血壓計(jì)中儀表放大器的設(shè)計(jì)與制作

蘭羽，周茜

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712000）

儀表放大器是精密差動(dòng)電壓放大器，其源于運(yùn)算放大器，但優(yōu)于運(yùn)算放大器，具有低噪聲、高輸入阻抗、低線性誤差、高共模抑制比、低失調(diào)漂移增益設(shè)置靈活和使用方便等特點(diǎn)，使其在傳感器信號(hào)放大、數(shù)據(jù)采集、精密電子儀器設(shè)備、醫(yī)療儀器等方面廣泛被采用[1-2]。采用分立元件構(gòu)成的儀表放大器作為血壓計(jì)中壓力傳感器前置放大電路，設(shè)計(jì)一低成本、低功耗、高增益、高信噪比的集成單元模塊放大電路。

1 血壓計(jì)原理

人體血壓指的是動(dòng)脈血管中脈動(dòng)的血流對(duì)血管壁產(chǎn)生的側(cè)向垂直于血管壁的壓力，主動(dòng)脈血管中垂直于管壁的壓力峰值為收縮壓，谷值為舒張壓[3]。血壓、心率是反映心血管系統(tǒng)狀態(tài)的重要生理參數(shù)。血壓計(jì)是通過充氣袖套阻斷上臂動(dòng)脈血流來實(shí)現(xiàn)的，在袖套充氣的過程中，在氣袖壓力上將重疊與心搏同步的壓力波動(dòng)，當(dāng)氣袖壓力遠(yuǎn)高于收縮壓時(shí)，脈搏波消失，隨著袖套壓力下降，脈搏波開始出現(xiàn)，當(dāng)袖套壓力從高于收縮壓降到收縮壓以下時(shí)，脈搏波會(huì)突然增大，直到平均壓力達(dá)到最大值，然后又隨袖套壓力下降而衰減。血壓測(cè)量就是根據(jù)脈搏波振幅與氣袖壓力之間關(guān)系來估算血壓的，與脈搏波最大值對(duì)應(yīng)的是平均值，收縮壓和舒張壓分別由對(duì)應(yīng)脈搏波最大振幅的比例來確定[4-5]。

血壓測(cè)量原理如圖1所示，壓力傳感器要求體積小，重量輕，采用固態(tài)壓阻式壓力傳感器，其功能是將血壓轉(zhuǎn)換成電阻的變化量；前置放大器要求高增益、高信噪比，系統(tǒng)采用儀表放大器；儀表放大器放大的信號(hào)經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)處理輸出，LCD顯示測(cè)量結(jié)果。

圖1 血壓測(cè)量系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram about blood pressure measurement system

2 儀表放大器

2.1 設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)中壓力傳感器檢測(cè)到的信號(hào)為20～200 Hz，幅度為毫量伏級(jí)甚至微伏量級(jí)，夾雜大量干擾成份，因此要求前置放大器不僅具有高增益，還要有一定的抗干擾能力[6]。同時(shí)儀表放大器電路能夠分辨的輸入信號(hào)越小越好，動(dòng)態(tài)范圍越寬越好。因此前置放大器設(shè)計(jì)時(shí)注意：

1）系統(tǒng)中前置放大器必須是低噪聲的，因其身的就是一個(gè)噪聲源，而前端輸出的信號(hào)很小可能淹沒在放大器的噪聲中[7-8]。

2）壓力傳感器與放大器連接時(shí)注意阻抗匹配，前置放大器才能獲得最佳的噪聲性能，使放大器噪聲才能達(dá)到最小。

3）放大器應(yīng)具有高增益且可調(diào)。

2.2 儀表放大器的設(shè)計(jì)

2.2.1 電路結(jié)構(gòu)

儀表放大器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其有兩部分構(gòu)成，第一級(jí)由A1、A2組成，均采用高阻抗同相輸入形式且結(jié)構(gòu)對(duì)稱，使得電路的漂移和失調(diào)都有互相抵消的作用；第二級(jí)由A3組成差動(dòng)放大電路，同樣具有很高的共模抑制比、極高的輸入阻抗，與前級(jí)匹配。 電阻 R1=R2、R3=R4、R5=R6，調(diào)節(jié) Rp的電阻值，即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，在A1和A2可增設(shè)調(diào)零電位器VR1和VR2，電路差模電壓增益為：Au=R5/R3（1+2R1/Rp）由上式儀表放大器的增益即可由電阻R1、R3、R5預(yù)置，也可根據(jù)需要通調(diào)節(jié)RP設(shè)置儀表放大器的增益。

圖2 三集成運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器Fig.2 Three IOAS consist of instrumental amplifier

2.2.2 元件參數(shù)設(shè)計(jì)

核心器件可選用的集成運(yùn)放相當(dāng)多，在選用運(yùn)放時(shí)，首先應(yīng)選用低噪聲、輸入失調(diào)電流小、共模抑制比的運(yùn)放；A1、A2運(yùn)放的特性盡可能一致，電路采用了低噪聲集成OP-07。電阻、電容的確定，在低噪聲電路中，電阻選用低溫度系數(shù)的電阻精密金屬膜電阻，以獲得盡可能低的漂移其噪聲指數(shù)可達(dá)到0.2～1 μV。放大器的放大倍數(shù)Au設(shè)定為10～10 000可調(diào)，根據(jù) Au=R5/R3（1+2R1/VR），選取 R1=R2=20 kΩ，R3=R4=1 kΩ，R5=R6=200 kΩ，Rp=2 kΩ 足以滿足Au。 電路中的 C主要濾除信號(hào)中的高頻干擾成分，采用用云母電容或瓷片，均可降低電路噪聲。

2.3 電路仿真

采用Mltisim進(jìn)行電路仿真，Mltisim是性能優(yōu)良電子仿真軟件，適合模擬/數(shù)字電路的設(shè)計(jì)仿真，其有強(qiáng)大元件庫(kù)，虛擬儀器庫(kù)，設(shè)計(jì)界面簡(jiǎn)潔。仿真條件：輸入信號(hào)頻率在0.1～2 kHz，幅度在 1～5 mv，放大器增益 10～90 dB，用 Multisim 設(shè)計(jì)電路如圖3所示，圖中集成運(yùn)放采用的是通用運(yùn)放μA741，如果采用低噪聲運(yùn)放，效果會(huì)更好。用示波器觀察電路輸入輸出波形如圖4所示，圖中放大器輸入電壓峰值Uip=1 mV，輸出電壓峰值Uop=8.2 V。

3 儀表放大器安裝調(diào)試

3.1 電路安裝調(diào)試

圖3 儀表放大器仿真電路Fig.3 Instrumentation amplifier simulation circuit

圖4 儀表放大器輸入、輸出波形Fig.4 Instrumentation amplifier’s input and output waveforms

在萬(wàn)能板上安裝好電路。硬件電路如圖5所示，電路加±12 V電壓，當(dāng)輸入信號(hào)電壓峰峰值Uip-p=2 mV，頻率為1 kHz，增益調(diào)節(jié)到60 dB時(shí)，得到放大器的輸出電壓峰峰值Uop-p=1.98 V，用示波器測(cè)量輸出波形如圖6所示。測(cè)試表明：輸入信號(hào)帶寬控制在10 Hz～2 kHz內(nèi)，調(diào)節(jié)電位器RP儀表放大器的增益可達(dá)90 dB。

圖5 儀表放大器硬件電路Fig.5 Amplifier hardware circuit

3.2 電路安裝調(diào)試體會(huì)

1）儀表放大器安裝時(shí)，在運(yùn)放 A1、A2的反饋回路增加高頻消噪電容，以把電路自身噪聲系數(shù)降到最低。

圖6 儀表放大器輸入U(xiǎn)ip-p=2 mV對(duì)應(yīng)的輸出波形Fig.6 Amplifier input Uip-p=2 mV corresponding output waveform

2）電路電源的處理，電路用正負(fù)雙電源供電，電壓取±12 V，穩(wěn)定性要好。為了消除電源影響，可在正負(fù)電源引入端增加退耦電容，各并聯(lián)兩0.01 μF、0.33 μF電容以消除電源對(duì)電路的影響。

3）接地的處理，電路由于兩接地點(diǎn)間或接地點(diǎn)與大地間有一定的阻抗，地回路中的電流，使它們形成一定的電位差，從而形成干擾源，習(xí)慣稱為浮地，解決的辦法是改多點(diǎn)接地為單點(diǎn)接地。

4 結(jié) 論

目前儀表放大器已有專業(yè)的集成芯片，使用簡(jiǎn)便，但價(jià)格較高，在這里根據(jù)血壓測(cè)量系統(tǒng)特點(diǎn)，采用分立元件設(shè)計(jì)制作出儀表放大器，通過對(duì)電路仿真，并在萬(wàn)能板安裝測(cè)試表明：當(dāng)放大器輸入信號(hào)為毫伏級(jí)，放大器增益在60 dB時(shí)，放大器的輸出電壓達(dá)到伏級(jí)，帶寬，增益均符合系統(tǒng)要求。但從測(cè)試波形上看輸出信號(hào)還有高頻干擾，該信號(hào)經(jīng)過低通濾波處理，效果會(huì)更好。

[1]陸婷，劉青.基于OPA820寬帶放大器的設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2011，30（2）:43-46.LU Ting，LIU Qing.Design of broadband amplifier based on OPA820[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2011，30（2）:43-46

[2]崔利平.儀表放大器電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，11（298）:87-89 CUI Li-ping.Circuits design of instrumental amplifier[J].Modern Electronics Technique，2009，11（298）:87-89.

[3]姚久民，祝玉華，楊希東.氣體壓力傳感器測(cè)量血壓與心率的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（12）：27-29.YAO Jiu-min，ZHU Yu-hua，YANG Xi-dong.The Designed experiment of how to survey the blood pressure and the heartratewiththegaspressuresensor[J].ResearchandExploration in Iaboratory，2010，29（12）:27-29

[4]顧涵.基于AT89S51單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25（8）:97-99 GU Han.Design of electronic blood pressure monitor based on AT89S51MCU[J].Journal of Changshu Institute Technology，2011，25（8）:97-99.

[5]尹貽虎，唐湘楓.基于充氣過程的血壓檢測(cè)技術(shù)研究[J].理論與研究，2011（10）：8-10.YIN Yi-hu，TANG Xiang-feng.Technology study on the ambulatory blood pressure detection based on charging process[J].Theory and Research，2011（10）:8-10.

[6]周靜，田文鶴.壓力傳感器信號(hào)調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（1）：11-12.ZHOU Jing，TIAN Wen-he.Design and implementation of pressure sensor signal conditioning module[J].Instrument Technique and Sensor，2011（1）:11-12.

[7]張石銳，鄭文剛，黃丹楓.微弱信號(hào)檢測(cè)的前置放大電路設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（8-2）:223-224 ZHANG Shi-rui，ZHENG Wen-gang，HUANG Dan-feng.The design of preamplifier circuit based on weak signal detection[J].Control&Automation,2009，25（8-2）:223-224.

[8]羅勇，王伯文，張成龍.CLC425芯片在低噪聲寬帶放大器設(shè)計(jì)中的運(yùn)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（9）:186-187.LUO Yong，WANG Bo-wen，ZHANG Cheng-long.Application of CLC425 in the design of broadband low-noise amplifier[J].Electronic Design Engineering，2011，19（9）:186-187.