血壓計中儀表放大器的設計與制作

蘭羽，周茜

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

儀表放大器是精密差動電壓放大器，其源于運算放大器，但優于運算放大器，具有低噪聲、高輸入阻抗、低線性誤差、高共模抑制比、低失調漂移增益設置靈活和使用方便等特點，使其在傳感器信號放大、數據采集、精密電子儀器設備、醫療儀器等方面廣泛被采用[1-2]。采用分立元件構成的儀表放大器作為血壓計中壓力傳感器前置放大電路，設計一低成本、低功耗、高增益、高信噪比的集成單元模塊放大電路。

1 血壓計原理

人體血壓指的是動脈血管中脈動的血流對血管壁產生的側向垂直于血管壁的壓力，主動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狀態的重要生理參數。血壓計是通過充氣袖套阻斷上臂動脈血流來實現的，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，當氣袖壓力遠高于收縮壓時，脈搏波消失，隨著袖套壓力下降，脈搏波開始出現，當袖套壓力從高于收縮壓降到收縮壓以下時，脈搏波會突然增大，直到平均壓力達到最大值，然后又隨袖套壓力下降而衰減。血壓測量就是根據脈搏波振幅與氣袖壓力之間關系來估算血壓的，與脈搏波最大值對應的是平均值，收縮壓和舒張壓分別由對應脈搏波最大振幅的比例來確定[4-5]。

血壓測量原理如圖1所示，壓力傳感器要求體積小，重量輕，采用固態壓阻式壓力傳感器，其功能是將血壓轉換成電阻的變化量；前置放大器要求高增益、高信噪比，系統采用儀表放大器；儀表放大器放大的信號經模/數轉換后，由單片機處理輸出，LCD顯示測量結果。

圖1 血壓測量系統框圖Fig.1 Block diagram about blood pressure measurement system

2 儀表放大器

2.1 設計原則

系統中壓力傳感器檢測到的信號為20～200 Hz，幅度為毫量伏級甚至微伏量級，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]。同時儀表放大器電路能夠分辨的輸入信號越小越好，動態范圍越寬越好。因此前置放大器設計時注意：

1）系統中前置放大器必須是低噪聲的，因其身的就是一個噪聲源，而前端輸出的信號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到最小。

3）放大器應具有高增益且可調。

2.2 儀表放大器的設計

2.2.1 電路結構

儀表放大器結構如圖2所示，其有兩部分構成，第一級由A1、A2組成，均采用高阻抗同相輸入形式且結構對稱，使得電路的漂移和失調都有互相抵消的作用；第二級由A3組成差動放大電路，同樣具有很高的共模抑制比、極高的輸入阻抗，與前級匹配。 電阻 R1=R2、R3=R4、R5=R6，調節 Rp的電阻值，即可調節放大倍數，在A1和A2可增設調零電位器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預置，也可根據需要通調節RP設置儀表放大器的增益。

圖2 三集成運放構成的儀表放大器Fig.2 Three IOAS consist of instrumental amplifier

2.2.2 元件參數設計

核心器件可選用的集成運放相當多，在選用運放時，首先應選用低噪聲、輸入失調電流小、共模抑制比的運放；A1、A2運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可達到0.2～1 μV。放大器的放大倍數Au設定為10～10 000可調，根據 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進行電路仿真，Mltisim是性能優良電子仿真軟件，適合模擬/數字電路的設計仿真，其有強大元件庫，虛擬儀器庫，設計界面簡潔。仿真條件：輸入信號頻率在0.1～2 kHz，幅度在 1～5 mv，放大器增益 10～90 dB，用 Multisim 設計電路如圖3所示，圖中集成運放采用的是通用運放μA741，如果采用低噪聲運放，效果會更好。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 儀表放大器安裝調試

3.1 電路安裝調試

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，當輸入信號電壓峰峰值Uip-p=2 mV，頻率為1 kHz，增益調節到60 dB時，得到放大器的輸出電壓峰峰值Uop-p=1.98 V，用示波器測量輸出波形如圖6所示。測試表明：輸入信號帶寬控制在10 Hz～2 kHz內，調節電位器RP儀表放大器的增益可達90 dB。

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

3.2 電路安裝調試體會

1）儀表放大器安裝時，在運放 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降到最低。

圖6 儀表放大器輸入Uip-p=2 mV對應的輸出波形Fig.6 Amplifier input Uip-p=2 mV corresponding output waveform

2）電路電源的處理，電路用正負雙電源供電，電壓取±12 V，穩定性要好。為了消除電源影響，可在正負電源引入端增加退耦電容，各并聯兩0.01 μF、0.33 μF電容以消除電源對電路的影響。

3）接地的處理，電路由于兩接地點間或接地點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，習慣稱為浮地，解決的辦法是改多點接地為單點接地。

4 結 論

目前儀表放大器已有專業的集成芯片，使用簡便，但價格較高，在這里根據血壓測量系統特點，采用分立元件設計制作出儀表放大器，通過對電路仿真，并在萬能板安裝測試表明：當放大器輸入信號為毫伏級，放大器增益在60 dB時，放大器的輸出電壓達到伏級，帶寬，增益均符合系統要求。但從測試波形上看輸出信號還有高頻干擾，該信號經過低通濾波處理，效果會更好。

[1]陸婷，劉青.基于OPA820寬帶放大器的設計[J].國外電子測量技術，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.儀表放大器電路設計[J].現代電子技術，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.氣體壓力傳感器測量血壓與心率的設計性實驗[J].實驗室研究與探索，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單片機的電子血壓計設計[J].常熟理工學院學報，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技術研究[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.壓力傳感器信號調理模塊的設計與實現[J].儀表技術與傳感器，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.微弱信號檢測的前置放大電路設計[J].微計算機信息，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計中的運用[J].電子設計工程，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.