基于Proteus心血管測試儀前置放大端的研制

王 靜，徐 斌，張 凱，陳 達

(1.合肥健橋醫(yī)療電子有限責任公司技術部，安徽合肥 230088;2.合肥工業(yè)大學材料物理與化學系，安徽合肥 230009)

基于Proteus心血管測試儀前置放大端的研制

王 靜1，徐 斌1，張 凱2，陳 達2

(1.合肥健橋醫(yī)療電子有限責任公司技術部，安徽合肥 230088;2.合肥工業(yè)大學材料物理與化學系，安徽合肥 230009)

基于嵌入式計算機的心血管測試儀是以往產(chǎn)品的升級和換代。文中研制出一種前置放大電路，能對脈搏信號進行濾波和放大，并且放大倍數(shù)能方便地通過嵌入式計算機調(diào)節(jié)。借助Proteus仿真軟件平臺對電路進行仿真和性能測試分析。實驗證明，仿真結果與實測結果達到了設計要求。證明該設計方法可以提高設計效率、節(jié)約成本、值得推廣。

心血管測試儀;前置放大電路;濾波;放大電路;Proteus軟件

心血管疾病是人類首要的死亡原因，全世界每年有1 670.1萬人死于心血管疾病，這個數(shù)字是排在第2名的惡性腫瘤死亡人數(shù)的2.4倍。及時對心血管疾病如冠心病等做到早期發(fā)現(xiàn)，對預防和降低其死亡率有重要意義［1］。

脈搏診斷是中醫(yī)診斷的重要手段和方法［2］。當脈搏由心臟開始向動脈系統(tǒng)傳播時，不僅要受到心臟本身的影響，同時也會受到流經(jīng)各級動脈及分支中各種生理因素如血管阻力、血管壁彈性等的影響，因為脈搏豐富的諧波強度和頻率成分，包含著豐富的心血管系統(tǒng)生理病理信息，脈搏波的特征與心血管系統(tǒng)中特征參數(shù)變化密切相關［3］?，F(xiàn)代生理學認為，脈搏首先是人心血管功能的直接反應，可通過觀察和分析人體的脈搏特征來診斷心血管系統(tǒng)的活動規(guī)律［4］。由中醫(yī)學的理論和臨床經(jīng)驗可知，腕脈脈搏波是心血管活動在橈動脈處的外在表現(xiàn)，可從其的輕重可獲知人體的病理變化，動脈血管的病理變化也必然會反映在脈搏信號上。因此，采用合適的信號處理方法分析脈搏波信號，尋找出橈動脈脈搏波信號與心血管狀態(tài)之間的關系，將有助于發(fā)展新型的、無創(chuàng)的心血管狀態(tài)檢測手段。

為更好地提高電路設計性能，改善脈搏信號的傳輸效果，文中借助Proteus仿真技術，對電路各組成部分進行仿真分析，最終得到正確的設計電路和元器件參數(shù)，有利于仿真電路的測量與調(diào)試。整個設計過程簡單方便、節(jié)約了設計成本、縮短設計周期，且仿真結果與實際調(diào)試結果接近，證明該方法對電子電路的設計和應用具有較好的推廣價值［5］。

文中研究的脈搏信號監(jiān)測系統(tǒng)是基于S3C2410芯片為核心的開發(fā)板，具有豐富的接口功能，滿足各種各樣的要求，內(nèi)存較大、可以移植軟件、通用性強、運行速度快、效率高，可以說是微型化的計算機。

1 前置放大電路

前置放大電路的作用對采集到的脈搏信號進行降噪、濾波以及放大到嵌入式計算機能識別的幅度。前置放大端的總體結構如圖1所示。

圖1 心血管測試儀前置放大端

脈搏傳感器采用惠特斯電阻橋式傳感器，其輸出電壓為10～100 mV。脈搏的頻率在脈搏信號的頻率成分主要分布在0～20 Hz之間，這與空間存在大量的50 Hz的交流電頻率接近。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需要放大3種電路放大信號，單運放差動放大器、三運放儀表放大器或者雙運放儀表用放大電路。因為脈搏信號微弱性以及嵌入式計算機需要對波形進行識別，所以心血管前置放大電路采用三運放儀表放大器。信號輸出后將接入開發(fā)板的模數(shù)轉換接口，開發(fā)板的模數(shù)轉換接口有多個，本系統(tǒng)使用J20中的AIN1接口，這樣輸入嵌入式計算機信號經(jīng)過處理、識別等一系列的計算和分析，便得到被測量人心血管的健康程度報告。

2 三運放儀表放大器的設計

放大器選用OPA4277高精度、低噪音的4組放大芯片，三運放儀表放大器使用3個運放，一個做電壓跟隨器［6］。電路如圖2所示。通過過橋式電阻構成的傳感器輸入的信號時常伴有較大的噪音。對于這樣的信號，第一步通常是采用儀表放大器將小信號放大。這個放大的主要目的不是增益，而是提高電路導的信噪比，將需要的信號從噪聲中分離出來;同時，儀表放大電路能分辨輸入信號越小越好，動態(tài)范圍越寬越好。儀表放大電路性能的優(yōu)劣直接影響嵌入式計算機能夠檢測的輸入信號范圍。圖2中C1、C2是濾波電容，為了消除競爭—冒險現(xiàn)象。圖2 中的U1∶A、U1∶B、U1∶C 這3 個運放構成儀表放大電路，它主要由兩級差分放大電路構成。其中，U1∶A、U1∶B 為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅提高電路的輸入阻抗，減小電路對微弱輸入信號的衰減;差分輸入可以使電路只對差分信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得送到后級的差模信號與共模信號的幅值比得到提高［7］。這樣以運放U1∶C為核心部件組成的差分放大電路中，在CMRR要求不變情況下，可明顯降低對電阻R6和R7、R8和R9的精度匹配要求，從而使儀表放大電路比簡單的差分放大電路具有更好的共模抑制比。在運放U1∶C中也接入調(diào)零點的電路，方便調(diào)節(jié)放大電路工作在合適的零點處。在R3=R4，R6=R7，R8=R9的情況下，其中儀表放大電路的放大倍數(shù)為G=－(R8/R5)(1+2R4/RV2)。由公式可見，電路增益的調(diào)節(jié)可通過改變RV2的阻值實現(xiàn)。這點對基于嵌入式計算機的心血管測試儀具有重要意義。因為心血管測試儀針對的人群有較大年齡段的跨越，不同年齡段、不同性別的被測試者的脈搏強度有較大區(qū)別。如果前置放大電路的放大倍數(shù)固定不變，在對不同脈搏強度的人進行測試時容易出現(xiàn)飽和失真和截止失真。在實際的電路中，采用數(shù)字電位器X9313替代圖3中的滑動變阻器RV2，這對實現(xiàn)在嵌入式計算機控制下，方便地調(diào)節(jié)放大電路的放大倍數(shù)［8］。

放大器的第4個部分接成電壓跟隨器Av≈1，輸入電阻Ri→∞，該電路基本不從信號源吸取電路輸出電阻Ro→0，當負載變化時，輸出電壓Vo較小，故在電路中常作為阻抗變換器或緩沖器。

圖2 心血管前置放大端電路

3 Proteus對設計電路的驗證

在Proteus中對設計的前置放大端進行仿真驗證，電路圖如圖3所示。經(jīng)計算，在滑動變阻器為10 kΩ時，前置放大電路的放大倍數(shù)為210。在輸入端加入幅值為20 mV，頻率為75 Hz的正弦波，在14腳的輸出端接入示波器其結果如圖4所示。仿真結果和實際計算結果相同，輸入的20 mV的正弦波為示波器的第一個波形幅值只有10 mV，這是因為輸入端為了雙端出入，相當于單端輸入的1/2。輸出的信號幅值接近4 V，放大接近200倍，達到了設計目的，在實際的研發(fā)過程中一次制版成功。在Proteus中可以方便地改變電路的參數(shù)，動態(tài)地觀察、分析電路情況。

圖3 Proteus前置放大電路驗證電路

圖4 心血管前置放大電路仿真結果

4 結束語

系統(tǒng)介紹了心血管前置放大的設計思想，給出了實現(xiàn)過程，并利用Proteus仿真，實驗證明，Proteus仿真平臺可任意更改電路元件及參數(shù)，使電路設計更加簡單方便，既驗證電路設計及參數(shù)匹配的可行性和正確性，又節(jié)約耗材成本，提高設計效率，具有一定的推廣意義。

［1］沈海東.脈搏信號與心血管狀態(tài)關系的研究［D］.上海:上海交通大學，2007.

［2］張愛華，楊鳳霞，王潤東.基于脈象信號的亞健康狀態(tài)的識別［J］.蘭州理工大學學報，2006，32(6);82 －84.

［3］王炳和，郭紅霞.從脈搏信號中準確提取呼吸和心率信息的新方法［J］.陜西師范大學學報:自然科學版，2005(3):53－55.

［4］王炳和，相敬林.脈搏系統(tǒng)建模與脈象信息分析的研究進展［J］.生物醫(yī)學工程，2002，19(2):329 －333.

［5］駱旭坤.基于Proteus的音頻功率放大器的設計與仿真［J］.佛山科學技術學院學報:自然科學版，2011，29(1):58－62.

［6］陳淑芳.儀用放大器簡介及應用［J］.赤峰學院報:自然學科版，2008，24(5):102 －103.

［7］康華光，陳大欽，張林.電子技術:基礎模擬部分［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006.

［8］王勇，田曉東.數(shù)控電位器X9313及其應用［J］.國外電子元器件，1997(7):5－6.

Development of a Proteus-Based Cardiovascular Tester Endpreamplifier

WANG Jing1，XU Bin1，ZHANG Kai2，CHEN Da2
(1.Technical Department，Hefei Jianqiao Medical Electronic Co.，Ltd.，Hefei 230088，China;2.Department of Materials Physics and Chemistry，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

The cardiovascular tester based on the embedded computer is an updated version of the previous one.We developed a preamplifier circuit which can filter and amplify the pulse signal and the amplification can be easily adjusted by the embedded computer.The Proteus is adopted，on which circuit simulation and performance analysis is conducted.The results show that the simulation results and actual results are very close and meet the design requirements.Our design can improve design efficiency and save cost and is therefore worth popularizing.

cardiovascular test;preamplifier circuit;filter;amplifier;Proteus software

TU411.01

A

1007－7820(2012)08－003－03

2012-02-20

國家科技部科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金資助項目(O8C262134o0852)

王靜(1976—)，女，工程師。研究方向:計算機應用，電子產(chǎn)品軟、硬件開發(fā)與設計。