【摘要】本文首先給出了一種基于AD620芯片心跳速率檢測的方案,介紹了組成系統(tǒng)的傳感頭、信號提取、濾波放大及微處理器等各個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)。其次,根據(jù)該方案設(shè)計(jì)的心跳速率檢測系統(tǒng)獲得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,表現(xiàn)出低成本、高性能的特性。最后,文章討論了提高濾波放大及去除噪聲的相關(guān)技術(shù)。
1.前言
心跳速率是反映人體健康狀況的重要指標(biāo),所謂心跳速率通常是指一分鐘內(nèi)心臟搏動的次數(shù)。心跳速率的檢測可以為臨床診斷、病人的護(hù)理、運(yùn)動員訓(xùn)練等工作提供科學(xué)依據(jù)。近年來,國內(nèi)外研制生產(chǎn)的許多醫(yī)療設(shè)備及健身器材都用到心跳速率檢測電路,研發(fā)低成本、高性能的心跳速率檢測電路具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
本文報(bào)道了一種基于AD620芯片的心跳速率檢測系統(tǒng)。利用AD620芯片良好的低噪聲特性,加上合理的濾波及放大電路,結(jié)合微處理器處理,我們得到一個(gè)高精度的心跳速率檢測系統(tǒng)。
2.電路設(shè)計(jì)
2.1原理框圖
人體皮膚表面含有人的心電信號、肌電以及工頻信號等,一般情況下包含心跳速率信息的心電信號要遠(yuǎn)小于工頻信號等噪聲。為了提取微弱的心電信號,必須采用低噪聲的運(yùn)放并設(shè)計(jì)合理的濾波放大電路。
圖1是心跳速率檢測系統(tǒng)的原理框圖。整個(gè)心跳速率檢測系統(tǒng)包括四個(gè)部分:與人體皮膚表面接觸的傳感頭,信號提取電路,濾波放大電路及微處理器電路。傳感頭一般為容易導(dǎo)電的金屬,與人體皮膚表面接觸后具有人的心電信號、肌電信號以及工頻信號等復(fù)雜的電信號。我們采用低噪聲的AD620運(yùn)放作為心跳速率提取電路的核心芯片。在濾波放大電路部分,采用了簡單的低通濾波電路,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種濾波電路足夠提取心跳速率信號。濾波放大后的信號,用可調(diào)的比較器結(jié)合三極管電路整形成5伏特的TTL電平信號,最后接到微處理器上,由微機(jī)處理心跳信號,計(jì)算出心跳速率并顯示出來。
圖1心跳速率檢測原理框圖
2.2基于AD620的信號提取電路
AD620運(yùn)放,通常用于高精度的測試儀器中,40ppm的最大非線性誤差,最大50uV電壓偏移,最大溫漂0.6uV/℃,因其低噪聲、低偏流、低功耗的特性在心電圖(ECG)、血壓監(jiān)視等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
圖2是基于AD620的信號提取電路,其中LEFT_ARM、RIGHT_ARM、LEG三引線接鋁片(即傳感頭)分別接到人體的左右手和右腳,我們的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,LEFT_ARM、的增益,在我們的實(shí)驗(yàn)中R4為1K,相應(yīng)的AD620運(yùn)放增益為50。增益太大會削弱最后的信噪比,在實(shí)驗(yàn)中要合理的設(shè)置R4阻值。LEFT_ARM、RIGHT_ARM引線間接0.1uF的電容是為有效的削弱工頻噪聲。LEG引線通過TL082A接到AD620,是為LEFT_ARM、RIGHT_ARM的差動信號提供人體的參考電位。
圖2基于AD620的信號提取電路
2.3濾波放大電路
圖3是濾波放大電路。三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成三級放大,各放大100倍,由于電路損耗特別是隔離電容的損耗,實(shí)際信號放大倍數(shù)小于100萬倍。電路中的R6及R5、R9及R8、R11及R10的阻值之比決定放大倍數(shù),在實(shí)際應(yīng)用中要合理的調(diào)節(jié)這些阻值。在放大信號的同時(shí)要采用低通濾波電路,達(dá)到濾除工頻噪聲的效果。由于工頻噪聲的頻率為50Hz,設(shè)計(jì)的濾波電路的通頻帶寬要小于50Hz,即其中電容電阻的RC時(shí)間常數(shù)要和工頻信號周期同一量級,電路中R7、C10組成低通濾波。在各級放大間我們采用1uF的電容隔離,這些電容同時(shí)會衰減信號,而三個(gè)運(yùn)放是選擇信號放大,因此信噪比得到提高。需要指出的是,隔離電容太大的話,容易引起輸出電信號漂移。
圖 3 濾波放大電路
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