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心率监测器(1)制作原理

作者:sylar时间:2009-09-10

  人的心率快慢是情绪状态、运动强度和心脏功能的客观指标之一。但是一般人都很难时刻而准确地测出自己的心率数值。如果将心率监测器带在身上,用心电电极将心电信号检出,经过监测器将信号处理后,使用者便能随时得知自己的心率变化情况,自我监测心率的变化状态。

  心率监测器的方框图如图22-1所示,由心电电极、放大器、频率/电压变换器、电压控制门、音频振荡器及发声器组成。

  

 

  图22-1

  心率监测器(Ⅰ)适用的心率范围是(60~160)次/分。通过调整电路中的有关元件,在(60~160)次/分范围内可改变发声报警时的心率范围。此心率范围的宽度设计在中心值的±20%范围内。比如若将中心值调在100次/分外,则心率信号范围为(80~120)次/分,如果心率超出此范围的上、下限,仪器不发声,如果心率处于上述范围内,仪器则会发出心电信号声。且该信号声的节拍与心跳的节拍相同。如果心率正好为仪器预调范围的中心值,仪器发出信号声的频率为2200Hz,此时输出音量最大;如果心率加快了,则音调随之变高且节拍加快;心率减慢,则音调随之变低且节拍减慢。心率加快或心率减慢时,仪器输出音量都减小。这样,使用者就可以根据信号声的节拍、音调和响度三方面的变化,较明显地辨别自身心率的变化情况了。

  该仪器因为要随身携带,所以体积要尽量小,耗电要省。其电源电压为3V,静态电流为150μA。

  心率监测器(Ⅰ)的电原理图如图22-2所示。为便于分析,将电路分成A、B、C、D四部分。A部分电路为心电信号放大器,由心电电极拾取的心电信号波形如图22-3所示。其中最高幅度约为1mV左右,变化最陡的脉冲叫R波,另外还有变化较缓慢的P波及T波等。每心跳一次就有一个R波。

  心电信号从贴在人体上的电极取出,从1、3两端子(见图22-2)送到输入回路。

  

 

  图22-2

  输入回路由RC网络组成,因时间常数取得较小,所以可将心电信号中的R波分离出来,再经过集成运算放大器(A)放大,在a点就能输出一个幅度恒定(宽度稍有变化)的脉冲序列。由于集成运放电路开环增益极高,R波足以使电路处于饱和削顶状态,所以在a点得到的方脉冲前、后沿都很陡,不需要再对方脉冲进行整形。

  

 

  图22-3

  B部分电路为频率棗电压变换电路,其功能是利用计数率电路将a点输出的脉冲信号转换成直流电压,要求从b点输出的电压与脉冲频率(即心率)成正比,即完成频率/电压的线性转换。

  开始时,C3、C4上没有电荷。晶体管VT1为零偏压,不导通。当第一个心电正脉冲到来时,二极管VD正偏导电,三极管VT1反偏不导通。这时输入脉冲直接给C3、C4充电。C4充电同时还要通过R5放电。由于R5很大,C4放电很慢,所以暂不考虑它的影响。如果输入脉冲有一定宽度,即可保证C3、C4充电。如果忽略二极管VD的压降,根据电容分压可得,

  VC3=C4/C3+C4Vm·VC4=C3/C3+C4Vm,

  Vm为输入脉冲的幅度,设Vm=1.5V,C3=1.5μF,C4=1.5μF,则

  VC3=1.5/1.5+0.43×1.5=1.2(V)

  VC4=0.43/1.5+0.43×1.5=0.3(V)

  当第一个脉冲过去后,二极管VD反偏不导通,三极管VT1正偏导通,VT1对C3反向通电,直到C3、C4上的电压相等(方向相反),VT1才截止。因此这时从输入端向右看进去,C3、C4串联电压为零,也就是说串联电容上没有剩余电荷。所以当第二个脉冲再一次输入时,起始条件与前一个脉冲完全一样。由此可知,第二个脉冲过去后在C4上又充上0.3V电压,于是C4上的电压为:

  VC4=2×C3/C3+C4Vm=0.6V

  如此继续下去,C4上电压就会积累起来,如果输入n个脉冲,则

  VC4=n×C3/C3+C4Vm

  但是C4上的电压不能无限制的增加,在C3充电的同时还要通过R5放电。若C4每秒钟得到的电荷量与放掉的电荷量相等,达到动平衡,C4上的电压不再升高。所以最后决定C4上电压高低的不是脉冲的数量,而是脉冲的频率,即每秒钟的脉冲数,VC4=Vm·Rb5·C3·f。从上式不难看出,电容C4上的电压与输入脉冲频率成正比。

  电位器RP1可预调发声时心率范围。它实际上是改变了计数率电路的输入脉冲幅度Vm,使得不论心电脉冲中心值是多少,b点的输出电压均相同,于是末级的工作状态相同,发出的音响规律一样。

  在集成运算放大器A输出脉冲的同时,还通过电阻R4给末级VT3的基极提供一个偏置电流,于是末级音频振荡器开始产生振荡。当没有心电脉冲时,VT3得不到偏置电流,音频振荡器不振荡,此时末级也不消耗电能。这样就能保证音响的节拍与心跳相同并且能节约电能。

  C部分电路是电压控制门,其工作原理是:b点输出的电压约为+1.2V的直流电压加在场效应管VT2栅极。场效应管在电路中的作用相当于一个压控可变电阻。随着加在栅极VE上电位的不同,D、S极之间的电阻RDS随之变化。在图22-2电路中,VT2处于反偏状态,电源电压减去b点电压即为反偏值。由于b点的电压值与心电脉冲的频率成正比,因此当心率加快时使b点电压相应提高,于是反偏减小。RDS减小。而RDS为后级移相音频振荡器的移相RC网络中的一部分,所以使末级产生的音频振荡频率升高(具体原理见后面D段电路),即心率加快时所产生的声音音调也变高。

  由于电池用久之后,电压会逐渐降低,使得a点的输出电压减小,b点电压也将降低,会给测量带来误差。但由于场效应管VT2工作在反偏,当电源电压降低的同时,使得VT2反偏减小,RDS减小,其作用就相当于对b点电压进行了一定补偿。但不能完全补偿,为了保证一定精度,当电池电压降低10%以后,就应更换电池。

  D部分电路工作原理:这一部分为四级RC移相正弦振荡电路。每一级RC网络移相45°。这种电路工作稳定,波形良好,使得声音较悦耳。另一个优点是电源电压变化时对振荡频率影响很小,可使电路稳定可靠的工作。

  改变移相网络中的电阻,振荡频率随之改变。场效应管VT2的D、S极之间的电阻RDS相当于移相网络的一级电阻。RDS变化时,可控制振荡频率,RDS大时振荡频率低;R阻值偏小振荡频率高,但不管变大变小,当偏离正常值时(5.1kΩ)振荡都减弱,当R大于20kΩ、小于2kΩ时则停止振荡。

  发声器可采用压电陶瓷片(加助声腔)。



评论

EEPW网友 · 2009-12-28 14:12:08

好 强 找了好久了

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