【正文】 電路考慮到集成運放的同相輸入端電壓為 (431)而與的關(guān)系為 (432)對于節(jié)點A，應(yīng)用KCL可得 (433)將式(431)~(433)聯(lián)立求解，可得電路的傳遞函數(shù)為 (434)令 ，則有 (435)式(435)為二階低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式。其中為特征角頻率，而則稱為等效品質(zhì)因數(shù)。式(434)表明，才能穩(wěn)定工作。當(dāng)時，將有極點處于右半平面或虛軸上，電路將產(chǎn)生自激振蕩。若用代入式(435)，可得幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)表達(dá)式，分別為 (436) (437) 圖46 低通濾波電路的幅頻特性式(436)表明，當(dāng)時，；當(dāng)時。顯然，這是低通濾波電路的特性。由式(436)可畫出不同值下的幅頻特性，如圖46所示。由圖可見，當(dāng)時，幅頻響應(yīng)較平坦，而當(dāng)時，將出現(xiàn)峰值，當(dāng)和情況下，；當(dāng)時。這表明二階比一階低通濾波電路的濾波效果好得多。當(dāng)進(jìn)一步增加濾波電路階數(shù)，由圖47可看出，其幅頻響應(yīng)就更接近理想特性。圖47 n階巴特沃斯濾波電路的幅頻響應(yīng) 二階高通濾波電路 為了將信號中的直流成分濾除，為此設(shè)計了如圖48的高通濾波器。其截止頻率為：，等效品質(zhì)因數(shù)【15】。圖48 二階高通濾波電路如果將圖45所示二階壓控電壓源低通濾波電路中的和位置互換，則可得到二階壓控電壓源高通濾波電路，如圖48所示。由于二階高通濾波電路與二階低通濾波電路在結(jié)構(gòu)上存在對偶關(guān)系，他們的傳遞函數(shù)和幅頻響應(yīng)也存在對偶關(guān)系。圖49 二階高通濾波電路的幅頻響應(yīng)考慮到高通濾波電路在電路結(jié)構(gòu)、傳遞函數(shù)和幅頻響應(yīng)與低通濾波電路的對偶關(guān)系，將二階低通濾波電路的傳遞函數(shù)表達(dá)式(434)中的用代替，則可得二階高通濾波電路的傳遞函數(shù)為 (441)令 ，則 (442)式(442)為二階高通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式。將式中的用代替，則可得二階高通濾波電路的頻率響應(yīng)特性方程為 即有 (443) 由式(443)可畫出其幅頻響應(yīng)曲線，如圖49所示。由圖可見，二階高通濾波電路和低通濾波電路的幅頻特性具有對偶關(guān)系。如以為對稱軸，二階高通濾波電路的(當(dāng)時)隨升高而增大，而二階低通低通濾波電路的（當(dāng)時）則隨升高而減小。二階高通濾波電路在(如)時，其幅頻響應(yīng)以40dB/十倍頻程的斜率上升。由式(441)知，只有當(dāng)時，電路才能穩(wěn)定地工作。 二級放大及電平提升電路低通濾波后得到的脈搏波信號比較微弱，為此再設(shè)計一級放大電路，將脈搏信號幅度放大到伏級，以便于采集。又由于人體呼吸、移位等原因造成的基線漂移干擾使脈搏波信號中含有負(fù)值，而考慮到后續(xù)電路中采用的 A/D 采樣范圍為 0~，為此設(shè)計了一級電平抬高電路，將電壓幅度抬升到 0~ 之間，如圖410 所示。圖410 信號放大及電平提升電路后續(xù)采樣電路多采用低功耗微處理器。有時由于人體的運動和光強(qiáng)的突然變化，容易引起輸出波形的突變。，用于保護(hù)處理器。第五章 系統(tǒng)運行結(jié)果測試用示波器直接測量光電接受管的輸出電壓波形，剛開始輸出信號變化不明顯，后來考慮是接受管的串聯(lián)電阻太小，微弱的電流變化反應(yīng)在電阻的電壓變化上不明顯。把電阻的阻值調(diào)大后輸出信號有明顯的變化。如圖51所示。圖51 PPG 信號采集調(diào)理輸出波形 初級放大和濾波電路功能測試 將探測頭的輸出信號作為放大和濾波電路的輸入信號，開始時發(fā)現(xiàn)放大電路的輸出是一個接近于放大部分供電電壓的直流信號。經(jīng)過Multisim電路仿真軟件仿真發(fā)現(xiàn)原因是放大倍數(shù)太大，將放大倍數(shù)調(diào)小后輸出信號就正常了。低通濾波電路截止頻率開始時為40Hz，但是輸出的脈搏信號，噪聲太大了，后來將截止頻率降低到30Hz，并在電源部分加上濾波電容，輸出信號就比較理想了。測試結(jié)果如圖52所示。圖52 初級放大和濾波電路輸出波形通過調(diào)整放大倍數(shù)，輸出電壓幅度有明顯增加，且電壓提升電路工作正常，輸出信號電壓范圍也達(dá)到了后續(xù)電路的采集要求。輸出信號如圖53所示。圖53 PPG系統(tǒng)輸出波形通過上電測試發(fā)現(xiàn)，各模塊工作正常，達(dá)到了設(shè)計的總體要求。結(jié) 論本系統(tǒng)由于采用了測量范圍廣、精度高、響應(yīng)速度快的元器件來進(jìn)行脈搏波形測量，使用二階濾波電路和放大的方法提高檢測精度，因此該檢測儀基本上達(dá)到了前期預(yù)計的測量精度和分辨力的要求。雖然本系統(tǒng)受外界光線和人體運動影響，這也是同類產(chǎn)品中，統(tǒng)一遇到的問題，是由系統(tǒng)本身決定的。但是只要在外界光線變化很小和人體安靜的情況下，該傳感放大器，結(jié)構(gòu)簡單，性能良好。以后在本系統(tǒng)后續(xù)接上微處理器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并利用串口通信技術(shù)連接到上位機(jī)，進(jìn)行人機(jī)互動，可用于無創(chuàng)方式測量血氧濃度、血壓測量等應(yīng)用于臨床。在這次設(shè)計中本設(shè)計也遇到不少問題，也正是由于對這些問題的逐步解決該傳感器才能順利設(shè)計完成。致 謝參考文獻(xiàn)[1] 喬愛科，動脈中的脈搏波理論，生物醫(yī)學(xué)工程雜志，2000[2] 朱雯，阮曉聲，粱中慶，脈動波在彈性管道中的傳播速度與諸因素的關(guān)系[J]，浙江醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，1996[3] 柳兆榮，心血管流體力學(xué)[M]，上海，復(fù)旦大學(xué)出版社，1986[4] 張政波，無創(chuàng)血壓測量技術(shù)與進(jìn)展[N]，中國醫(yī)療器械雜志，2003[5] Bland,Douglas , Statistical Method for Assessing Agreement Between Two Methods of Clinical Measurement, Lancet,1986[6] 鄭君里，楊為理，信號與系統(tǒng)[M]，北京:高等教育出版社，第二版[7] YashPole，EvolutionofthePulseoximeter，InternationalCongressSeries, 2002[8] 微弱信號檢測，高晉占[M]，清華大學(xué)出版社，[9] 范云宵，劉樺，測試技術(shù)與信號處理[M]，北京，中國計量出版社，[10] 羅志昌，張松，楊益民，光電容積脈搏波描記法原理及其在臨床上的應(yīng)用，[11] 嚴(yán)新忠，楊靜，郭略，人體血氧飽和度監(jiān)測方法的研究[J]，醫(yī)療裝備，2005[12] 王躍華，徐圣普，崔云莉，用于檢測血氧飽和度的光電傳感器[J]，醫(yī)療裝備，1999,(10),1~2[13] 雷玉堂，王慶有，何加銘，張偉風(fēng)，光電檢測技術(shù)[M]，北京，中國計量出版社,1997[14] 康華光，陳大欽，電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）[M]，北京，高等教育出版社，1998[15] Jung Soo Kim,Young Joon Chee,Ju Wan Park,Jin Wook Choi and Kwang Suk Park, A new approach for noninvasive monitoring of blood pressure on a toliet seat, (2006)