基于Proteus心血管测试仪前置放大端的研制

王 静，徐 斌，张 凯，陈 达

(1.合肥健桥医疗电子有限责任公司技术部，安徽合肥 230088;2.合肥工业大学材料物理与化学系，安徽合肥 230009)

基于Proteus心血管测试仪前置放大端的研制

王 静1，徐 斌1，张 凯2，陈 达2

(1.合肥健桥医疗电子有限责任公司技术部，安徽合肥 230088;2.合肥工业大学材料物理与化学系，安徽合肥 230009)

基于嵌入式计算机的心血管测试仪是以往产品的升级和换代。文中研制出一种前置放大电路，能对脉搏信号进行滤波和放大，并且放大倍数能方便地通过嵌入式计算机调节。借助Proteus仿真软件平台对电路进行仿真和性能测试分析。实验证明，仿真结果与实测结果达到了设计要求。证明该设计方法可以提高设计效率、节约成本、值得推广。

心血管测试仪;前置放大电路;滤波;放大电路;Proteus软件

心血管疾病是人类首要的死亡原因，全世界每年有1 670.1万人死于心血管疾病，这个数字是排在第2名的恶性肿瘤死亡人数的2.4倍。及时对心血管疾病如冠心病等做到早期发现，对预防和降低其死亡率有重要意义［1］。

脉搏诊断是中医诊断的重要手段和方法［2］。当脉搏由心脏开始向动脉系统传播时，不仅要受到心脏本身的影响，同时也会受到流经各级动脉及分支中各种生理因素如血管阻力、血管壁弹性等的影响，因为脉搏丰富的谐波强度和频率成分，包含着丰富的心血管系统生理病理信息，脉搏波的特征与心血管系统中特征参数变化密切相关［3］。现代生理学认为，脉搏首先是人心血管功能的直接反应，可通过观察和分析人体的脉搏特征来诊断心血管系统的活动规律［4］。由中医学的理论和临床经验可知，腕脉脉搏波是心血管活动在桡动脉处的外在表现，可从其的轻重可获知人体的病理变化，动脉血管的病理变化也必然会反映在脉搏信号上。因此，采用合适的信号处理方法分析脉搏波信号，寻找出桡动脉脉搏波信号与心血管状态之间的关系，将有助于发展新型的、无创的心血管状态检测手段。

为更好地提高电路设计性能，改善脉搏信号的传输效果，文中借助Proteus仿真技术，对电路各组成部分进行仿真分析，最终得到正确的设计电路和元器件参数，有利于仿真电路的测量与调试。整个设计过程简单方便、节约了设计成本、缩短设计周期，且仿真结果与实际调试结果接近，证明该方法对电子电路的设计和应用具有较好的推广价值［5］。

文中研究的脉搏信号监测系统是基于S3C2410芯片为核心的开发板，具有丰富的接口功能，满足各种各样的要求，内存较大、可以移植软件、通用性强、运行速度快、效率高，可以说是微型化的计算机。

1 前置放大电路

前置放大电路的作用对采集到的脉搏信号进行降噪、滤波以及放大到嵌入式计算机能识别的幅度。前置放大端的总体结构如图1所示。

图1 心血管测试仪前置放大端

脉搏传感器采用惠特斯电阻桥式传感器，其输出电压为10～100 mV。脉搏的频率在脉搏信号的频率成分主要分布在0～20 Hz之间，这与空间存在大量的50 Hz的交流电频率接近。在数据采集系统中需要放大3种电路放大信号，单运放差动放大器、三运放仪表放大器或者双运放仪表用放大电路。因为脉搏信号微弱性以及嵌入式计算机需要对波形进行识别，所以心血管前置放大电路采用三运放仪表放大器。信号输出后将接入开发板的模数转换接口，开发板的模数转换接口有多个，本系统使用J20中的AIN1接口，这样输入嵌入式计算机信号经过处理、识别等一系列的计算和分析，便得到被测量人心血管的健康程度报告。

2 三运放仪表放大器的设计

放大器选用OPA4277高精度、低噪音的4组放大芯片，三运放仪表放大器使用3个运放，一个做电压跟随器［6］。电路如图2所示。通过过桥式电阻构成的传感器输入的信号时常伴有较大的噪音。对于这样的信号，第一步通常是采用仪表放大器将小信号放大。这个放大的主要目的不是增益，而是提高电路导的信噪比，将需要的信号从噪声中分离出来;同时，仪表放大电路能分辨输入信号越小越好，动态范围越宽越好。仪表放大电路性能的优劣直接影响嵌入式计算机能够检测的输入信号范围。图2中C1、C2是滤波电容，为了消除竞争—冒险现象。图2 中的U1∶A、U1∶B、U1∶C 这3 个运放构成仪表放大电路，它主要由两级差分放大电路构成。其中，U1∶A、U1∶B 为同相差分输入方式，同相输入可以大幅提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减;差分输入可以使电路只对差分信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值比得到提高［7］。这样以运放U1∶C为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R6和R7、R8和R9的精度匹配要求，从而使仪表放大电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制比。在运放U1∶C中也接入调零点的电路，方便调节放大电路工作在合适的零点处。在R3=R4，R6=R7，R8=R9的情况下，其中仪表放大电路的放大倍数为G=－(R8/R5)(1+2R4/RV2)。由公式可见，电路增益的调节可通过改变RV2的阻值实现。这点对基于嵌入式计算机的心血管测试仪具有重要意义。因为心血管测试仪针对的人群有较大年龄段的跨越，不同年龄段、不同性别的被测试者的脉搏强度有较大区别。如果前置放大电路的放大倍数固定不变，在对不同脉搏强度的人进行测试时容易出现饱和失真和截止失真。在实际的电路中，采用数字电位器X9313替代图3中的滑动变阻器RV2，这对实现在嵌入式计算机控制下，方便地调节放大电路的放大倍数［8］。

放大器的第4个部分接成电压跟随器Av≈1，输入电阻Ri→∞，该电路基本不从信号源吸取电路输出电阻Ro→0，当负载变化时，输出电压Vo较小，故在电路中常作为阻抗变换器或缓冲器。

图2 心血管前置放大端电路

3 Proteus对设计电路的验证

在Proteus中对设计的前置放大端进行仿真验证，电路图如图3所示。经计算，在滑动变阻器为10 kΩ时，前置放大电路的放大倍数为210。在输入端加入幅值为20 mV，频率为75 Hz的正弦波，在14脚的输出端接入示波器其结果如图4所示。仿真结果和实际计算结果相同，输入的20 mV的正弦波为示波器的第一个波形幅值只有10 mV，这是因为输入端为了双端出入，相当于单端输入的1/2。输出的信号幅值接近4 V，放大接近200倍，达到了设计目的，在实际的研发过程中一次制版成功。在Proteus中可以方便地改变电路的参数，动态地观察、分析电路情况。

图3 Proteus前置放大电路验证电路

图4 心血管前置放大电路仿真结果

4 结束语

系统介绍了心血管前置放大的设计思想，给出了实现过程，并利用Proteus仿真，实验证明，Proteus仿真平台可任意更改电路元件及参数，使电路设计更加简单方便，既验证电路设计及参数匹配的可行性和正确性，又节约耗材成本，提高设计效率，具有一定的推广意义。

［1］沈海东.脉搏信号与心血管状态关系的研究［D］.上海:上海交通大学，2007.

［2］张爱华，杨凤霞，王润东.基于脉象信号的亚健康状态的识别［J］.兰州理工大学学报，2006，32(6);82 －84.

［3］王炳和，郭红霞.从脉搏信号中准确提取呼吸和心率信息的新方法［J］.陕西师范大学学报:自然科学版，2005(3):53－55.

［4］王炳和，相敬林.脉搏系统建模与脉象信息分析的研究进展［J］.生物医学工程，2002，19(2):329 －333.

［5］骆旭坤.基于Proteus的音频功率放大器的设计与仿真［J］.佛山科学技术学院学报:自然科学版，2011，29(1):58－62.

［6］陈淑芳.仪用放大器简介及应用［J］.赤峰学院报:自然学科版，2008，24(5):102 －103.

［7］康华光，陈大钦，张林.电子技术:基础模拟部分［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006.

［8］王勇，田晓东.数控电位器X9313及其应用［J］.国外电子元器件，1997(7):5－6.

Development of a Proteus-Based Cardiovascular Tester Endpreamplifier

WANG Jing1，XU Bin1，ZHANG Kai2，CHEN Da2
(1.Technical Department，Hefei Jianqiao Medical Electronic Co.，Ltd.，Hefei 230088，China;2.Department of Materials Physics and Chemistry，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

The cardiovascular tester based on the embedded computer is an updated version of the previous one.We developed a preamplifier circuit which can filter and amplify the pulse signal and the amplification can be easily adjusted by the embedded computer.The Proteus is adopted，on which circuit simulation and performance analysis is conducted.The results show that the simulation results and actual results are very close and meet the design requirements.Our design can improve design efficiency and save cost and is therefore worth popularizing.

cardiovascular test;preamplifier circuit;filter;amplifier;Proteus software

TU411.01

A

1007－7820(2012)08－003－03

2012-02-20

国家科技部科技型中小企业技术创新基金资助项目(O8C262134o0852)

王静(1976—)，女，工程师。研究方向:计算机应用，电子产品软、硬件开发与设计。