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 ～3 uA ，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， 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：
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：1g Vi i R =-∙
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R 1=22K Ω，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C 1、电阻R 2和电容C 2。

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R 3=22K Ω，为满足放大20倍，选用R 4=500K Ω。

得理想放大倍数4
3
22.7R H R =-
=-倍 C 3用来隔直；C 4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 ，C 4不能太大也不能太小，取C 4=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R 6、C 5 、R 7 和C 6 决定，放大倍数由R 7 和R 5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：
256
56756
756715671
()1111()()R Vo s R R R C C S Vo s S C R R R R R C C -
∙
=
++++
理想放大倍数为
7
5
22.7
R
H
R
=-=-倍。

0.707倍零频增益高频转折频率：
f H=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：1.3MHZ
失调电压：典型值7μA，最大值30μA
失调电流：典型值10PA，最大值200PA
总结：
整体电路仅采用一个LM324，且电阻值只用到22KΩ和500KΩ两种电阻，使设计简单，节省资源。

总的理想放大倍数为4×106，截止到14赫兹左右，基本满足脉搏信号的拾取条件。

测试报告
1、静态工作点的测量
将输入两端短路，接入工作电压，用万用表测得输出电压为390mv,低于500mv基本满足条件。

2、硅光电池特性测量
如图连接电路，用普通台灯当光源照射，
测得输出约为2V，所以硅光电池输出短路电流变化量约为1～2μA。

3、一级放大电路
图2 一级放大
用信号源输入20mv电压，并改变输入信号频率进行观察，测得数据表为：
根据观察可得在脉搏信号强的部分如5HZ时放大22倍，且截止频率在30HZ左右，与理想值基本吻合。

4、后级滤波加放大
图3二级低通放大器
用信号源输入224mv电压，并不断改变输入信号频率观察输出，测得数据表为：
据观察得截止频率在10HZ左右，且在50HZ时输出只有5HZ（脉搏信号较强时）时的大约十分之一，可见滤波效果较好。

5、脉搏信号测试
将手指紧贴硅光电池表面，用台灯照射，打开工作电源，观察示波器。

测得男生脉搏波形接近：
女生脉搏波接近：
总结：
脉搏信号的主峰频率在1HZ左右，但由于示波器的缺陷，不能观察放大器和滤波器在低频时的放大情况，使得数据有点模糊。

由于示波器为直流耦合,所以直流电平漂移很严重,这就要求受试者一定要平静,身体自然放松,使漂移降到最低程度。

光照射指尖部, 使硅光电池中心正对着微血管床。

由于放大倍数较大，入射光强不要太强，否则会使输出饱和，且不同的人脉搏波强度不同，为适应不同条件下的检测，最好的办法是把一级放大电路的反馈电阻用一个可调电阻和普通电阻串联。

本文设计的脉搏传感器目前仅能提供脉搏的振幅及频率，尚不能用于医学实践。

若对传感器采集的信号经过进一步的波形分析及借助医生的经验，可对临床诊断提供帮助。