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1、双波长时分方式血氧饱和 度检测电路设计报告 目录 一 题目介绍3 1.1 设计背景- 3 1.2 设计目的和意义-4 1.3 基本实验情况-5 二 总体方案设计5 2.1 电路总体设计框图-5 2.2 电路总体要求-6 2.3 整体电路-6 三 单元电路具体设计及参数分析6 3.1 NE555 多谐振荡器-6 3.2 LED 驱动电路-7 3.3 OPT101 光电检测-8 3.4 CD4053模拟开关-9 3.5 减法器-10 3.6 滤波放大电路-10 3.7 陷波电路-11 3.8 后级放大电路-12 四附录13 4.1 芯片介绍13 五备注17 六参考文献19 双波长时分方式血氧饱和度
2、检测电路设计报告 题目介绍 1.1 设计背景 1.1.1 血氧饱和度的涵义： 血氧饱和度（SO2） ：是指红细胞的血红蛋白结合氧的量与血红蛋 白全部与氧结合后所结合的氧量之间的百分比。由下列公式算出： 氧饱和度（ SO2）=血氧含量血氧容量100。 1.1.2 血氧监护的临床应用 检测动脉血中的氧含量，是判断人体呼吸系统和循环系统是否缺 氧的重要指标。血氧监护在临床麻醉手术新生儿和危重病人监 护应用中为医生提供了直接快速有效的临床依据，在脑外科 新血管外科及新生儿 早产儿监护等领域有着重要的意义。 1.1.3 脉搏血氧饱和度（ SpO2 ） 定义：血氧饱和度测量是根据分光光度计原理，利用不同组
3、织吸 收光线的波长差异设计而成。 测量方式： SPO2 监测是一种无创性技术通过测量所选光波波长的吸收来测 定氧合血红蛋白及脉率.由探头所产生之光线穿过组织,然后被探 头内的光电探测器转换成信号,监测器对电信号进行处理并用波 形及数值将 SPO2 及脉率显示在屏幕上。 1.1.4 光电测量脉搏的发展背景 脉搏波分析系统是通过对人体压力脉搏波进行检测, 并把检测到 的信号送人计算机 , 用计算机进行显示、 控制、处理和运算 , 屏幕 显示或打印出计算结果, 可快速为医生提供较为全面、客观的参 数, 便于医生对病人作出正确的诊断结果。 而传统的脉搏测量采用脉诊方式，中医脉象诊断技术就是脉搏测 量在
4、中医上很有效的应用，但受人为影响因素较大，精度不高。 无创测量又称非侵入式测量，其重要特征是测量的探测部分不侵 入机体，不造成机体创伤，通常在体外间接测量人体的生理和生 化参数。在其中生物医学传感器是获取生物信息并转换成易于测 量的关键部件。光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏 传感器，通过对手指末端透光度的检测，间接检测出脉搏信号。 光电式脉搏传感器具有简单结构、无损伤、可重复性好等优点。 1.1.5 脉搏波检测传感器原理 根据朗伯比尔定律，物质在一定波长处的吸光度和浓度呈正比。 当恒定波长的光照射到人体是，通过人体后所测量的光强在一定 程度上反映了被照射部位的结构特征。 脉搏主要是有
5、人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖，组织中 的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对于其他人体组织比较薄， 透过指尖检测的光强相对较大，因此光电式脉搏传感器的测量部 位通常在人体指尖。 手指中非血液部分的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的 搏动相对于动脉血是十分微弱的，可以忽略，因此认为光透过手 指的变化有动脉血充盈引起，在恒定波长的光源照射下，通过检 测透过手指的光强可以间接测量到人体脉搏信号。 1.2 设计目的和意义： 1.近年来人们对健康的观念和医疗的认识也在发生着变化，开始 从单纯对疾病的治疗，逐渐转向积极预防和促进健康。脉搏波中 包含有丰富的人体生理信号，因此脉搏波的监测在医疗保健和
6、体 育锻炼监测中都有重要的意义和广泛的应用。 2通过亲自动手设计分析制作电路，以期从质上对从人体上如何 取得医学信号及怎样处理有了进一步的了解，基本理解脉搏波测 量设计的过程和要求。 3. 培养独立思考和解决问题的能力；培养基本的工程师科学素 质；激发对专业的兴趣；培养宏观全面思考问题的方式。 1.3 实验任务与基本实验情况预设 1.3.1 主要任务 ：设计完成驱动电路与信号处理电路，并将它们有效 焊接，最后实验于示波器检验设计效果。 1.3.2 信号特征：人体信息本身具有不稳定性,非线性和概率特性 .如上 所述，脉搏波的频率属于低频,噪声强 ,因而信噪比低 . 脉搏波频率范围是0.160Hz
7、, 主要频率分量一般在 20Hz 内.人体手指末端含有丰富的小动脉,它们和其 它部位的动脉一样 , 含有丰富的信息 . 1.3.3 电源选用： 测试电源 :实验室 5V 直流电源。 1.3.4 可能存在干扰：1)环境光对脉搏传感器测量的影响； 2)测量过程人体运动的噪声； 3）人体其他信号的干扰； 4）检测电路的噪声； 5）50Hz 工频干扰。 二.总体方案设计 2.1 电路总体设计框图： 1)总体包括：驱动电路信号处理电路 2)驱动电路包括：振荡电路恒流电路 3)信号处理电路包括：解调电路+五阶巴特沃斯低通滤波 + 放大及 校准 22 电路总体要求： 1稳定提取人体脉搏信号； 2对频率在 0
8、.520Hz 内信号进行有效放大； 3将 50Hz 干扰尽量滤除； 4将脉搏波信号放大至可观测量级进行观察； 2.3 整体电路： 方波振荡器LED 驱动电路光检测电路CD4053 模拟开关减 法器MAXA280五阶巴特沃斯低通滤波50hz 陷波电路后级放大 电路 三单元电路具体设计及参数分析 3.1 NE555多谐振荡器 3.1 1 电路图： 3.1.2 参数设计： ?VCC=5V ?Ra=10K ?Rb=1M ?C=1000pf ?C1=0.01uf ?f=1/0.7(Ra+2Rb)C=711hz ?q=0.502 3.2LED 驱动电路 3.2.1 电路图 3.2.2 参数设计： R1=R
9、2=R4=10K C10=C11=0.1 f 3.2.3 电路设计原理 前端根据三极管开关特性，输入电压很小时，三极管的VBE小于开启 电压，输出电压约等于Vcc，三极管截止， ST为脉冲信号，随着低电 平高电平的交替， Q2Q3 交替导通，LED1LED2 交替发光， 实现时分 方式检测驱动。 3.3OPT101光电检测 3.3.1 电路图： 3.3.2 电路设计原理 采用一种新型的光敏元件OPT101 , 该元件将感光部件和放大 器集成在同一个芯片内部, 这种集成化的设计方式有效地克服了后 端运算放大器空载电流输出对光敏部件输出电流的影响, 而且芯片 输出的电压信号可以通过外部的精密电阻进
10、行调节, 有利于芯片适 应整体的电路设计 , 同时芯片的集成化设计也能够减小系统的功耗。 光电式脉搏传感器主要由光源、光敏器件, 以及相应的信号调理 控制电路构成。为了充分利用器件的效果, 光源和光敏元件的选择是 综合考虑的 , 光源的波长应该落在光敏元件检测灵敏度较高的波段 内, 图 4 为 OPT101 的光波长响应曲线。 3.4 模拟开关 CD4053 3.4.1 电路图 3.4.2 电路设计原理 由于两个 LED 交替发光，来自OPT101 的信号，在一个周期内，一 半信号是由 LED1 产生，一半是有 LED2 产生，此处实现模拟开关与 LED 交替发光的同步。CD4053有三组单刀
11、双掷开关，如4B 的 YY0Y1，太受 P11 脚的 A 控制，A=0 ，YY0 导通，YY1 之间为高阻， A=1,YY1 导通，YY0 之间为高阻。 3.5 减法器 3.5.1 电路图 3.5.2 参数设计 ： R13=R14=100K R10=R11=1M 3.5.3 电路设计原理 在不同的半周期， 分别将信号输入给运放的正端负端，从混合在一个 通道里德信号提取输出。 3.6 五阶巴特沃斯低通滤波 3.6.1 电路图 3.6.2 电路原理： 按人体脉搏在最高跳动次数240 次/min 计算，人体脉搏最高频 率约为 4hz ，而主要频率分布在1hz 左右，所以该低通滤波电路设置 截止频率为
12、 10hz ，选取五阶低通滤波器，可以得到更好的波形。 此电路对于 50Hz 干扰滤波效果比较理想， 虽然五阶巴特沃思在 相频特性上呈非线性， 但脉搏波信号频率较低， 在次区间滤波器相频 特性比较理想。 3.6.3 参数设计 R1R5=100k; C1=0.28uf; C2=0.22uf; C3=0.067uf; C4=0.51uf; f=10hz 3.6.4 想法 MAX280 （芯片申请没到也买不到等待中） 主要性能： 无直流误差低通滤波器 通带噪声低 截止频率宽 只需外围电阻电容就能把集成电路与直流信号隔开 3.7 50hz 陷波电路 3.7.1 电路图 3.7.2 电路设计原理 工频干
13、扰是电路中最常见的干扰, 脉搏信号变化缓慢 , 特别容易受到 工频信号的干扰 , 因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量 精度的主要措施之一。通常脉搏信号的频率范围在0.5-20Hz 之间, 小于工频 50 Hz , 因此通过低通滤波器可以有效滤除工频干扰, 这在 信号调理电路中容易实现; 同时可以在控制电路中对光源进行脉冲 调制。这样不但能够降低系统的功耗, 而且能够在一定程度上减小外 界的电磁干扰。在脉搏信号数据采集后, 可以通过数据处理法方法进 一步滤除工频信号的干扰。 3.8 后级放大电路 3.8.1 电路图 0.22u 1K 10K 200K 3 2 6 187 4 OP-07
14、0.22u 400K 10K 10K 3 2 6 187 4 OP-07 3.8.2 电路原理： 本后级放大的电路主要功能是对经过除噪声了的信号进行放大，增益 可调，范围在 10-110 倍。同时再次抑制高频信号，截止频率计算为 20Hz 。 3.8.3 参数设计 R1=100k; R2=91k; R3=1M; R4=0-10k; R5=1k;C=8000pF; 四、附录 4.1 芯片介绍 4.1.1OP07 Op07 是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器。由于OP07 具有非常低的输入失调电压（对于OP07A 最大为 25 V），所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP
15、07 同时具有输入偏置电流 低（OP07A 为2nA ）和开环增益高（对于 OP07A 为300V/mV ）的特 点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07 特别适用于高增益的测 量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 宽的输入电压范围（最少13V ）与高达 110dB （OP07A ）的共模 抑制比和高输入阻抗的结合，在同相电路阻态中提供了很高的精度，即 使在很高的闭环增益下，也能保持极好的线性和增益精度。 失调和增益对时间或温度变化的稳定性也是极好的。不加外调零措 施的OP07 的精度和稳定性，即使在高增益下也能使 OP07 成为一种新的 仪器用和军用的工业标准。 OP07A 和OP07
16、适用于在 -55 到+125 的整个军用范围内， 特点： 超低失调电压 超低失调电压漂移 有长期的稳定性月 宽共模输入范围 宽的电源电压范围 3V18V 不需要外部元件调整 4.1.2opt101 OPT101 是集成光电二极管和芯片内置的跨阻放大器，输出电压随着 光强线性增大。 放大器为单电源或者双电源设计，使得能够用于电池 操作设备。 集成光电二极管和跨阻放大器在单一芯片上，在离散设计中， 能减少 常见的问题，比如漏电流误差，噪声和由于杂散电容引起的增益峰值。 而且 0.09*0.09inch的光电二极管工作在光导模式， 能够有很好的线 性度和极低的暗电流 OPT101 工作电压为 2.7
17、 到 36V ，静态电流只有 120uA 特点： 1 单电源供电： 2.736V. 2 光电二极管大小： 0.09*0.09inch(2.29*2.29mm) 3 内部带有 1M 欧姆的反馈电阻 4 高响应度在 650nm 达到 0.45A/W, 在 808nm 能达到 0.6A/W 5 低静态电流： 120uA 6 带宽 14KHZ 4.1.3NE555 NE555 的特点有： 1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延 时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS 等逻辑电路配合， 也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些
18、逻辑系列的高、 低 态组合。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、 温度稳定度佳， 且价格便宜。 5.静态电流最大 值 VCC = 5 V, RL = =6mA VCC =15 V, RL = =15mA 4.1.4 CD4053 CD4053 内部含有 3 组单刀双掷开关 ,3 组开关具体接通 哪一通道 ,由输入地址码 ABC 来决定。 五、备注 5.1 环境光对脉搏传感器测量的影响 在光电式脉搏传感器中 , 光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏 信息的透射光信号 , 而且包含测量环境下的背景光信号, 由于动脉搏 动引起的光强变化比背景光的变化微弱得
19、多, 因此在测量过程当中 要保持测量背景光的恒定, 减少背景光的干扰。 测量环境下的背景光包含环境光和在测量过程中引起的二次反 射光。为了减少环境光对脉搏信号测量的影响, 同时考虑到传感器使 用的方便性 , 采用密封的指套式的包装方式, 整个外壳采用不透光的 介质和颜色 , 尽量减小外界环境光的影响。为了避免测量过程中的二 次反射光的影响 , 在指套式传感器的内层表面涂上一层吸光材料, 这 样能有效减少二次反射光的干扰。 由图 7 的图形明显可知 , 加上指套式外壳后的脉搏传感器测量 到的脉搏波形比较平滑。 这是因为加指套式的脉搏传感器中环境光在 测量过程中基本上不受外界环境光的影响, 而且能
20、够有效减少二次 反射光 , 使照射到手指上的光波长单一, 所以得到的脉搏信号较为稳 定, 没有明显的重叠杂波信号, 能够很好地体现出脉搏波形的特征。 5.2 测量过程中运动噪声 在测量过程当中 , 通常情况下手指和光电式脉搏传感器可能产生 相对的运动 , 这样对脉搏测量产生误差, 可以通过 2 个方面减少运 动噪声误差 : 一是改善指套式传感器的机械抗运动性, 比如说使指套 能够更紧的夹在手指上 , 不易松动 ; 二是从脉搏信号处理的角度, 通 过算法来减小误差 ,对于传感器的设计 , 现在采用的主要是第一个途 径。 5.3 恒流源电路 在脉搏信号测量过程中 , 为了尽量减少光源供电波动对测量脉搏信 号的影响 , 需要恒流电路来控制光源的稳定供电, 使在脉搏测量过程 中, 发射光源发出的光强是恒定的，根据信号测量后的结果决定是否 采用恒流源电路。 5.2.1 电路图 (接在驱动电路 Q2Q3 下面) 六、参考文献 1.李刚、张旭生物医学电子学 2 李刚、林凌电路学习与分析实例解析