血压计中仪表放大器的设计与制作

兰羽，周茜

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

仪表放大器是精密差动电压放大器，其源于运算放大器，但优于运算放大器，具有低噪声、高输入阻抗、低线性误差、高共模抑制比、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点，使其在传感器信号放大、数据采集、精密电子仪器设备、医疗仪器等方面广泛被采用[1-2]。采用分立元件构成的仪表放大器作为血压计中压力传感器前置放大电路，设计一低成本、低功耗、高增益、高信噪比的集成单元模块放大电路。

1 血压计原理

人体血压指的是动脉血管中脉动的血流对血管壁产生的侧向垂直于血管壁的压力，主动脉血管中垂直于管壁的压力峰值为收缩压，谷值为舒张压[3]。血压、心率是反映心血管系统状态的重要生理参数。血压计是通过充气袖套阻断上臂动脉血流来实现的，在袖套充气的过程中，在气袖压力上将重叠与心搏同步的压力波动，当气袖压力远高于收缩压时，脉搏波消失，随着袖套压力下降，脉搏波开始出现，当袖套压力从高于收缩压降到收缩压以下时，脉搏波会突然增大，直到平均压力达到最大值，然后又随袖套压力下降而衰减。血压测量就是根据脉搏波振幅与气袖压力之间关系来估算血压的，与脉搏波最大值对应的是平均值，收缩压和舒张压分别由对应脉搏波最大振幅的比例来确定[4-5]。

血压测量原理如图1所示，压力传感器要求体积小，重量轻，采用固态压阻式压力传感器，其功能是将血压转换成电阻的变化量；前置放大器要求高增益、高信噪比，系统采用仪表放大器；仪表放大器放大的信号经模/数转换后，由单片机处理输出，LCD显示测量结果。

图1 血压测量系统框图Fig.1 Block diagram about blood pressure measurement system

2 仪表放大器

2.1 设计原则

系统中压力传感器检测到的信号为20～200 Hz，幅度为毫量伏级甚至微伏量级，夹杂大量干扰成份，因此要求前置放大器不仅具有高增益，还要有一定的抗干扰能力[6]。同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。因此前置放大器设计时注意：

1）系统中前置放大器必须是低噪声的，因其身的就是一个噪声源，而前端输出的信号很小可能淹没在放大器的噪声中[7-8]。

2）压力传感器与放大器连接时注意阻抗匹配，前置放大器才能获得最佳的噪声性能，使放大器噪声才能达到最小。

3）放大器应具有高增益且可调。

2.2 仪表放大器的设计

2.2.1 电路结构

仪表放大器结构如图2所示，其有两部分构成，第一级由A1、A2组成，均采用高阻抗同相输入形式且结构对称，使得电路的漂移和失调都有互相抵消的作用；第二级由A3组成差动放大电路，同样具有很高的共模抑制比、极高的输入阻抗，与前级匹配。 电阻 R1=R2、R3=R4、R5=R6，调节 Rp的电阻值，即可调节放大倍数，在A1和A2可增设调零电位器VR1和VR2，电路差模电压增益为：Au=R5/R3（1+2R1/Rp）由上式仪表放大器的增益即可由电阻R1、R3、R5预置，也可根据需要通调节RP设置仪表放大器的增益。

图2 三集成运放构成的仪表放大器Fig.2 Three IOAS consist of instrumental amplifier

2.2.2 元件参数设计

核心器件可选用的集成运放相当多，在选用运放时，首先应选用低噪声、输入失调电流小、共模抑制比的运放；A1、A2运放的特性尽可能一致，电路采用了低噪声集成OP-07。电阻、电容的确定，在低噪声电路中，电阻选用低温度系数的电阻精密金属膜电阻，以获得尽可能低的漂移其噪声指数可达到0.2～1 μV。放大器的放大倍数Au设定为10～10 000可调，根据 Au=R5/R3（1+2R1/VR），选取 R1=R2=20 kΩ，R3=R4=1 kΩ，R5=R6=200 kΩ，Rp=2 kΩ 足以满足Au。 电路中的 C主要滤除信号中的高频干扰成分，采用用云母电容或瓷片，均可降低电路噪声。

2.3 电路仿真

采用Mltisim进行电路仿真，Mltisim是性能优良电子仿真软件，适合模拟/数字电路的设计仿真，其有强大元件库，虚拟仪器库，设计界面简洁。仿真条件：输入信号频率在0.1～2 kHz，幅度在 1～5 mv，放大器增益 10～90 dB，用 Multisim 设计电路如图3所示，图中集成运放采用的是通用运放μA741，如果采用低噪声运放，效果会更好。用示波器观察电路输入输出波形如图4所示，图中放大器输入电压峰值Uip=1 mV，输出电压峰值Uop=8.2 V。

3 仪表放大器安装调试

3.1 电路安装调试

图3 仪表放大器仿真电路Fig.3 Instrumentation amplifier simulation circuit

图4 仪表放大器输入、输出波形Fig.4 Instrumentation amplifier’s input and output waveforms

在万能板上安装好电路。硬件电路如图5所示，电路加±12 V电压，当输入信号电压峰峰值Uip-p=2 mV，频率为1 kHz，增益调节到60 dB时，得到放大器的输出电压峰峰值Uop-p=1.98 V，用示波器测量输出波形如图6所示。测试表明：输入信号带宽控制在10 Hz～2 kHz内，调节电位器RP仪表放大器的增益可达90 dB。

图5 仪表放大器硬件电路Fig.5 Amplifier hardware circuit

3.2 电路安装调试体会

1）仪表放大器安装时，在运放 A1、A2的反馈回路增加高频消噪电容，以把电路自身噪声系数降到最低。

图6 仪表放大器输入Uip-p=2 mV对应的输出波形Fig.6 Amplifier input Uip-p=2 mV corresponding output waveform

2）电路电源的处理，电路用正负双电源供电，电压取±12 V，稳定性要好。为了消除电源影响，可在正负电源引入端增加退耦电容，各并联两0.01 μF、0.33 μF电容以消除电源对电路的影响。

3）接地的处理，电路由于两接地点间或接地点与大地间有一定的阻抗，地回路中的电流，使它们形成一定的电位差，从而形成干扰源，习惯称为浮地，解决的办法是改多点接地为单点接地。

4 结 论

目前仪表放大器已有专业的集成芯片，使用简便，但价格较高，在这里根据血压测量系统特点，采用分立元件设计制作出仪表放大器，通过对电路仿真，并在万能板安装测试表明：当放大器输入信号为毫伏级，放大器增益在60 dB时，放大器的输出电压达到伏级，带宽，增益均符合系统要求。但从测试波形上看输出信号还有高频干扰，该信号经过低通滤波处理，效果会更好。

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