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模拟信号路径在便携医疗设备中的技术探讨

2018年02月10日 02:03 次阅读
致力于开发医疗诊断设备的公司面临的挑战就是要为消费者提供物美价廉的产品。在降低医护成本和改善病人护理服务方面,最重要的是能缩小这些医疗设备的体积并提高其精确度。在人口老化问题日趋严重的今天,上述需求显得更为迫切. 医疗设备监护功能的开发与不断完善,远程护理供应商能够在人类健康的几个重要领域为居家患者、急症室救护员以至医院提供更佳的诊断工具。血压计血糖仪、除颤器等监护类仪器均需要清晰的模拟信号来进行准确的测量,否则便可能危及生命。设计卓越的模拟信号路径可帮助设计人员降低外来噪声的干扰、扩展动态范围和加强精确度。此外,在组件选择方面,设计人员也必须谨慎选择以满足最终产品的性能需求。

小封装中的高性能需求

此前,人们通常认为医院和诊所的医疗设备比家居使用的便携仪器更为精确。可是,新的技术趋势正迅速扭转着上述的观点。新的便携式医疗设备面的使用者不仅仅有普通消费者,还有深具科技领悟力的病人,因此客户的需要不再局限于量体温、做心电图和测血压。客户需要的是全方位的护理及测量功能。 为了满足人们对家居医疗诊断仪器的迫切需求,设备供应商正凭借先进的货存管理和创新设计来增强市场竞争力,并为产品配备更多的功能来争取更多的用户。在开发家居医疗仪器的领域,有一个因素是非常重要的,这就是产品从最初设计到真正投放市场期间所需的开发时间。缩短上市时间,可以让厂商的产品抢占市场。而能否将开发周期缩短取决于系统设计人员的设计是否足够灵活并具成本效益。

工艺技术影响系统设计

虽然电气规格是设计人员选择组件的主要因素,但用来制造集成电路的工艺也同样重要。例如,典型的血糖计通常需配合一个带有极低输入偏置电流的运算放大器,大多数的设计人员都会选用JFET放大器。不过,他们在作出决定前应先考虑一下温度的问题。 由于JFET拥有一个很低的初始输入偏置,因此它很易受到温度变化的影响,每上升10°C ,输入偏置便会大约增加一倍。要计算出输入偏置的漂移,可使用下列的数式(参考1)。 Ib(T)Ib(T0) x 2(T-T0)/10 例如,一个JFET输入运算放大器(例如美国国家半导体的LF411)在25 °C下的输入偏置电流为50pA,而一个更佳的选择是美国国家半导体的LMP7731,它是一款双极输入运算放大器,其输入偏置电流为1.5nA。通过上述数式,我们可以很快地计算出在85°C下,LF411的输入偏置电流变成3.2nA,超出LMP7731的两倍。

评估系统的取舍

速度、噪声和功耗对于某些设计来说可能同样重要,一个低噪声器件会消耗比较多的电流,而一个低功耗的器件则只可提供有限的带宽。一个克服这些问题的方法是在适当的应用中使用反补偿放大器。与单位增益稳定和速度较高这两点相比,反补偿放大器的优点除了成本比较低之外,是其可在不影响功耗的情况下提供较大的带宽。 反补偿运算放大器最适合使用在电流-电压转换(跨阻)电路。在医疗仪器中,其中一个最普遍的应用是测量血细胞中的含氧量,称为SPO2或饱和或外围氧气。图1所示为SPO2模块的框图,当中的反补偿放大器(TIA)用来将来自光二极管的电流转化成电压。 图1 SPO2模块的典型框图

利用捷径缩短设计时间

医疗仪器的最重要参数是噪声,它可以导致电路本身和附近的设备产生严重的干扰。计算噪声是一项比较沉闷的工作,尤其当您想计算出从电源、放大器、数据转换器以至外部组件,信号路径对信噪比的整体影响。 一般来说,医疗仪器电路都倾向采用较低的频率来工作,因此这些系统的设计人员通常会比较关心处于0.1到10Hz频带以内的噪声,也称为峰到峰噪声。但不幸地是,有些数据表并没有提供时域噪声(峰到峰)的数值,而只会提供电压或电流噪声密度的典型图表。除了等待电路的供应商提供测量数据外,有一个快速的方法可帮助推算出峰到峰的噪声量。 假设您打算利用美国国家半导体的LMP7731来推算峰到峰(0.1到10Hz)电压的噪声量,首先,在指定频带内的频率范围中选择出一个点,例如是1Hz,那对比曲线时的数值便是5.1nV/√Hz (图2),然后用下列的数式来计算噪声的根均方值(RMS):式 1: enrms="enf"√ln(10/0.1), 当中 enf 是在 1Hz 下的噪声通过以上的数式可得出10.9nV的总根均方值噪声,如要计算出峰到峰噪声,只需将这根均方值乘以6.6,这样便可得出72.2nV。这个估算的结果相当不错,它与数据表中列出的规格78nV很接近。 图 2 LMP7731的输入电压噪声与频率的关系频率、电压噪声 假如数据表中的电压噪声密度图没有表示在1Hz下的噪声值,那您可以使用下列简单的方程式(数式2)来推算某频率下的数值。 式2:en=enb*√(fce/f) 当中enb是宽带噪声(通常是在1kHz时的数值),而fce 是1/f拐点,至于f是所关注的频率,在我们的个案是1Hz。

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信息需要传播,靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存...
发表于 2018-01-26 15:52 460次阅读
RC低通滤波器中R和C参数选择

基于MATLAB的理想低通滤波器的设计

低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数(moving average)所起...
发表于 2018-01-26 13:34 423次阅读
基于MATLAB的理想低通滤波器的设计

巴特沃斯滤波器的原理_巴特沃斯滤波器优点介绍

本文首先介绍了什么是巴特沃斯滤波器与巴特沃斯滤波器的特性,其次介绍了巴特沃斯滤波器原理,详细的分析了...
发表于 2018-01-26 09:21 610次阅读
巴特沃斯滤波器的原理_巴特沃斯滤波器优点介绍

从硬件设计的角度,为解决同频干扰提供方案

在物联网高速发展的现在,各个频段的应用几乎达到了极致,这就导致了不同模块之间的相互干扰,对于滤波以及...
发表于 2018-01-25 12:35 1628次阅读
从硬件设计的角度,为解决同频干扰提供方案

脉冲宽度调制应用

随着电子技术的发展,出现了多种PWM技术,其中包括:相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SP...
发表于 2018-01-25 09:25 265次阅读
脉冲宽度调制应用

常见开关电源电路设计汇总(八款模拟电路设计原理图...

本文主要介绍了常见开关电源电路设计汇总(几款模拟电路设计原理图)。重点分析了几款开关电源的典型电路。...
发表于 2018-01-24 17:10 1222次阅读
常见开关电源电路设计汇总(八款模拟电路设计原理图...

基于模拟量干扰11种解决方法的简单解析

为了减少电子干扰对于模拟信号应使用双绞屏蔽电缆模拟信号电缆的屏蔽层应该两端接地,但是如果电缆两端存在...
发表于 2018-01-24 16:46 904次阅读
基于模拟量干扰11种解决方法的简单解析

验证了LCL型滤波器参数设计及光伏并入配电网的逆...

从滤波器的原理入手,对单L型和LCL型滤波器原理进行对比分析,在设计方法上,对比传统的分步设计法,本...
发表于 2018-01-17 16:00 1366次阅读
验证了LCL型滤波器参数设计及光伏并入配电网的逆...

滤波器分类以及不同结构的滤波电路的不同点电分析

滤波器是由集中参数的电阻、电感和电容,或分布参数的电阻、电感和电容构成的一种网络。这种网络允许一些频...
发表于 2018-01-16 09:36 1158次阅读
滤波器分类以及不同结构的滤波电路的不同点电分析

电容和电阻是如何组成高通滤波器?原理解析

高通滤波器是一种让某一频率以上的信号分量通过,而对该频率以下的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器...
发表于 2018-01-15 13:36 562次阅读
电容和电阻是如何组成高通滤波器?原理解析

数字低通滤波器的设计

本文主要介绍了数字低通滤波器的设计,数字滤波器有无限冲激响应(IIR)系统和有限冲激响应(FIR)系...
发表于 2018-01-14 15:16 555次阅读
数字低通滤波器的设计

低通滤波器参数怎么设置

本文主要介绍了低通滤波器参数怎么设置,低通滤波器是指车载功放中能够让低频信号通过而不让中、高频信号通...
发表于 2018-01-14 15:01 864次阅读
低通滤波器参数怎么设置

实际滤波器的基本参数

本文主要介绍了实际滤波器的基本参数和滤波器的主要参数。理想滤波器是不存在的,在实际滤波器的幅频特性图...
发表于 2018-01-14 14:39 306次阅读
实际滤波器的基本参数

PWM变模拟信号(积分电路 ) _积分电路原理

积分电路主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿等场合。
发表于 2018-01-12 17:14 687次阅读
PWM变模拟信号(积分电路 ) _积分电路原理

电源EMI滤波器基本原理及结构_电源滤波器性能参...

本文主要介绍了电源EMI滤波器基本原理及结构_电源滤波器性能参数以及滤波器的技术参数及正确使用。电源...
发表于 2018-01-12 16:09 833次阅读
电源EMI滤波器基本原理及结构_电源滤波器性能参...

电源滤波器怎么接线_电源滤波器接线图

本文主要介绍了电源滤波器怎么接线_电源滤波器接线图。电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路,又...
发表于 2018-01-12 15:22 1638次阅读
电源滤波器怎么接线_电源滤波器接线图

电源滤波器参数

电源滤波器是由滤波电感、电容组成的无源器件。它允许工频(50Hz、60Hz、400Hz)通过,而对电...
发表于 2018-01-12 10:40 542次阅读
电源滤波器参数

电源滤波器检验规范

电源滤波器一般都设计为只由电阻、电容及电感组成的被动滤波器,没有像晶体管之类的主动元件。右图是一个电...
发表于 2018-01-12 10:18 621次阅读
电源滤波器检验规范

电源滤波器分类及应用

电源滤波器就是对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电器设备。电源滤波器的功能就是...
发表于 2018-01-12 09:46 250次阅读
电源滤波器分类及应用

电源滤波器型号及选型

电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路,又名“电源EMI滤波器”,或是“EMI电源滤波器”,一...
发表于 2018-01-12 09:05 310次阅读
电源滤波器型号及选型

介绍学习一种模拟信号的处理方式:对数处理

我们常用的文件压缩功能是一种通过软件手段进行文件缩小的方式之一,主要原理就是对于存储信息的01二进制...
发表于 2018-01-11 10:07 1201次阅读
介绍学习一种模拟信号的处理方式:对数处理

利用多级滤波器来消除开关电源转换器的输出噪声

开关电源几乎用于所有电子设备中。它们由于尺寸小、成本低和效率高而具有极高的价值。但是,它们最大的缺点...
发表于 2018-01-10 09:45 844次阅读
利用多级滤波器来消除开关电源转换器的输出噪声

电源层的分割、数模设计以及降低数字和模拟信号间的...

板层的结构板层的结构是决定系统的EMC性能一个很重要的因素。一个好的板层结构对抑制PCB中辐射起到良...
发表于 2018-01-08 11:10 2461次阅读
电源层的分割、数模设计以及降低数字和模拟信号间的...

快速查找PLC系统故障原因的经验总结

有一种简单的方法可以迅速判断是PLC故障还是电器设备的故障,就是采用短路法:将外联设备状态输入线断开...
发表于 2018-01-08 09:11 1111次阅读
快速查找PLC系统故障原因的经验总结

滤波器发展与分类详解以及应用比例

1917年,美国和德国科学家分别发明了LC滤波器,次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪5...
发表于 2018-01-05 15:00 1292次阅读
滤波器发展与分类详解以及应用比例
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