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微弱信號采集處理電路
微弱信號采集處理電路
摘要：文中介紹了一種醫(yī)學(xué)用的檢測信號的采集處理電路，它能夠準(zhǔn)確的將微弱信號放大，具有精度高、噪聲低、高抗干擾能力、低漂移、高穩(wěn)定性、線形與保真度好、有合適的輸入與輸出阻抗、響應(yīng)快、可靠性與經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：血小板聚集;微弱信號;處理電路
由血小板聚集功能異�？蓹z測出因聚集功能低下所造成的出血傾向疾病，或因聚集功能過高所形成的血栓，診斷血栓栓塞并發(fā)癥，如中風(fēng)、心梗等疾病元監(jiān)測，并可提早預(yù)防避免發(fā)生。
同時(shí)可用于研究，如血小板藥物學(xué)研究、中西藥節(jié)選抗血小板藥物之測定研究中醫(yī)藥活血化淤機(jī)理等。
全血經(jīng)低速離心，去除紅細(xì)胞、白細(xì)胞，制備富含血小板血漿(PRP)。
在特定的連續(xù)攪拌條件下于富含血小板血漿(PRP)中加入誘導(dǎo)劑時(shí)，由于血小板發(fā)生聚集，懸液的濁度就會發(fā)生相應(yīng)的改變，光電池將濁度的變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化，在記錄儀上予以記錄，根據(jù)聚集曲線可計(jì)算出血小板聚集的程度和時(shí)間。
一、總體設(shè)計(jì)
1.整體設(shè)計(jì)。
上述血小板聚集功能檢測過程很容易受到外界電信號和客觀環(huán)境的干擾，為了抗干擾，準(zhǔn)確的采集有用信號，應(yīng)系統(tǒng)采用調(diào)制解調(diào)電路。
調(diào)制電路使用的是光電調(diào)制，解調(diào)電路采用精密整流型相敏檢波電路。
整體設(shè)計(jì)主要包括激勵(lì)電路、采集電路、調(diào)理電路三部分，功能主要是進(jìn)行檢測信號的采集。
整個(gè)硬件功能齊全，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易生產(chǎn)。
2.影響檢測精度的因素。
�、贆C(jī)械定位的準(zhǔn)確性。
根據(jù)檢測的原理，檢測裝置的光電發(fā)射與光電接收的光軸應(yīng)一致，因此要求發(fā)射部件與接收部件應(yīng)該水平，中心對應(yīng)，并且為了避免引入雜光，發(fā)射部件與接收部件都一定要采用黑色陽極氧化的工藝，且光軸應(yīng)在試樣中心。
另外，我們設(shè)置了4條并行的檢測通道，為了達(dá)到一致性，要求各通道發(fā)射部件發(fā)射的光束平行，光強(qiáng)一致，發(fā)射部件的發(fā)射面積相同，同時(shí)各接收部件的接收面積也要相同，這就對機(jī)械定位要求很高，這將直接影響檢測的重復(fù)性、一致性。
�、诠╇婋妷旱姆�(wěn)定性。
按照檢測原理我們知道供電電壓一個(gè)微小變化就會改變檢測結(jié)果。
為了濾出供電電壓的干擾，我們設(shè)置了4條并行的檢測通道和一個(gè)參考通道，所有通道的硬件電路完全相同，只是檢測通道的激勵(lì)光源發(fā)出的光線透過檢測血液照射到光電池上，而參考通道光線是直接照射到光電池上的，這樣采用差動的方法就可以有效地濾除電源的竄擾信號，提高檢測的精度。
�、蹣�(biāo)準(zhǔn)容器的誤差。
檢測中使用的反應(yīng)試管的透光率也會引起檢測誤差，這個(gè)透光率誤差是與更高精度的標(biāo)準(zhǔn)容器比對修正而得到的，這里我們未做任何補(bǔ)償，進(jìn)行總體系統(tǒng)誤差分析時(shí)不能忽略。
二、電路設(shè)計(jì)
1.激勵(lì)電路。
本系統(tǒng)是使用雙光束發(fā)光二極管來作為激勵(lì)光源，分別能發(fā)出波長為405納米的藍(lán)光和660納米的紅光，這樣既能滿足多種血液檢測項(xiàng)目檢測光源波長不同的要求，又能降低電路的成本。
但這樣易于受到外界自然光的影響，而檢測信號又均為微弱信號，因此為了減少噪聲，提高檢測精度，我們一方面對儀器裝置做了準(zhǔn)確的機(jī)械定位，一方面對光源進(jìn)行了調(diào)制。
因而該部分電路包含有兩部分：一部分是振蕩電路，一部分是光電調(diào)幅調(diào)制電路。
�、僬袷庪娐�。
這里采用RC正弦波振蕩電路，穩(wěn)幅環(huán)節(jié)采用的是穩(wěn)壓管，后面又采用了滯回比較器電路將一定頻率的正弦波信號變?yōu)榉讲ㄐ盘杹碜鳛檩d波信號。
這樣可以消除振蕩效應(yīng)，提高電路的抗干擾能力，保證信號同步。
這里注意運(yùn)放參數(shù)的選取，滯后的范圍不宜過小，否則會降低抗干擾的能力，但也不宜過大，否則將會影響調(diào)解參考信號與調(diào)制信號的相位關(guān)系，對相敏解調(diào)不利。
�、谡{(diào)制光源。
這里檢測的信號變化微小，很容易淹沒到噪聲信號中，我們加了調(diào)制解調(diào)。
本系統(tǒng)中使用的是光電調(diào)幅調(diào)制電路，將方波信號作為載波，發(fā)光二極管光強(qiáng)的變化為調(diào)制信號。
由于檢測信號的頻率不太高，載波信號頻率應(yīng)大于調(diào)制信號頻率的10倍以上，方能得到一個(gè)良好的調(diào)制效果。
2.采集電路。
這里采集電路包括光電接收轉(zhuǎn)換電路和精密相敏解調(diào)電路兩部分，其中的光電接收轉(zhuǎn)換電路為關(guān)鍵部分，它將直接影響電路的成功與否。
�、俟怆娊邮张c轉(zhuǎn)換電路。
這里我們采用的檢測傳感器為硅光電池，它價(jià)格便宜、壽命長、性能穩(wěn)定。
我們通過硅光電池來講透過檢測試劑光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，再通過一定的電路將電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。
因?yàn)殡妷鹤兓盘栁⑿�，且檢測信號的頻率較低，我們選用OP27運(yùn)算放大器對信號進(jìn)行去噪和放大處理。
OP27精密運(yùn)算放大器兼有低失調(diào)電壓和漂移特性與高速、低噪聲的特性。
失調(diào)電壓低至25μV，最大漂移為0.6μV/°C，因而該器件是精密儀器儀表應(yīng)用的理想之選。
極低噪聲(10Hz時(shí)en=3.5nV/√Hz)，低1/f噪聲轉(zhuǎn)折頻率(2.7Hz)以及高增益(180萬)，能夠使低電平信號得到精確的高增益放大。
8MHz增益帶寬積和2.8V/μs壓擺率則可以在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)出色的動態(tài)精度。
②精密相敏解調(diào)電路。
精密相敏檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，能夠提高抗干擾能力，所以我們選用它。
相敏檢波電路的主要特點(diǎn)是，除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號外，還要輸入一個(gè)參考信號。
有了參考信號就可以用它來鑒別輸入信號的相位和頻率。
在本電路設(shè)計(jì)中，采用方波信號作參考信號。
這時(shí)輸入信號不是與單位參考信號相乘，而是與歸一化的方波載波信號相乘。
這時(shí)的輸出電壓對所有的n為偶數(shù)的偶次諧波，輸出為零;而奇次諧波的傳遞系數(shù)隨諧波增高而衰減，因而相敏檢波電路具有抑制高次諧波干擾的能力。
3.調(diào)理電路。
我們設(shè)計(jì)采用一階有源低通濾波電路來作為調(diào)理電路，具體的做法是在一階RC低通電路的輸出端，再加上一個(gè)同相比例放大電路，使之既能起放大作用，又與負(fù)載很好隔離開來。
從幅頻響應(yīng)來看，一階濾波器的效果還不夠好，它的衰減率只是20dB/十倍頻。
我們后面還設(shè)計(jì)了數(shù)字濾波再進(jìn)行更深層次的濾波。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該信號采集系統(tǒng)在凝血檢測單通道的重復(fù)性和多通道的一致性方面均達(dá)到檢測規(guī)程的要求，但對檢測系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性還需進(jìn)行運(yùn)行可靠性分析和其他相關(guān)的運(yùn)行評定。
從檢測結(jié)果可以看出該技術(shù)設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都具有比較高的優(yōu)越性。
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