心率计信号处理电路的设计与仿真

2016-03-12沈阳工学院姜德文

电子世界 2016年23期

关键词：截止频率接收端信号处理

沈阳工学院姜德文李鹤

心率计信号处理电路的设计与仿真

沈阳工学院姜德文李鹤

心率计是测量心脏体征常用的一种仪器，由于测量要求高，所以其安装的传感器灵敏度非常高，抗干扰能力弱。因此需要对输入信号进行处理，才能输出需要的心率信号。本文给出了一种处理微弱传感器信号的电路解决方案。

multisim仿真；微弱信号处理；心率计

1 引言

一般的心率计的输出信号都在毫伏级并且伴随许多干扰和不需要的信号，引入信号处理电路可以有效的解决这个问题，将不需要的信号去除，将需要的信号放大，得到可供仪器接收端识别的信号。心率计的传感器大多以压电传感器制作而成。本次设计对pdvf压电膜传感器输出信号进行处理。用交流电源模拟传感器输入，并进行电路整体分析。

2 信号处理电路组成及选择

电路整体分析：心率计所使用的压电传感器是一种灵敏度非常高的元件，当有非脉搏压力时，就会有5毫伏左右的不规则的脉冲信号输出。在测试心率时，传感器的输出信号中夹杂着许多上述的干扰信号，导致接收端不能判别心率信号。其次，传感器的输入电阻相对较大。基于这些特点，首先用运算放大电路对信号进行放大，然后用滤波电路将高频率的脉冲去除，最后将带有干扰的低频信号进行整形处理，输出稳定的心率信号（见图1）。

图1 原理框图

3 电路元件选择与数值计算

3.1 各级电路设计

1)放大电路：由于传感器的输入电阻一般都在几兆欧以上，相对较大，所以这里采用两级同相比例放大电路进行信号放大。一般的运放模块都可以满足要求，但是考虑造价以及供电问题，本次设计采用lm324模块。

2)滤波电路：同样以lm324模块为基础设计一个二阶低通滤波电路。

3)整形电路：因为滤波后的电路还存在低频的干扰，利用迟滞比较器可以有效的将滤波形进行整理，输出稳定的脉搏信号。这里选用lm339模块。

3.2 数值计算

在电路的设计中，根据需要利用同相比例运算放大电路以及低通滤波截止频率的计算，需要用到的公式如下：

同向比例运算放大电路放大：

Uo与Ui同相：根据“虚短”和“虚断” 得到：

Uo=（1+Rf/R1)U- =（1+Rf/R1)Ui

滤波电路的传递函数：

通带电压放大倍数：

截止频率f0和3dB截止频率fc：

根据定义，当f=fc时，应有：

根据上述公式得：要实现一级放大20倍：Rf=20kΩ；R1=1kΩ。二级放大10倍：Rf=100kΩ；R1=10 kΩ。滤波截止频率25Hz，则C1=C2=2.2μF；R1=R2=15kΩ；R3=10kΩ；R4=6kΩ 。

4 电路仿真

仿真电路图如图2所示，该电路一级放大20倍，二级放大10倍，滤波电路截止频率5Hz，整形电路门限电压为0V。适用于处理输入电压在5mv到20mv之间；输入频率在1Hz到30Hz的传感器输出信号。

图2 总体电路图

图3 仿真波形图

仿真波形如图3所示，信号输入为电压5mv，频率1Hz的正弦波。输出为电压1v，频率1Hz的方波。输出电压共放大200倍，有稳定的输出信号。

5 电路分析

整个电路实现了对传感器输入信号的接收，经过多级处理后，能够输出可供其他仪器应用的波形。并且针对不同型号的传感器输入信号，可以通过对电路的调整来实现对输入信号的合适处理。首先放大电路的电压放大倍数，可根据不同的放大倍数来调整Rf来实现放大倍数的变换。滤波电路也是可调的，其截止频率可以根据传感器输入的频率来调整，当出现输出信号被削弱则说明截止频率太低。调节截止频率时，只需对电路中的R1、R2进行调节即可，尽量保持两电阻阻值相同。整形电路也可根据需要进行调节，针对要研究的信号位置不同，可调节高频和低频信号输出宽度。整个电路供电一级采用单电源+9v供电，其余级模块采用双电源+9v、-9v供电。当对电路中的电阻值进行更改后，若输出波形失真，应适当加大电压。