脉搏信号调理电路的设计

2．4 带通滤波电路设计
人体正常的脉率为60～100次／分钟，即1～1．67Hz，其不同人的脉搏频率可能不一样，但最高频率不超过40 Hz。从脉搏功率谱的能量分布来看，99％的能量集中在0．5～10 Hz之间。脉搏信号的最低频率只有0．5 Hz，为降低信号因相移产生的线性失真，其低频截止频率要达到最低频率的1／10，即0．05 Hz。其最高频率不超过40 Hz，故高频截止频率选择40 Hz。该电路的频带范围大约是0．05～40Hz，该范围内包含了脉搏信号的主要能量成分，能将脉搏信号的有用成分从采集到的信号中分离出来。
经比较分析有源滤波器和无源滤波器的性能特点，结合脉搏信号频率较低的特点，本文选用有源滤波器。
(1)高通滤波器的设计
本文高通滤波电路采用二阶Sallen-Key高通滤波电路，电路如图5所示。

其传递函数为

通过计算选取：R13=60 kΩ，R14=60 kΩ，C8=C9=0．12μF
(2)低通滤波电路设计
脉搏信号的典型波形如图6所示，具有近似脉冲波形的特征，为保证其不失真放大，必须充分考虑滤波器的相位特性。有三种典型的滤波器，巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器，其中，贝塞尔滤波器具有线性相移特性，最适用于脉搏信号的滤波处理。巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器都会引起脉搏波形失真。本文设计采用二阶贝塞尔有源低通滤波器，能获得较好的高频衰减特性和失真特性，可以减小输出波形在上上升沿和下降沿出现的小幅过冲，实现对脉搏信号不失真地放大，具体电路如图7所示。仿二阶高通滤波电路可得该电路的截止频率为

通过计算选取：R13=60 kΩ，R14=60 kΩ，C8=C9=0．12μF

2．5 二级放大电路设计
脉搏信号属于微伏级信号，即使经过性能优良的传感器得到的信号也只是毫伏级。经前级电路处理后的脉搏信号幅度小，不能满足A／D转换的需求，需要对其进一步放大，才能与A／D转换单元的输入范围匹配，从而减小量化误差。经分析对比，该放大电路选用的是OP2177集成芯片，它具有噪声低、增益精度高和线性度好的优势，可满足对信号进一步放大的需求。具体电路如图8所示。一级放大电路对信号放大11倍，本级放大200倍，本级输出的信号基可以达到1 V左右，能够满足信号采集的要求。

3 实验结果及分析
3．1 测试过程
硬件电路设计完成后，进行硬件实际测试。输入信号采用安捷伦函数发生器，该发生器具有幅值范围宽、精度高、可靠的优点，用安捷伦示波器观察信号调理电路的输出波形。
3．2 结果与分析
输入信号的频率为1．2 Hz，幅值为0．01～1 mV(模拟正常脉搏信号的频率和幅值)，具体实验结果见表2。实验结果表明，输出波形稳定，波动范围为2～20 mV，相对较小。实际测试表明，整个电路输入阻抗可达15 MΩ，共模抑制比大于100 dB，噪声小于0．1μV，对微弱的脉搏信号有良好的滤波、放大效果，且能满足A／D转换的要求。

4 结束语
脉搏信号凋理电路的性能决定了整个脉搏检测系统的可靠性与稳定性。本文重点依据脉搏信号的特点，针对性地选择元器件，并对所设计的硬件电路进行测试。实验结果表明该电路具有较好的滤波、放大性能，且满足A／D转换的要求，进而提高了脉搏信号检测的可靠性。