脈搏是人體的重要生理參數之一，它攜帶了豐富的生理和病理信息，具有重要的生理參考和診斷參考價值[1-2]。但脈搏信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，具有隨機性強、頻率低的特點，極易受到檢測系統內部噪聲和外界刺激（環境、溫度）的干擾，必須對檢測到的脈搏信號做一系列的處理（濾除噪聲和干擾），才可獲得高保真的脈搏信息，為進一步從醫學角度分析研究脈搏信息提供準確、有效的數據源[3-4]。因此，研究脈搏信號調理電路對整個脈搏信號檢測系統具有十分重要的意義。

1 調理電路總體設計
1.1 調理電路設計要求
    脈搏信號取自人體淺表動脈，信號源阻抗較大，且幅度小、頻率低，極易被噪聲湮沒。因此，對脈搏信號調理電路提出如下要求：（1）高輸入阻抗：由于信號源阻抗較高，脈搏信號很微弱，若輸入阻抗不高，經分壓后信號會更小，會使脈搏信號有嚴重損失甚至畸變；（2）高增益：只有較高的放大倍數才能提高脈搏信號采集的精度；（3）高共模抑制比：主要是消除市電50 Hz的工頻干擾；（4）低噪聲：使之不湮沒信號微弱且信噪比低的脈搏信號；（5）低漂移：防止高放大倍數的放大電路出現飽和現象；（6）合適的帶寬：以有效地抑制噪聲，防止采樣混疊；（7）高安全性：確保人體的絕對安全，主要對電氣特性的要求[5]。
1.2 調理電路設計方案
    基于脈搏信號的上述特征，本文設計的高性能脈搏信號調理電路由一級放大電路、調零電路、工頻限波電路、帶通濾波電路和二級放大電路組成，其原理框圖如圖1所示[6]。

2 硬件電路設計
2.1 一級放大電路設計[7-8]
    一級放大電路實現對檢測到的脈搏信號進行線性放大和抑制干擾信號的功能，其性能的優劣直接決定了后續系統對數據分析處理的真實性。針對脈搏信號的特點，應當采用適當增益、低功耗、低噪聲、高輸入阻抗、高共模抑制比、線性工作范圍寬和低零點漂移的并聯差動三運放儀表放大器。目前比較常見的用于脈搏信號檢測的儀表放大器有INA111、INA118、INA128、AD8553和AD620。其主要特性比較如表1所示。

    針對脈搏信號采集的要求，經綜合分析比較，本電路選擇體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣的AD620作為一級放大電路的主體芯片。具體電路如圖2所示。AD620使用方便，增益可通過改變引腳1和引腳8之間的電阻來調節，計算公式如下：
   
    脈搏信號和噪聲同時經過這一級電路放大，如果放大倍數過大，噪聲也被放大。如果噪聲幅度過大，則不利于后級處理，即后級難以有效消除噪聲。所以，一級放大電路放大倍數不宜過大，本級增益設置為11，此時引腳1和引腳8之間接一個精度為0.01%、阻值為4.99 kΩ的金屬膜電阻。
2.2 調零電路設計
    調零電路實現進一步抑制由于肌肉抖動、人體緊張、呼吸顫抖等因素引起的基線漂移的功能，從而保證在輸入為零的時候，整個電路的輸出為零。本電路采用廣泛應用的同相端調零電路，如圖3所示。
    此電路中，調整電壓加在同相輸入端。考慮到經一

2.4 帶通濾波電路設計[10]
    人體正常的脈率為60次/min～100次/min，即1 Hz～1.67 Hz，不同人的脈搏頻率可能不一樣，但最高頻率不超過40 Hz。從脈搏功率譜的能量分布來看，99%的能量集中在0.5 Hz～10 Hz之間。脈搏信號的最低頻率只有0.5 Hz；為降低信號因相移產生的線性失真，其低頻截止頻率要達到最低頻率的1/10，即0.05 Hz；其最高頻率不超過40 Hz，故高頻截止頻率選擇40 Hz。該電路的頻帶范圍大約是0.05 Hz～40 Hz，該范圍內包含了脈搏信號的主要能量成分，能將脈搏信號的有用成分從采集到的信號中分離出來。
    經比較分析有源濾波器和無源濾波器的性能特點，結合脈搏信號頻率較低的特點，本文選用有源濾波器。

示。一級放大電路對信號放大11倍，本二級放大電路放大200倍，本級輸出的信號基可以達到1 V左右，能夠滿足信號采集的要求。
3 實驗結果及分析
3.1 測試過程
    硬件電路設計完成后，進行硬件實際測試。輸入信號采用安捷倫函數發生器，該發生器具有幅值范圍寬、精度高、可靠的優點，用安捷倫示波器觀察信號調理電路的輸出波形。
3.2 結果與分析
    輸入信號的頻率為1.2 Hz，幅值為0.01 mV~1 mV(模擬正常脈搏信號的頻率和幅值)，具體實驗結果見表2。實驗結果表明，輸出波形穩定，波動范圍為2 mV~20 mV，相對較小。實際測試表明，整個電路輸入阻抗可達15 MΩ，共模抑制比大于100 dB，噪聲小于0.1 μV，對微弱的脈搏信號有良好的濾波、放大效果，且能滿足A/D轉換的要求。

    脈搏信號調理電路的性能決定了整個脈搏檢測系統的可靠性與穩定性。本文重點依據脈搏信號的特點，針對性地選擇元器件，并對所設計的硬件電路進行測試。實驗結果表明，該電路具有較好的濾波、放大性能，且滿足A/D轉換的要求，進而提高了脈搏信號檢測的可靠性。
參考文獻
[1] 李向東，樂建威，王新圖.脈搏波信號分析方法的研究進展[J].數據采集與處理，2009，24(S)：29-33.
[2] 王芳，吳效明.基于ZigBee的無線傳輸脈搏檢測系統設計[J].醫療衛生裝備，2009，30(6)：21-22，25.
[3] 盧超.脈搏檢測實驗裝置的研制[J].實驗室研究與探索，2010，29(29)：41-44.
[4] 郭世富，馬樹元，吳平東，等.基于ZigBee無線傳感器網絡的脈搏信號測試系統[J].計算機應用研究，2007，24(4)：258-260.
[5] 王智潔，和衛星，呂繼東.便攜式無線心電采集裝置的研究及實現[J].電子技術與應用，2010，36(11)：95-96.
[6] 李亭亭.運動員生理信號的采集和數據分析系統的研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2008.
[7] 徐誠，董圣男，劉成.基于藍牙技術的脈搏波檢測系統設計[J].電子測量技術，2009，32(10)：88-91.
[8] 郁麗，郭勇，賴武剛，等.生命狀態遠程監視及定位系統的研究[J].電信科學，2010(3)：74-78.
[9] 任冠中.基于ARM7的多路生理信號監護系統設計[D].內蒙古：內蒙古大學，2011.
[10] 張凌飛，劉承橋，王巖.簡易人體脈搏信號調理電路的設計[J].科技信息，2011(11)：103-104.
[11] 高吉祥.全國大學生電子設計競賽培訓系列教程—模擬電子線路設計[M].北京：電子工業出版社，2007.