晕厥防治裤压力传感器信号放大电路设计

尹军，汤碧红，徐力，陈维平，颜乐先，何庆华

1.第三军医大学大坪医院野战外科研究所　创伤烧伤复合伤国家重点实验室，重庆　400042；2.上海好耐电子科技有限公司，上海　201615

晕厥防治裤压力传感器信号放大电路设计

尹军1，汤碧红2，徐力1，陈维平1，颜乐先1，何庆华1

1.第三军医大学大坪医院野战外科研究所创伤烧伤复合伤国家重点实验室，重庆400042；2.上海好耐电子科技有限公司，上海201615

0　前言

血管迷走性晕厥（Vasovagal Syncope，VVS）属于神经反射性晕厥，是最常见的晕厥类型，据报道其患病率约为20%～40%[1]。血管迷走性晕厥防治裤（以下简称本仪器）是第三军医大学大坪医院医学工程科研制的一款专用于治疗V V S的医疗仪器，它采用气泵产生高压气体，通过微处理器程控空气压力波对患者下肢进行有序按压，促进回心血流快速增加，避免V V S的发生。

为缩小控制电路体积，本仪器控制电路选用内置8通道12位A/D转换器的8位微处理器A DuC812作为C P U，通过内部开关切换模拟通道，可同时采集6个压力传感器的电信号输出；C P U对这些压力传感器信号进行采集、分析处理后，就可根据本仪器的工作流程，发出控制命令，驱动气泵进行抽气和排气的动作[2-3]。

本仪器的压力检测和控制环节很重要，为尽可能缩小控制器尺寸和保证穿着舒适度，需要选用小尺寸、便于安装在本仪器内的压力传感器。另外，压力监测的精度与频率响应会影响本仪器的使用效果，因此考虑到环境条件，在C P U进行压力传感器电信号的采集之前，需对压力传感器的电信号输出进行预先的调理与放大、采样保持等处理[4]。

1　压力传感器的选型

图1　MPS3110压力传感器结构图（单位：mm）

2　压力信号检测处理电路设计

2.1主要器件

AD620是一种低功耗的仪表放大器，具有使用简单、精度高、噪声低、输入阻抗高、输入偏置电压低、输入偏移电流低等特点，适用于微小信号前置放大级。经AD620放大后的微小信号失真度很小，因而由AD620组成的前置放大级可以把系统误差控制在系统设计要求的范围内[5-6]。

OP07芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，广泛应用于稳定积分、比较器、密绝对值电路，及微弱信号的精确放大；具有超低偏移、低输入偏置电流、低失调电压漂移、超稳定等特点，非常适合于滤波和采样电路[7]。

2.2AD620工作原理

AD620是一款经典的仪表放大器，其内部原理图，见图2。

图2　AD620内部原理图

AD620采用三运放电路设计，单芯片结构和激光晶体调整可保证电路元件进行严格匹配与跟踪，从而确保电路的高性能。输入晶体管Q 1和Q 2提供一路高精度差分对双极性输入，采用Super Beta处理，使输入偏置电流减小10倍，反馈环路Q1-A1-R1和Q2-A2-R2使输入期间Q1和Q2的集电极电流保持恒定，从而可将输入电压作用于外部增益设置电阻RG上，就产生了从输入至A1/A2输出的差分增益。AD620的增益计算公式如下：

内部增益电阻R 1和R 2都已调至阻值24.7 kΩ，因此增益计算公式简化如下：

广东省对实行最严格水资源管理制度“三条红线”控制目标的设定，充分考虑广东服务业发达、第三产业用水比重大、城镇化程度高等省情，提出了2011—2015年广东省水资源管理控制指标共分为3大项9个指标，比国家考核适当增加了工业和生活用水量、万元GDP用水量、城镇供水水源地水质达标率等5个考核指标，在工作任务上力求做到“跳起来、摸得着”。

2.3电路设计

考虑到本仪器所用压力传感器采用桥式结构，其使用环境不确定，使用者有可能在恶劣的电磁干扰下工作，故在设计中采用了AD620精密仪表放大器作为主差分放大器；同时采用OP07芯片对AD620的输出进行滤波和采样保持。压力传感器信号处理电路，见图3。

图3　压力传感器信号处理电路

图3中，电阻R4即(2)式中的RG。RG越大，G越小；当R4不焊接，即AD620的1脚与8脚之间断开时，RG无穷大，这时AD620的增益G=1；当R4取200Ω时，计算得到AD620的增益G=248倍。

图3，压力传感器的电信号从J 2插座接入，R2与R3是匹配电阻，用于匹配压力传感器的输出阻抗。同时R2、R3与C2组成低通滤波电路。假设压力传感器的输出电压为Vj(s)，加在AD620的2脚与3脚之间的电压为Vi(s)，根据基尔霍夫电压定律(KVL)[8]，可得：

所以该低通滤波器的特征频率为：

图3中，由OP07及外围电阻、电容构成一个放大倍数为1的低通滤波与采样保持电路。该电路若去掉C4，便是一个标准的射随器。C4可起到很好的低通滤波与采样保持的作用，C4一般取2200p F。

3　测试验证

3.1模拟信号测试

通过信号发生器从J 2输入模拟压力传感器信号，采用示波器测试输入输出波形，结果见图4。输入波形是示波器2通道波形，对应示波器下部波形；输出波形是示波器1通道波形，对应示波器上部波形。从测试波形可以看出，输入含较多杂波、峰值为100mV的小信号，经过放大后可以输出幅值10V、基本无杂波的较大信号，由此证明本电路放大倍数为100倍，且具有良好的抗环境干扰能力。

图4　模拟信号测试结果

图4（a）为输入正弦波幅值100mV，有10mV杂波，输出正弦波幅值10V，杂波仅0.05V；（b）为输入三角波幅值100mV，有10mV杂波，输出三角波幅值10V，杂波仅0.05V。

3.2真实压力测试

将图3所示的压力传感器信号处理电路与压力传感器连接，接入本仪器，压力传感器获得真实气体压力，用示波器观察电路输出波形，见图5。

图5　真实压力测试结果

图5(a)、(b)分别是本仪器工作时所检测到的晕厥治疗裤裤腔内的压力波形，测得最高平台电压分别为11.4、11.2V，即压力值11.4、11.2kP a，由于此时实际预设治疗压力值为11kP a，因此误差为3.6%。图5（a）中，波形周期为8s，实际预设为8s。由此可以看出，本文所设计的压力信号检测处理电路输出稳定、干扰小，测量误差在可接受范围之内。

4　结论

压力检测是晕厥防治裤电路设计中一个很重要的环节，可以为治疗模式、压力控制性能设计提供帮助，因而压力检测的精度与频率响应也会影响本仪器的治疗效果。我院根据需求选择合适的压力传感器，并针对该压力传感器设计压力信号检测处理电路，对输出信号进行预先调理与放大、采样保持等处理。模拟信号和真实压力测试证实，该电路可以满足晕厥防治裤的系统需求，可用于检测其治疗压力。

[参考文献]

[1] 薛军,王春玲,邹阳春.血管迷走性晕厥的治疗新进展[J].中国医药导刊,2010,12(2):231-232,234.

[2] 刘书明,冯小平.数据采集系统芯片A DuC812原理与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

[3] 张培仁.基于C语言编程MC S-51单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2003.

[4] 何华锋,胡昌华,代延民.高精度A/D采样电路的干扰分析与电路设计[J].电光与控制,2005,12(5):73-75.

[5] 王亚慧,丁国平.低价低功耗仪用放大器AD620的特性及应用实例[J].电子器件,1997,20(1):574-578.

[6] 何忠蛟.基于AD620芯片的心跳速率检测[J].科技信息,2007,(2):49,61.

[7] 石飞飞,马辰.基于OP07和L T C 1543温度采集模块的设计[J].电子设计工程,2010,18(12):57-58.

[8] 李瀚荪.电路分析基础[M].4版.北京:高等教育出版社,2006

本文作者：尹军，高级工程师，主要研究方向：医学仪器管理与研发。

[中图分类号]R318；TH722

[文献标志码]B

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.038

[文章编号]1674-1633(2014)02-0118-03

收稿日期：2013-10-17修回日期：2013-12-26

基金项目：重庆市科技攻关项目（CSTC，2011AC5028）。

通讯作者：何庆华，副研究员，主要研究方向：生物医学信号检测处理。 邮箱：qinghuahe@126.com

Design of Signal Amplif i cation Circuit for Pressure Sensor of the Prevention and Treatment Trousers for Vasovagal Syncope

YIN Jun1, TAN GBi-hong2, XU Li1, CHEN Wei-ping1, YAN Le-xian1, HE Qing-hua1
1.State Key Laboratory of Traumas, Burns and Combined Injuries, Research Institute of Surgery, Daping Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400042, China; 2.Shanghai Horizon Electrical Technology Co.,Ltd., Shanghai 201615, China

[摘要]目的设计晕厥防治裤的压力传感器放大电路，以检测治疗压力。方法根据压力检测、精度、尺寸、成本等需求，选择合适的压力传感器，设计相应的具有滤波、信号隔离、信号放大功能的放大电路。结果经过该放大电路后的信号输出稳定、干扰小。结论该放大电路可用于测量晕厥防治裤的治疗压力。

[关键词]晕厥防治裤；压力传感器；差分放大器；滤波

Abstract：ObjectiveTo design a signal amplif i cation circuit for the pressure sensor of the prevention and treatment trousers for vasovagal syncope in order to test the therapy pressure.MethodsThe suitable pressure sensor was selected according to the requirements of pressure testing, accuracy, size and cost of the equipment, and then the corresponding signal amplif i cation circuit with several functions including fi ltering, signal isolation and signal amplif i cation was designed.ResultsThe output signals which were magnif i ed by the circuit were steady and the interference of these output signals was little.ConclusionThe signal amplif i cation circuit can be used to test the therapy pressure of the prevention and treatment trousers for vasovagal syncope.

Key words：prevention and treatment trousers for vasovagal syncope; pressure sensor; differential amplif i er; fi ltering