除颤能量检测及信号调理电路设计

除颤能量检测及信号调理电路设计

张俊乐 1 陈怡伶 1 贠剑虹 2

1. 陕西省计量科学研究院； 2. 陕西省水利电力勘测设计研究院

摘 要：针对除颤器分析仪校准装置研制中的脉冲能量检测问题，本文介绍了一种除颤能量检测模块的硬件设计方案，详述了除颤器分析仪校准装置的系统组成和电压电流检测电路、信号调理电路、滤波电路、电压保护电路的功能特点及硬件构成。

关键词：电压电流检测；信号调理；滤波；电压保护；

0 引言

除颤器用于患者的心脏除颤或起博，是十分重要的医疗抢救设备，其准确性事关患者生命健康，因此，需要定期对其进行校准。除颤器分析仪作为除颤器的溯源设备，其溯源问题却一直没能很好解决，因此，研制除颤器分析仪校准装置的意义重大。除颤器分析仪校准装置的原理是模拟除颤器对分析仪进行放电，但却比分析仪有更高的精度，通过测量释放能量，对分析仪进行校准。

1 系统组成

除颤器分析仪校准装置主要由能量产生模块、能量释放模块、能量检测模块、控制模块组成。接到放电指令后，校准装置先对储能电容充电，再对负载电阻放电，能量检测模块开始检测释放的脉冲电压和电流，并通过信号调理电路调理为最大值不超过±2.5V的电压信号，后经保护电路送入A/D采样电路，再送入控制模块完成控制、计算、处理、显示等功能，系统组成框图如下所示：

图1 系统组成框图

除颤能量检测模块以STM32微处理器为控制芯片，负责模块的运行控制及数据处理。能量检测模块主要包括信号检测、调理、A/D转换、滤波、保护等电路，脉冲电压电流经过信号采集及A/D采样后传输给微处理器计算处理。

2 电压电流检测电路

电压电流检测电路分别由分压器与分流器组成，其中分压器与负载电阻并联，分流器串联到放电回路的低压端。R₁、R₂为电压采样分压电阻，R₃为电流测量采样电阻，在电容C上预充电压为U₀的电能，通过开关电路对负载电阻R_f放电，检测电路如图2所示：

图2 电压电流检测电路

分压器将除颤能量的数千伏脉冲电压转换为A/D采样芯片可检测的电压信号，通过测量电压U₂以及计算分压比得到电压U₁，如式（1）所示：

（1）

除颤脉冲电流最大值不超过100A，可以采用直接测量法，在电路中串联采样电阻R₃，根据欧姆定律，通过测量电压U₃得到放电电流I，如式（2）所示：

（2）

因为除颤脉冲电流上升时间短、脉冲宽度窄，为尽量减小串入电阻对除颤脉冲放电回路的影响，采样电阻R₃由4个10mΩ无感电阻并联而成；电压电流检测电路中，分压器输入阻抗为20MΩ，从负载电阻两端直接采集电压信号；分流器等效电阻值为2.5mΩ，选用外接法，即检测的电流是流过负载电阻与分压器电阻的电流和。分压器20MΩ电阻与50Ω负载电阻并联后流过分压器的电流可忽略不计，所以采集的脉冲电压和电流信号能准确反映放电过程。

3 信号调理电路

除颤脉冲电流的最大值不超过100A，所以分流器检测到的电压信号最大值约为0.25V，该电压信号变化范围太小，必须经过适当的信号调理才可以被A/D采样芯片精确转换为数字信号，信号调理电路如图3所示：

图3 信号调理电路

信号调理电路的主要作用是放大分流器输出的电压信号，使该信号最大值尽可能满量程输入到A/D采样芯片。该信号调理电路是由OP37运算放大器组成的同相比例运算电路，该运算放大器噪声低、精度高且处理速度快，转换速率可达17V/μs，增益带宽高达63MHz，可以完全覆盖除颤脉冲信号的频率范围。

4 滤波电路

除颤脉冲能量检测时需要滤除采样信号中可能引入的各种噪声，特别是热噪声、电源电压或参考电压不稳引起的量化噪声等，因此在除颤信号检测中需要加入相应的抗干扰措施，滤除高频干扰信号，确保电压电流检测的准确性。常用方法是在电压电流检测电路后端加入多阶LC低通滤波电路，滤除高频干扰信号，滤波电路如图4所示：

图4 LC滤波电路

LC 滤波电路对低频信号损耗小，电感L与电容C可阻止高频干扰信号进入到A/D采样芯片的输入端口。

5 电压保护电路

由于采样芯片易受静电影响，且除颤脉冲具有高电压大电流的特性，所以电压电流检测电路的输出信号必须经过电压保护电路才可输入到A/D采样芯片的输入端口，以确保输入电压不超过芯片的电压范围，保护电路如图5所示：

图5 电压保护电路

保护电路中的两个稳压二极管分别产生稳定的±2.5V电压，再利用二极管D1、D2的钳位作用来限制输出电位，二极管导通压降约为0.7V，所以保护电路的输出电压不超过±3.2V。

6 小结

为解决除颤器分析仪校准装置的脉冲能量检测问题，本文介绍了除颤器分析仪校准装置的基本原理和系统组成，重点阐述了一种除颤脉冲能量检测模块的硬件设计电路，具体包括电压电流检测电路、信号调理电路、滤波电路、电压保护电路的功能特点、硬件构成等方面内容，硬件实验证明所述信号检测及调理电路能够达到预期效果。

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