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脈搏測量的結構組成與工作原理介紹

電子設計 ? 作者:電子設計 ? 2018-11-15 08:01 ? 次閱讀

1 引言

脈搏測量屬于檢測有無脈博的測量,有脈搏時遮擋光線,無脈搏時透光強,所采用的傳感器紅外接收二極管和紅外發射二極管。用于體育測量用的脈搏測量大致有指脈和耳脈二種方式。這二種測量方式各有優缺點,指脈測量比較方便、簡單,但因為手指上的汗腺較多,指夾常年使用,污染可能會使測量靈敏度下降;耳脈測量比較干凈,傳感器使用環境污染少,容易維護。但因耳脈較弱,尤其是當季節變化時,所測信號受環境溫度影響明顯,造成測量結果不準確。

2 脈搏信號的拾取

脈搏信號拾取電路如圖1所示,IClA接為單位 增益緩沖器以產生2.5V的基準電壓。

紅外接收二極管在紅外光的照射下能產生電能,單個二極管能產生O.4 V電壓,0.5 mA電流。BPW83型紅外接收二極管和IR333型紅外發射二極管工作波長都是940 nm,在指夾中,紅外接收二極管和紅外發射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。紅外發射二極管中的電流越大,發射角度越小,產生的發射強度就越大。在圖l中,RO選100 Ω是基于紅外接收二極管感應紅外光靈敏度考慮的。R0過大,通過紅外發射二極管的電流偏小,BPW83型紅外接收二極管無法區別有脈搏和無脈搏時的信號。反之,R0過小,通過的電流偏大,紅外接收二極管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號。當紅外發射二極管發射的紅外光直接照射到紅外接收二極管上時,IC1B的反相輸入端電位大于同相輸入端電位,Vi為“O”.當手指處于測量位置時,會出現二種情況:一是無脈期。雖然手指遮擋了紅外發射二極管發射的紅外光,但是,由于紅外接收二極管中存在暗電流,仍有lμA的暗電流會造成Vi電位略低于2.5 V.二是有脈期。當有跳動的脈搏時,血脈使手指透光性變差,紅外接收二極管中的暗電流減小,Vi電位上升。

由此看來,所謂脈搏信號的拾取實際上是通過紅外接收二極管,在有脈和無脈時暗電流的微弱變化,再經過IClB的放大而得到的。所拾取的信號為2μV左右的電壓信號。

3 信號的放大

按人體脈搏在運動后最高跳動次數達240次/分計算來設計低通放大器,它由IC2A和C04等組成,如圖2所示。轉折頻率由R07、C04、R08和C05決定,放大倍數由R08和R06的比值決定。

根據二階低通濾波器的傳遞函數,可得

脈搏測量的結構組成與工作原理介紹

按人的脈搏最高為4 Hz考慮,低頻特性是令人滿意的。

需要說明的是,以上分析是在忽略C03的條件下做出的,如果考慮C03的話,那么:

由此可見,C03沒有影響頻率特性的分析,它的作用只是隔直。

二級放大器兼比較器如圖3所示。Rpll用以調整系統的放大倍數,C06用以防止放大器自激。采用二級放大,零點漂移不很明顯,在0.1 V左右。所以將比較器的閾值電壓設計成O.25 V,以確保濾除干擾信號。采用比較器的好處是能有效地克服零點漂移所造成的影響,提高測量的準確性。

脈搏測量的結構組成與工作原理介紹

4 波形整形

波形整形電路如圖4所示,IC3A是CD4528型單穩態多諧振蕩器,有效脈寬為0.05 s。其寬度由R22和C20決定。IC3B也組成一個單穩態多諧振蕩器,脈寬為240ms.D2、Dl和T3等組成一個或非門,只有C,E兩點均為低電平時,信號放大器整機輸出才是高電平。設計這個電路的目的是為了在輸出端輸出一個窄脈沖,并且要在由R13和C07決定的時間內任何信號都不會干擾輸出。R23和C21充電時間的長短決定了計數脈沖的寬度,一般不希望它太寬。波形整形時序如圖5所示。

脈搏測量的結構組成與工作原理介紹

5 結束語

當該放大器用于集群脈搏測量儀時,一定要注意不同信號通道之間的相互影響,建議把各個放大器的電源分開。此外,測量通道需要一個開關電路,當指夾懸空時,這個開關電路關閉單穩態電路,切斷信號通路,防止亂計。

幾年的生產實踐證明,該放大處理電路穩定可靠。下面是在設計中獲得的一些體會。

脈搏測量的結構組成與工作原理介紹

采用二級放大好于三級放大,個別三級放大電路板的零點漂移大得足以達到滿幅,使得測量不準確。每個單級放大器放大倍數最好不要大于30,以免自激振蕩。

本信號放大器的高頻轉折頻率由C05、C04、R07、R08和R06決定,C05、C04通常選聚丙烯電容器或聚碳酸酯電容器,R07、R08和R06通常選金屬膜五色環電阻。

IClA、R02和R03組成電壓跟隨器,設計值為2.5 V,精確度由R02和R03決定,最好用金屬膜五色環電阻器。

隔直電容器C03的漏電要小,選用鉭電解電容器為佳。

IClA和IC1B要選用偏置電流小、輸入失調電壓小的運算放大器

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