換電路的穩(wěn)定性補償和印制板布局幾個方面做了詳細分析和討論，并在實際結(jié)果中取得了良好的測量效果。

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　　作者簡介：

　　郭慶亮，高級工程師，研究方向為自動化產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)，E-mail: guoql@eidz.com。

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