电容数字转换器AD7147和AD7148的医疗保健设计方案
简介
近年来,电子技术的进步为医疗保健行业的诸多创新和改进创造了条件。医疗保健设备面临的挑战包括提出新的诊断和治疗方法,实现远程监控,开发家庭护理设备,提高质量和可靠性,以及增强灵活性和易用性。
40余年以来,ADI公司丰富而全面的线性、混合信号、MEMS和数字信号处理技术给仪器仪表、成像和病人监护等领域的医疗设备设计带来了重大的变革。本文将集中探讨电容数字转换器(CDC)技术,该技术使得在医疗保健应用中使用高性能电容检测成为可能。
电容式触摸传感器控制器——一种全新的用户输入法。电容式触摸传感器以类似图1所示的按钮、滑动条、滚轮或其他方式提供一种用户界面。
图1. 触摸传感器布局示例
各个蓝色几何区域表示印刷电路板(PCB)上的一个传感器电极,构成虚拟电容器的一个极板。另一极板则由用户的手指构成,实际上,该极板相对于传感器输入是接地的。 AD7147/AD7148 CapTouch控制器系列专为激励电容式触摸传感器和与之接口而设计,能够测量来自单电极传感器的电容变化。器件首先输出一个激励信号,使电容器极板充电。当一个物体(如用户手指)靠近传感器时,用户充当电容器的令一个极板,将形成虚拟电容器(如图2)。利用电容数字转换器(CDC)可以测量该电容。
图2.电容检测示意图和典型响应
该CDC能够感知外部传感器的电容变化,并借助此信息来记录传感器激活事件。AD7147和AD7148分别有13个和8个电容输入,并均配有片内校准逻辑,用以对环境变化引起的测量变化进行补偿,从而确保不会因温度变化或湿度变化而在外部传感器上产生误触发事件。
AD7147和AD7148提供多种工作模式、用户可编程的转换序列和极其灵活的控制功能。这些特性使其成为高分辨率触摸传感器功能的理想选择,比如滑动条或滚轮,而且其对软件的要求很低。另外,无需使用任何软件,即可用片内数字逻辑完整实现按钮传感器应用。电容检测和测量的基本原理
电容是指电容器在电场中存储能量的能力。在其标称形态中——平行板电容器——电容C衡量在给定电压V下电容器中存储的电荷Q,计算公式为
对于平行板电容器,电容检测和测量技术的本质如图3所示。
图3.测量平行板电容器的电容
平行板电容器由两个导体(金属板)构成,其特性为
导体面积,a×b
两个导体极板之间的距离d
两个导体之间的电介质,用介电常数er表示r
根据这种几何结构,电容计算公式如下
其中,ε0为自由空间的介电常数。
图4.传感器电气配置
由于传感器电容由a、b、d和er决定,因此,通过改变这些参数的值,或者观察其值的变化,即可将CDC技术用于直接测量电容值以及多种其他应用之中,具体视传感器类型而定。例如,如果a、b和εr是恒定的,CDC输入与两个导体之间的距离成反比。应用
AD714x、AD715x和AD774x系列CDC产品适用于涉及各类采样速率、分辨率、输入范围和输入传感器类型的广泛应用。电容检测技术的潜在应用范围仅局限于用户的创造力,我们下面就介绍一些其在医疗保健领域的可能的应用方法。
液位监控
在输液等众多应用中,必须测量所用液体量,或者在输液瓶变空之前必须停止输液。为了节省医护人员的时间,可利用自动液位检测技术来消除人工检查的必要。
液位检测的基本原理如图5所示。构建一个平行板电容器,使其极板紧紧地附着在输液瓶的外壁上,并延伸到输液瓶底部附近。随着输液液位的变化,极板之间的电介质数量发生变化,从而导致电容发生变化。为了能够使用介电常数不同的各种输液物质,需在输液瓶底部附近再放一个电容式传感器,充当一个基准通道,以形成比率式测量。
图5.液位检测
24位AD7746, 搭载两个电容测量通道,可以用于这类应用。
电极和人体之间的连接检测
对于在人体皮肤附近使用的设备(如图6所示的那些设备),在激活设备或进行测量之前,首先了解设备表面与病人皮肤之间接触的质量通常是有好处的。最终使用的范围可能包括需要接触皮肤的医疗探头、生物电位电极传感器或把导管固定到适当位置的壳体。为了获得这种额外的信息,在生产过程中的注塑阶段可能会将多个电容式传感器电极(以蓝色显示)直接嵌入到设备的塑料壳体中。有了电极信息后,主机控制器上运行的简单算法就可以确定所有传感器电极是否与皮肤进行良好的接触。
图6.采用电容式传感器电极的设备
图6所示示例运用电容式传感器的方式打破了常规:用户将一个含有电容式检测电极的设备固定于人体上,而在传统的电容式检测人机界面应用中,人们一般通过手指触摸的方式启动与传感器电极的接触事件。利用AD7147/AD7148开发如图6所示应用非常简单。
汗液检测
在某些医疗
- 电源设计小贴士 1:为您的电源选择正确的工作频率(12-25)
- 用于电压或电流调节的新调节器架构(07-19)
- 超低静态电流电源管理IC延长便携应用工作时间(04-14)
- 电源设计小贴士 2:驾驭噪声电源(01-01)
- 负载点降压稳压器及其稳定性检查方法(07-19)
- 电源设计小贴士 3:阻尼输入滤波器(第一部分)(01-16)
- 婵°倕鍊瑰玻鎸庮殽閸モ晙鐒婇柛鏇ㄥ灱閺嗐儳鈧鎮堕崕鎶藉煝閼测晜鏆滈柛顐g箓閹鏌熺€涙ê濮囬柣鎾规硶閹峰顢橀悢鍛婄暚缂備礁顑呴鍛淬€冨⿰鍛晳闁跨噦鎷�
闂佺ǹ绻堥崝宥夊蓟閻斿憡濯寸€广儱鎷嬮崝鍛槈閺冨倸孝闁汇劎濮甸敍鎰板箣濠婂懐鎳囨繛鎴炴尰濮樸劑鎮¢敍鍕珰闁糕槅鍘剧粈澶愭煙缂佹ê濮囩€规洖鐭傞幆宥夊棘閸喚宀涢悗瑙勬偠閸庢壆绱為弮鍫熷殑闁芥ê顦~鏃堟煥濞戞ǹ瀚板┑顕呬邯楠炲啴濡搁妷锕€娓愰梻渚囧亞閸犳劙宕瑰鑸碘拹濠㈣埖鐡曠粈瀣归崗鍧氱細妞ゎ偄鎳橀幆鍐礋椤愩倖顔忔俊顐ゅ閸ㄥ灚瀵奸幇顔剧煓閻庯綆浜為悷锟�...
- 婵炴垶鎼╅崢鐐殽閸モ晙鐒婇柛鏇ㄥ灱閺嗐儳鈧鎮堕崕鎶藉煝閼测晜鏆滈柛顐g箓閹鏌熺€涙ê濮囬柣鎾规硶閹峰顢橀悢鍛婄暚缂備礁顑呴鍛淬€冨⿰鍛晳闁跨噦鎷�
缂備緡鍣g粻鏍焵椤掑﹥瀚�30婵犮垼鍩栧畝绋课涢鍌欑剨闁告洦鍨奸弳銉╂煕閳哄喚鏀版い鏂垮閹风娀宕滆閺屻倝鏌ㄥ☉妯侯殭缂佹鎸鹃埀顒傤攰閸╂牕顔忕捄銊﹀珰闁规儳鎳愮粈澶愭煕閺傜儤娅呮い鎺斿枛瀹曘劌螣閻戞ê娓愰梻渚囧亞閸犳洟骞撻鍫濈濡鑳堕鍗炩槈閹垮啩绨婚柟顔奸叄瀵粙鎮℃惔锝嗩啅婵☆偆澧楅崹鍨閹邦喚鐭欓悗锝庝簽閻熷酣鏌i妸銉ヮ伂妞も晪绠戞晥闁跨噦鎷�...
- Agilent ADS 闂佽桨鐒﹂悷銉╊敆閻旂厧鏄ョ痪顓炴媼閸炴煡鎮归崶褍鈷旈柍璇插悑缁鸿棄螖閸曞灚顥�
婵炴垶鎸婚幐鎼侇敊瀹ュ绠抽柛顐秵閸わ箓鏌ㄥ☉妯垮闁告瑥绻樺Λ鍐閿濆骸鏁奸柣鐔哥懐閺嬪儊S闂佸憡鑹剧€氼噣锝為幒妤€绀夐柣鏃囶嚙閸樻挳鏌涘⿰鍐濞村吋鍔楃划娆戔偓锝庝簽鐎瑰鏌i姀鈺冨帨缂侀亶浜跺畷婵嬪煛閸屾矮鎲鹃梺鐑╁亾閸斿秴銆掗崼鏇熷剹妞ゆ挾濮甸悾閬嶆煛閸愩劎鍩f俊顐ユ硶閳ь剚鍐荤紓姘辨閻у挷S...
- HFSS闁诲孩鍐荤紓姘卞姬閸曨垰鏄ョ痪顓炴媼閸炴煡鎮归崶褍鈷旈柍璇插悑缁鸿棄螖閸曞灚顥�
闁荤姍鍐仾缂佽鐒︾粙澶愬箻閹颁礁鏅欓梺鐟版惈閻楁劙顢氶幎鑺ユ櫖閻忕偠妫勫鍧楁⒒閸稑鐏辨い鏂款樀楠炴帡宕峰▎绂⊿闂佹眹鍔岀€氼剚鎱ㄥ☉銏″殑闁芥ê顦扮€氭煡骞栫€涙ɑ鈷掗柡浣靛€濋弫宥囦沪閽樺鐩庨梺鍛婃煛閺呮粓宕戝澶婄闁靛ň鏅滃銊х磼椤栨繂鍚圭紒顔芥そ瀹曠兘寮跺▎鎯уΤ婵炴垶姊绘慨鐢垫暜婢舵劕绠垫い鈥抽敪SS...
- CST閻庣敻鍋婇崰妤冧焊濠靛棭鍟呴柕澶堝€楃粙濠囨倵楠炲灝鈧洟鎮$捄銊﹀妞ゆ挾鍠愬▓宀€绱掔€n亶鍎忔い銊︾矌閹叉鏁撻敓锟�
闂佸搫顦€涒晛危閹存緷铏光偓锝傛櫅閻︽粓鎮规担绛嬪殝缂佽鲸绻堝畷妤呭Ω閳哄倹銆冮柣鐘辩瀵泛顔忕欢缍璗闂佸憡鑹剧€氫即濡村澶婄闁绘棁顕ч崢鎾煕濠婂啳瀚板ù鍏煎姉缁瑧鈧綆浜炵€瑰鏌i姀鈺冨帨缂佽鲸绻堝畷婵嬪煛閸屾矮鎲鹃棅顐㈡祩閸嬪﹪鍩€椤掑倸鏋欓柛銈嗙矌閳ь剚鍐婚梽鍕暜婢舵劕绠垫い鈥愁敍T闁荤姳鐒﹀畷姗€顢橀崨濠冨劅闁哄啫鍊归弳锟�...
- 闁诲繐绻愮€氫即銆傞崼鏇炴槬闁惧繗顕栭弨銊╂煕閳哄喚鏀版い鏂垮閹风娀宕滆閺岋拷
婵炴垶鎸稿ú锝囩箔閳ь剙螖閸屾惮鎴﹀Χ婵傚摜宓侀柛鎰级閸曢箖鎮硅閸ゆ牜妲愬┑鍥ㄤ氦婵炲棗娴烽弰鍌炴偣閸パ冣挃闁宠鍚嬬粙澶嬫姜閹殿喚鈽夐梺闈╄礋閸斿矂鎯冮悩绛圭矗闁瑰鍋涜灇闂佸搫鐗滈崹鍫曘€傞锕€鏄ラ柣鏃€鐏氭禍锝夋倶閻愬瓨绀冮悗姘辨暬閹虫ê顫濋崜褏顦梺鐟扮仛閹搁绮崨鏉戦敜婵﹩鍓涢弶浠嬫煟閵娿儱顏х紒妤佹尰缁嬪顫濋鍌氭暏缂佺虎鍘搁崑锟�...
- 閻庣敻鍋婇崰妤冧焊濠靛牅鐒婇柛鏇ㄥ灱閺嗐儲绻涢弶鎴剶闁革絾妞介獮娆忣吋閸曨厾鈻曢梺绯曟櫇椤㈠﹪顢欓崟顓熷珰闁告挆鈧弻銈夋煕濮橆剛澧︽繛澶涙嫹
闁荤姵鍔﹂崢娲箯闁秴瑙﹂柛顐犲劜閼茬娀鏌¢崶銊︾稇闁汇倕瀚伴獮鍡涙偑閸涱垳顦紓鍌氬暞閸ㄧ敻宕规惔銊ノュ〒姘e亾妞わ絽澧庨幏顐﹀矗濡搫纾块梺闈涙閼冲爼濡靛顑芥灃闁靛繒濮甸悵銈夋煏閸℃洘顦峰ǎ鍥э躬瀹曪綁鏌ㄧ€n剛鍩嶉梺鎸庣☉閺堫剟宕瑰⿰鍛暫濞达絽婀辨竟澶愭煛瀹ュ妫戠紒銊ユ健閺屽懘鏁撻敓锟�...