CN104306004A - 适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路及调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路，包括信号原始输入端，所述信号原始输入端依次与TIA电路、可控偏置消减电路、二级放大电路、ADC采样电路和处理器相连接，在信号原始输入端与TIA电路之间还连接有一拉电流电路，该拉电流电路与处理器相连，处理器用于控制拉电流电路调整信号原始输入端的电流信号强度。本发明还公开了一种适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路的调整方法，通过加入拉电流电路后，使得血氧信号的照射强度可以进一步提高而不用担心TIA电路饱和，变相扩大了TIA电路的动态范围。同时，拉电流电路的可调拉电流能力和处理器的反馈机制，使其可以实时调整前级拉电流能力，适应不同的环境。

Description

适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路及调整方法
技术领域
本发明涉及一种可穿戴式多参数健康指标采集医疗器械的内部电路，具体涉及一种戴在手腕上用于采集多参数健康指标智能手环的内部电路，尤其涉及一种针对采用光电式测量方法采集血氧参数的智能手环的血氧测量前端电路及其调整方法，属于医疗电子中的光电式血氧测量技术领域。
背景技术
现有针对采用光电式测量方法采集血氧参数的智能手环的血氧测量电路，大多是采用将信号整体通过TIA放大器(电流转电压)后，减去偏置电压后再放大处理，如图1所示，但是这样做需要两个前提：1)、前级电流信号有较高的信噪比，使得TIA后信号中的交流成分仍然能被处理。2)、前级TIA有足够的动态范围，能够在较大直流成分的情况下不饱和。
如中国专利申请号CN201310680539.1公开的一种宽动态范围的脉搏血氧测量系统，其主要技术特点是：包括双光束发光单元、前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元、中央处理器模块和输出模块，所述的中央处理器模块分别与双光束发光单元、前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元以及输出模块相连接，所述的前级检测放大电路、直流消除电路、缓冲放大单元依次相连接。其对透过组织末端的两路光进行采样测量和前级放大之后，加入数字反馈直流消除电路，在提高光电信号强度的同时以数字反馈方式降低信号中的直流分量，实现更大范围的双光束信号同步放大，提高信噪比，从而增大信号检测的动态范围。又如中国专利文献CN203252652U公开的一种血氧测量电路的静电防护系统，其包括依次电连接的血氧探头、静电防护电路及血氧检测电路；所述血氧探头获取两路血氧信号并将两路血氧信号转换为两路血氧电流信号；所述静电防护电路对静电进行防护；所述血氧检测电路对通过静电防护后的血氧电流信号进行信号处理；其中所述静电防护电路包括两路相互串联的电感和电阻，及设置于该两路相互串联的电感和电阻之间的电容。
光电式血氧测量，特别是在反射式血氧测量中，遇到的一个难题就是信号中直流分量过大(即灌注度值很低)。这样会带来两个技术挑战：1)、信噪比过低，无法提取有用信号。如果需要提高交流成分，必然需要增大照射光强，这同时导致直流和交流成分增大，引起前级运放饱和；2)、不增大照射强度，对信号放大后直接处理，则会信噪比过低，影响测量稳定性。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中所存在的前级TIA动态范围不足、信噪比过低、测量稳定性差的技术问题，本发明的第一目的在于提供一种适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路，本发明的第二目的在于提供一种适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路的调整方法。
本发明为了达到上述第一目的主要采用的技术方案是：
一种适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路，包括信号原始输入端，所述信号原始输入端依次与TIA电路，可控偏置消减电路，二级放大电路，ADC采样电路和处理器相连接，所述信号原始输入端与所述TIA电路之间还连接有一拉电流电路，所述拉电流电路与处理器相连，所述处理器用于控制拉电流电路调整所述信号原始输入端的电流信号强度。
进一步地，所述拉电流电路包括稳压二极管Z、电阻R2、可变电阻Ri和三极管Q，所述三极管Q的基极分别与所述电阻R2的一端、稳压二极管Z的阴极相连接，其发射极与所述可变电阻Ri的一端相连接，其集电极与所述信号原始输入端相连接，所述电阻R2的另一端与电源相连接，所述稳压二极管Z的阳极和可变电阻Ri的另一端接地，且所述可变电阻Ri的值通过所述处理器控制调整。
进一步地，所述可变电阻Ri为数字可调电阻器或可选电阻阵列。
进一步地，所述拉电流电路具有拉电流能力，所述拉电流能力实时值Isub＝I0-Iraw，式中，I0为所述信号原始输入端中的输入信号中直流强度，Iraw为所述处理器通过所述ADC采样电路得到直流强度。
进一步地，所述拉电流电路中，所述拉电流能力最大值I′sub＝(Vd-Vbe)/Ri，式中，Vd为三极管Q的集电极电压，Vbe为所述三极管Q的基极或发射极电压。
本发明为了达到上述第二目的主要采用的技术方案是：
一种适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路的调整方法，其包括以下步骤：
S1、初始调节可变电阻Ri，使所述拉电流能力最大值I′sub最小；
S2、所述处理器读取所述ADC采样电路的直流强度；
S3、判定所述TIA电路是否饱和，若饱和则执行步骤S4，若不饱和则执行步骤S5；
S4、判断所述拉电流能力实时值Isub是否为最大值，若是，则降低一级光照并返回步骤S2，若否，则提高一级所述拉电流能力并返回步骤S3；
S5、判断是否达到光照最佳范围，若是则结束调整，若否则提高一级光照并返回步骤S2。
进一步地，所述步骤S3中，所述TIA电路是否饱和是依据所述ADC采样电路的采样信号是否达到最大值或最小值来判定。
进一步地，所述拉电流能力最大值I′sub和所述拉电流能力实时值Isub分别
为：
I′sub＝(Vd-Vbe)/Ri         (a)
Isub＝I0-Iraw            (b)
式(a)和式(b)中，Vd为三极管Q的集电极电压，Vbe为所述三极管Q的基极或发射极电压，I0为所述信号原始输入端中的输入信号中直流强度，Iraw为所述处理器通过所述ADC采样电路得到直流强度，
所述步骤S4中，判断所述拉电流能力实时值Isub是否为最大值的依据为：比较I′sub和Isub的大小，当所述Isub等于I′sub时，拉电流能力实时Isub值为最大值。
进一步地，所述拉电流能力实时值Isub最小值和最大值之间设置的级数为5-10级。
进一步地，所述拉电流能力实时值Isub的级数调整是通过所述处理器控制所述可变电阻Ri的阻值来实现。
本发明的有益效果在于：通过加入拉电流电路后，使得血氧信号的照射强度可以进一步提高而不用担心TIA电路饱和，变相扩大了TIA电路的动态范围。尤其是针对较大直流偏置的血氧信号输入，能够在最前级对恒定电流部分进行可控消减处理，从而提高系统的输入动态范围，同时保留了血氧计算对直流成分的要求。同时，拉电流电路的可调拉电流能力和处理器的反馈机制，使其可以实时调整前级拉电流能力，适应不同的环境。
通过处理器控制调整可变电阻Ri，进而控制拉电流电路的拉电流能力，可以方便、快速地实现拉电流能力的大小调节功能。可变电阻Ri设计为数字可调电阻器或可选电阻阵列，因为相比于普通的可调电阻，数字可调电阻器或可选电阻阵列的调节范围和调节精度更高。拉电流能力实时值Isub最小值和最大值之间设置的级数为5-10级，通过设置多级调节，可以方便拉电流电路的拉电流能力调节，效率高且速度快。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术采用TIA放大器进行信号处理的电路图；
图2是本发明的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路的框架图；
图3是本发明的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路的拉电流电路的电路图；
图4是本发明的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路的调整方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图2-3所示，本发明的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路，包括信号原始输入端1，信号原始输入端1依次与TIA电路2，可控偏置消减电路3，二级放大电路4，ADC采样电路5和处理器6相连接，信号原始输入端1与TIA电路2之间还连接一拉电流电路7，拉电流电路7与处理器6相连，处理器6用于控制拉电流电路7调整信号原始输入端1的电流信号的强度，其中，拉电流电路7包括稳压二极管Z、电阻R2、可变电阻Ri和三极管Q，三极管Q的基极分别与电阻R2的一端、稳压二极管Z的阴极相连接，其发射极与可变电阻Ri的一端相连接，其集电极与信号原始输入端1相连接，电阻R2的另一端与电源相连接，稳压二极管Z的阳极和可变电阻Ri的另一端接地，且可变电阻Ri的值通过处理器6控制调整。
具体的，拉电流电路7具有拉电流能力，拉电流能力实时值Isub＝I0-Iraw，式中，I0为信号原始输入端1中的输入信号中直流强度，Iraw为处理器通过ADC采样电路5得到直流强度。拉电流电路7中，拉电流能力最大值I′sub＝(Vd-Vbe)/Ri，式中，Vd为三极管Q的集电极电压，Vbe为三极管Q的基极或发射极电压。本发明中，拉电流电路7可以采用通用的恒流源电路，但需要增加对电流的控制部件，为达到可控拉电流能力要求，将可变电阻Ri设计为数字可调电阻器或可选电阻阵列，因为相比于普通的可调电阻，数字可调电阻器或可选电阻阵列的调节范围和调节精度较高，通过处理器的输出值控制可变电阻Ri的值，达到调整拉电流能力的需求。
综上所述，本发明特点在于：
1).加入的可控拉电流电路，在信号原始输入端对电流信号做可控处理；
2).可控拉电流电路可以选择不同的拉电流能力，系统即能得到原始信号的直流成分，也能通过反馈控制，消减原始信号中的直流成分。
3).由于拉电流电路加入，提高TIA电路的动态范围，避免饱和现象的发生。
参阅图4所示，本发明的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路的调整方法，包括以下步骤：
S1、初始调节可变电阻Ri，使拉电流能力最大值I′sub最小；
S2、处理器(6)读取ADC采样电路(5)的直流强度；
S3、判定TIA电路(2)是否饱和，若饱和则执行步骤S4，若不饱和则执行步骤S5；
S4、判断拉电流能力实时值Isub是否为最大值，若是，则降低一级光照并返回步骤S2，若否，则提高一级拉电流能力并返回步骤S3；
S5、判断是否达到光照最佳范围，若是，则结束调整，若否，则提高一级光照并返回步骤S2。
具体的，在步骤S3中，TIA电路2是否饱和是依据ADC采样电路5的采样信号是否达到最大值或最小值来判定。本发明中，拉电流能力最大值I′sub和拉电流能力实时值Isub分别为：
I′sub＝(Vd-Vbe)/Ri                (a)
Isub＝I0-Iraw                   (b)
式(a)和式(b)中，Vd为三极管Q的集电极电压，Vbe为三极管Q的基极或发射极电压，I0为信号原始输入端1中的输入信号中直流强度，Iraw为处理器6通过ADC采样电路5得到直流强度，步骤S4中，判断拉电流能力实时值Isub是否为最大值的依据为：比较I′sub和Isub的大小，当Isub等于I′sub时，拉电流能力实时Isub值为最大值。
较佳的，拉电流能力实时值Isub最小值和最大值之间设置的级数可根据需要自行设定，考虑到电路设计难度和计算复杂度一般设置为5-10级，通过设置多级调节，可以方便拉电流电路的拉电流能力调节，效率高且速度快。具体的，拉电流能力实时值Isub的级数调整是通过处理器6控制可变电阻Ri的阻值来实现。
本发明通过加入拉电流电路后，使得血氧信号的照射强度可以进一步提高而不用担心TIA电路饱和，变相扩大了TIA电路的动态范围。尤其是针对较大直流偏置的血氧信号输入，能够在最前级对恒定电流部分进行可控消减处理，从而提高系统的输入动态范围，同时保留了血氧计算对直流成分的要求。同时，拉电流电路的可调拉电流能力和处理器的反馈机制，使其可以实时调整前级拉电流能力，适应不同的环境。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路，包括信号原始输入端(1)，所述信号原始输入端(1)依次与TIA电路(2)，可控偏置消减电路(3)，二级放大电路(4)，ADC采样电路(5)和处理器(6)相连接，其特征在于：所述信号原始输入端(1)与所述TIA电路(2)之间还连接有一拉电流电路(7)，所述拉电流电路(7)与处理器(6)相连，所述处理器(6)用于控制拉电流电路(7)调整所述信号原始输入端(1)的电流信号强度。
2.如权利要求1所述的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路，其特征在于：所述拉电流电路(7)包括稳压二极管Z、电阻R2、可变电阻Ri和三极管Q，所述三极管Q的基极分别与所述电阻R2的一端、稳压二极管Z的阴极相连接，其发射极与所述可变电阻Ri的一端相连接，其集电极与所述信号原始输入端(1)相连接，所述电阻R2的另一端与电源相连接，所述稳压二极管Z的阳极和可变电阻Ri的另一端接地，且所述可变电阻Ri的值通过所述处理器(6)控制调整。
3.如权利要求2所述的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路，其特征在于：所述可变电阻Ri为数字可调电阻器或可选电阻阵列。
4.如权利要求2或3所述的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路，其特征在于：所述拉电流电路(7)具有拉电流能力，所述拉电流能力实时值Isub＝I0-Iraw，式中，I0为所述信号原始输入端(1)中的输入信号中直流强度，Iraw为所述处理器通过所述ADC采样电路(5)得到直流强度。
5.如权利要求4所述的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路，其特征在于：所述拉电流电路(7)中，所述拉电流能力最大值I′sub＝(Vd-Vbe)/Ri，式中，Vd为三极管Q的集电极电压，Vbe为所述三极管Q的基极或发射极电压。
6.一种根据权利要求2所述的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路的调整方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、初始调节可变电阻Ri，使所述拉电流能力最大值I′sub最小；
S2、所述处理器(6)读取所述ADC采样电路(5)的直流强度；
S3、判定所述TIA电路(2)是否饱和，若饱和则执行步骤S4，若不饱和则执行步骤S5；
S4、判断所述拉电流能力实时值Isub是否为最大值，若是，则降低一级光照并返回步骤S2，若否，则提高一级所述拉电流能力并返回步骤S3；
S5、判断是否达到光照最佳范围，若是，则结束调整，若否，则提高一级光照并返回步骤S2。
7.根据权利要求6所述的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路的调整方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述TIA电路(2)是否饱和是依据所述ADC采样电路(5)的采样信号是否达到最大值或最小值来判定。
8.根据权利要求6所述的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路的调整方法，其特征在于：所述拉电流能力最大值I′sub和所述拉电流能力实时值Isub分别为：
I′sub＝(Vd-Vbe)/Ri    (a)
Isub＝I0-Iraw    (b)
式(a)和式(b)中，Vd为三极管Q的集电极电压，Vbe为所述三极管Q的基极或发射极电压，I0为所述信号原始输入端(1)中的输入信号中直流强度，Iraw为所述处理器(6)通过所述ADC采样电路(5)得到直流强度，
所述步骤S4中，判断所述拉电流能力实时值Isub是否为最大值的依据为：比较I′sub和Isub的大小，当所述Isub等于I′sub时，拉电流能力实时Isub值为最大值。
9.根据权利要求6所述的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路的调整方法，其特征在于：所述拉电流能力实时值Isub最小值和最大值之间设置的级数为5-10级。
10.根据权利要求9所述的适用于智能手环的血氧测量前端直流滤除电路的调整方法，其特征在于：所述拉电流能力实时值Isub的级数调整是通过所述处理器(6)控制所述可变电阻Ri的阻值来实现。
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Denomination of invention: DC filtering circuit and adjustment method for blood oxygen measurement front-end suitable for intelligent bracelets

Effective date of registration: 20230927

Granted publication date: 20170215

Pledgee: Chinese bank Limited by Share Ltd. Shuangliu Branch

Pledgor: ICARETECH HEALTHCARE CO.,LTD.

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