非接觸人體心率檢測電路設計

　　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；青島興儀電子設備有限責任公司，山東?青島?266555）

　　摘?要：本文設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(shí)際的印制板布局也提出了有效的處理措施，來(lái)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，在醫學(xué)上有多種測量脈搏和心跳信號的方法，醫學(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在非常流行的智能穿戴設備，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(shí)驗了一種非接觸測量人體脈搏（心率）的方法，實(shí)際測量并取得了準確的結果。

　　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，智能穿戴設備采用了接觸式的“光電容積脈搏法”來(lái)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(gè)部位，通過(guò)的光來(lái)攜帶人體脈動(dòng)的微弱信號。我們將光源與被測對象，使其互相不接觸。實(shí)驗過(guò)程中利用激光來(lái)照射人體手部，將人手脈搏信號調制在激光信號上，將調制后的激光信號進(jìn)行光電轉換和精密放大后，再從電信號中將這種周期信號解調出來(lái)，如圖1。

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

　　2 信號的放大和調理

　　2.1 電路設計

　　在光電信號轉換過(guò)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計，在這里就不多贅述。轉換光電流在pA級別，對電路的可靠性穩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(guò)一個(gè)跟隨放大器輸出帶通濾波器，再到精密模數轉換器。以下從直流分析、穩定性補償、閉環(huán)增益和噪聲消除4個(gè)方面來(lái)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，輸出失調電壓來(lái)看。我們這個(gè)電路中轉換的光電流在pA級別。直流特性需要滿(mǎn)足

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

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

　　2.1.2 穩定性補償

　　運放的穩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(lái)說(shuō)，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定，相位裕度=0°時(shí)就會(huì )發(fā)生振蕩；隨著(zhù)相位裕度的增加，系統有過(guò)沖的輸入響應。增益裕度就是相角為-180°時(shí)的增益，一般＜0 dB，也就是圖3中的GM。

　　運放的開(kāi)環(huán)增益隨頻率的變化通常在數據手冊中有，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(gè)補償電容C C ，來(lái)彌補階躍響應的過(guò)沖和振鈴。為此，我們將圖3的電路圖進(jìn)行模型化，并對其中的各電阻電容進(jìn)行分類(lèi)統計，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(guò)運放的波特圖，我們可看出，當轉折點(diǎn)頻率f _XVR 大于噪聲增益極點(diǎn)f _NP ，且落在增益帶寬積f _GBP之內時(shí)，增益帶寬積f _GBP 典型值為2 MHz，運放可以穩定工作，即滿(mǎn)足如下條件：

　　其中：

　　通過(guò)，計算出來(lái)轉折點(diǎn)頻率，噪聲增益的零點(diǎn)，噪聲增益的極點(diǎn)。從而可以基本判定運放是否處于穩態(tài)區域。

　　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(guò)電容C _C 的補償，可以得到穩定的閉環(huán)增益。一般來(lái)說(shuō)，光電轉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(shí)可以選擇更快的運放，可以增加帶寬，避免運放運行的不穩定區域。

　　2.1.4 噪聲消除

　　為了將更加微小的信號放大出來(lái)，我們習慣將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(guò)兩級放大串聯(lián)來(lái)增加增益。

　　將運放輸出端增加RC濾波器，可以減小整個(gè)系統的信號帶寬，這將克服噪聲跟隨頻率增加導致輸出噪聲電壓密度的增加。

　　2.1.5 其他

　　一個(gè)穩定的微弱信號采集電路，必須有一個(gè)穩定的供電電源，在設計之初，對芯片的電源進(jìn)行濾波設計。

　　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(guò)程中，采用差分放大電路抵消共模干擾。根據上面的設計和分析，最終的設計電路圖如圖4所示。

　　2.2 印制板材料及布局

　　電磁干擾常常會(huì )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(jìn)行保護，對印制板布局優(yōu)化設計和選型，這樣才能發(fā)揮出設計電路的效能。輸入端的信號線(xiàn)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，減少外圍元件數量，簡(jiǎn)化系統設計。

　　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(huì )有20 nA的漏電流，這是非常大的一個(gè)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換出來(lái)，不受電路干擾影響。圖5是采用羅格斯材料作為基板一個(gè)示意圖和實(shí)際的印制板布局。

　　在保護環(huán)設計的時(shí)候，將印制板GRD保護環(huán)區域開(kāi)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(shí)際印制板電路如圖6所示，經(jīng)過(guò)這樣設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 結論

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

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　　作者簡(jiǎn)介：

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

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