暈厥防治褲壓力傳感器信號放大電路設計

尹軍，湯碧紅，徐力，陳維平，顏樂先，何慶華

1.第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所　創傷燒傷復合傷國家重點實驗室，重慶　400042；2.上海好耐電子科技有限公司，上海　201615

暈厥防治褲壓力傳感器信號放大電路設計

尹軍1，湯碧紅2，徐力1，陳維平1，顏樂先1，何慶華1

1.第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所創傷燒傷復合傷國家重點實驗室，重慶400042；2.上海好耐電子科技有限公司，上海201615

0　前言

血管迷走性暈厥（Vasovagal Syncope，VVS）屬于神經反射性暈厥，是最常見的暈厥類型，據報道其患病率約為20%～40%[1]。血管迷走性暈厥防治褲（以下簡稱本儀器）是第三軍醫大學大坪醫院醫學工程科研制的一款專用于治療V V S的醫療儀器，它采用氣泵產生高壓氣體，通過微處理器程控空氣壓力波對患者下肢進行有序按壓，促進回心血流快速增加，避免V V S的發生。

為縮小控制電路體積，本儀器控制電路選用內置8通道12位A/D轉換器的8位微處理器A DuC812作為C P U，通過內部開關切換模擬通道，可同時采集6個壓力傳感器的電信號輸出；C P U對這些壓力傳感器信號進行采集、分析處理后，就可根據本儀器的工作流程，發出控制命令，驅動氣泵進行抽氣和排氣的動作[2-3]。

本儀器的壓力檢測和控制環節很重要，為盡可能縮小控制器尺寸和保證穿著舒適度，需要選用小尺寸、便于安裝在本儀器內的壓力傳感器。另外，壓力監測的精度與頻率響應會影響本儀器的使用效果，因此考慮到環境條件，在C P U進行壓力傳感器電信號的采集之前，需對壓力傳感器的電信號輸出進行預先的調理與放大、采樣保持等處理[4]。

1　壓力傳感器的選型

圖1　MPS3110壓力傳感器結構圖（單位：mm）

2　壓力信號檢測處理電路設計

2.1主要器件

AD620是一種低功耗的儀表放大器，具有使用簡單、精度高、噪聲低、輸入阻抗高、輸入偏置電壓低、輸入偏移電流低等特點，適用于微小信號前置放大級。經AD620放大后的微小信號失真度很小，因而由AD620組成的前置放大級可以把系統誤差控制在系統設計要求的范圍內[5-6]。

OP07芯片是一種低噪聲、非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路，廣泛應用于穩定積分、比較器、密絕對值電路，及微弱信號的精確放大；具有超低偏移、低輸入偏置電流、低失調電壓漂移、超穩定等特點，非常適合于濾波和采樣電路[7]。

2.2AD620工作原理

AD620是一款經典的儀表放大器，其內部原理圖，見圖2。

圖2　AD620內部原理圖

AD620采用三運放電路設計，單芯片結構和激光晶體調整可保證電路元件進行嚴格匹配與跟蹤，從而確保電路的高性能。輸入晶體管Q 1和Q 2提供一路高精度差分對雙極性輸入，采用Super Beta處理，使輸入偏置電流減小10倍，反饋環路Q1-A1-R1和Q2-A2-R2使輸入期間Q1和Q2的集電極電流保持恒定，從而可將輸入電壓作用于外部增益設置電阻RG上，就產生了從輸入至A1/A2輸出的差分增益。AD620的增益計算公式如下：

內部增益電阻R 1和R 2都已調至阻值24.7 kΩ，因此增益計算公式簡化如下：

廣東省對實行最嚴格水資源管理制度“三條紅線”控制目標的設定，充分考慮廣東服務業發達、第三產業用水比重大、城鎮化程度高等省情，提出了2011—2015年廣東省水資源管理控制指標共分為3大項9個指標，比國家考核適當增加了工業和生活用水量、萬元GDP用水量、城鎮供水水源地水質達標率等5個考核指標，在工作任務上力求做到“跳起來、摸得著”。

2.3電路設計

考慮到本儀器所用壓力傳感器采用橋式結構，其使用環境不確定，使用者有可能在惡劣的電磁干擾下工作，故在設計中采用了AD620精密儀表放大器作為主差分放大器；同時采用OP07芯片對AD620的輸出進行濾波和采樣保持。壓力傳感器信號處理電路，見圖3。

圖3　壓力傳感器信號處理電路

圖3中，電阻R4即(2)式中的RG。RG越大，G越小；當R4不焊接，即AD620的1腳與8腳之間斷開時，RG無窮大，這時AD620的增益G=1；當R4取200Ω時，計算得到AD620的增益G=248倍。

圖3，壓力傳感器的電信號從J 2插座接入，R2與R3是匹配電阻，用于匹配壓力傳感器的輸出阻抗。同時R2、R3與C2組成低通濾波電路。假設壓力傳感器的輸出電壓為Vj(s)，加在AD620的2腳與3腳之間的電壓為Vi(s)，根據基爾霍夫電壓定律(KVL)[8]，可得：

所以該低通濾波器的特征頻率為：

圖3中，由OP07及外圍電阻、電容構成一個放大倍數為1的低通濾波與采樣保持電路。該電路若去掉C4，便是一個標準的射隨器。C4可起到很好的低通濾波與采樣保持的作用，C4一般取2200p F。

3　測試驗證

3.1模擬信號測試

通過信號發生器從J 2輸入模擬壓力傳感器信號，采用示波器測試輸入輸出波形，結果見圖4。輸入波形是示波器2通道波形，對應示波器下部波形；輸出波形是示波器1通道波形，對應示波器上部波形。從測試波形可以看出，輸入含較多雜波、峰值為100mV的小信號，經過放大后可以輸出幅值10V、基本無雜波的較大信號，由此證明本電路放大倍數為100倍，且具有良好的抗環境干擾能力。

圖4　模擬信號測試結果

圖4（a）為輸入正弦波幅值100mV，有10mV雜波，輸出正弦波幅值10V，雜波僅0.05V；（b）為輸入三角波幅值100mV，有10mV雜波，輸出三角波幅值10V，雜波僅0.05V。

3.2真實壓力測試

將圖3所示的壓力傳感器信號處理電路與壓力傳感器連接，接入本儀器，壓力傳感器獲得真實氣體壓力，用示波器觀察電路輸出波形，見圖5。

圖5　真實壓力測試結果

圖5(a)、(b)分別是本儀器工作時所檢測到的暈厥治療褲褲腔內的壓力波形，測得最高平臺電壓分別為11.4、11.2V，即壓力值11.4、11.2kP a，由于此時實際預設治療壓力值為11kP a，因此誤差為3.6%。圖5（a）中，波形周期為8s，實際預設為8s。由此可以看出，本文所設計的壓力信號檢測處理電路輸出穩定、干擾小，測量誤差在可接受范圍之內。

4　結論

壓力檢測是暈厥防治褲電路設計中一個很重要的環節，可以為治療模式、壓力控制性能設計提供幫助，因而壓力檢測的精度與頻率響應也會影響本儀器的治療效果。我院根據需求選擇合適的壓力傳感器，并針對該壓力傳感器設計壓力信號檢測處理電路，對輸出信號進行預先調理與放大、采樣保持等處理。模擬信號和真實壓力測試證實，該電路可以滿足暈厥防治褲的系統需求，可用于檢測其治療壓力。

[參考文獻]

[1] 薛軍,王春玲,鄒陽春.血管迷走性暈厥的治療新進展[J].中國醫藥導刊,2010,12(2):231-232,234.

[2] 劉書明,馮小平.數據采集系統芯片A DuC812原理與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2002.

[3] 張培仁.基于C語言編程MC S-51單片機原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2003.

[4] 何華鋒,胡昌華,代延民.高精度A/D采樣電路的干擾分析與電路設計[J].電光與控制,2005,12(5):73-75.

[5] 王亞慧,丁國平.低價低功耗儀用放大器AD620的特性及應用實例[J].電子器件,1997,20(1):574-578.

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

[7] 石飛飛,馬辰.基于OP07和L T C 1543溫度采集模塊的設計[J].電子設計工程,2010,18(12):57-58.

[8] 李瀚蓀.電路分析基礎[M].4版.北京:高等教育出版社,2006

本文作者：尹軍，高級工程師，主要研究方向：醫學儀器管理與研發。

[中圖分類號]R318；TH722

[文獻標志碼]B

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.038

[文章編號]1674-1633(2014)02-0118-03

收稿日期：2013-10-17修回日期：2013-12-26

基金項目：重慶市科技攻關項目（CSTC，2011AC5028）。

通訊作者：何慶華，副研究員，主要研究方向：生物醫學信號檢測處理。 郵箱：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]目的設計暈厥防治褲的壓力傳感器放大電路，以檢測治療壓力。方法根據壓力檢測、精度、尺寸、成本等需求，選擇合適的壓力傳感器，設計相應的具有濾波、信號隔離、信號放大功能的放大電路。結果經過該放大電路后的信號輸出穩定、干擾小。結論該放大電路可用于測量暈厥防治褲的治療壓力。

[關鍵詞]暈厥防治褲；壓力傳感器；差分放大器；濾波

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