中心議題：

• 心電圖機的操作原理
• ECG的信號調整
• 血糖測量儀的信號調整分析

解決方案：

• 采用的無線技術方案                

現今的醫療便攜設備方便病人自行診療、自由走動，甚至可在外出時使用設備。便攜式電子醫療設備要實現"方便攜帶"的特色功能，就必須具備微型化和低功耗的特性。　　

ciwai，zhexieshebeihaiyaoyoujigaodejingduyiquebaobingrendeanquan。yiliaoshebeicaiyongduozhongbutongdechuanganqilaijianshibingrendejiankangzhuangkuang，ranhouchuanganqijiangshenglixinhaozhuanhuanchengdianzixinhaogongdianzishebeifenxishiyong。youyuyiliaoshebeizhongchuanshudexinhaodoubijiaoweiruo
，erqiehaihuishoudaozhuduozaoshengyuandeganrao，yincixinhaolujingshejiduibianxieshiyiliaoshebeijiuxiandegewaizhongyaole。benwenjiangzhenduixindiantujihexuetangceliangyizheliangzhongshebeiyingyong，taolunruhejiangchuanganqiyupipeidePowerWise放大器相連接，以便延長電池壽命和提高診療安全性。　

心電圖機的操作原理　　

心電圖機(ECG)可實時記錄病人的心跳活動。心跳信號是通過三個連接到病人身體的電極測量出來。圖1所示為其中一個電極輸出的ECG信號，圖中包含有五個測量點，分別是Q、P
、R、S、和T，這些測量點可用來診斷病人患上心髒病的可能性。　　
 

從電極收集回來的信號處於 在400μV到最高5mV的範圍內
，並在0.05Hz 和100Hz 下帶有3dB轉角頻率。這類信號一般都會受到不少的幹擾，例如電極的接觸噪聲、電源線路噪聲(50MHz)、呼吸、肌肉活動、以及來自其他電子器件的幹擾。　　

ECG的信號調整　　

正如上述所說
，ECG的信號路徑必須能調理不同來源的噪聲。對抗直流電噪聲，可以使用高通濾波器。然而

，最令人頭痛的是50Hz的de噪zao聲sheng
，因yin為wei它ta剛gang好hao與yu我wo們men收shou集ji的de信xin號hao頻pin率lv處chu於yu相xiang同tong範fan圍wei。要yao消xiao除chu這zhe個ge共gong模mo噪zao聲sheng，需xu要yao建jian立li一yi個ge測ce量liang儀yi表biao放fang大da器qi。這zhe個ge配pei置zhi之zhi所suo以yi很hen理li想xiang是shi因yin為wei它ta可ke在zai抑yi製zhi共gong模mo電dian壓ya的de同tong時shi放fang大da有you用yong的de差cha分fen信xin號hao
，這zhe利li於yu把ba微wei弱ruo的de有you效xiao信xin號hao從cong背bei景jing噪zao聲sheng中zhong分fen隔ge出chu來lai。正zheng如ru圖tu2所示，這個儀表放大器是用LMP2234(四通道
、微功率、高精度的RRO運算放大器)和高精度的電阻器(0.1%)實現出來。　　
 

A1, A2, A3, A4: LMP2234
R1, R2: 2 MΩ
R3, R5: 40 kΩ
R4: 20 kΩ
R6, R7: 10 kΩ
R8, R9: 10 kΩ
R10, R11: 20 Kω

LMP2234是用VIP50工藝技術製成，即絕緣矽BiCMOS工藝。用這種工藝製作出來的超低功耗放大器非常適合電池供電的低功耗應用。該工藝具有1.8到5.5V的操作電壓範圍和36μA的靜態電流，利於延長便攜係統中電池的壽命。LMP2234是LMP高精度放大器家族的成員
，其高阻抗CMOS輸入使它成為測量儀表和其他傳感器接口應用的理想選擇。　　
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由於來自電極的信號幅度極低，放大器的直流參數便顯得很重要。LMP2234的最高偏移電壓為150V(典型值為10 V)，而偏移電壓漂移溫度係數和偏置電流分別僅為0.3 μV/℃和±20 fA。這些高精度的嚴格規格使LMP2334在維持係統常精度和長期穩定性方麵有相當出色的表現。　　

這個測量儀表放大器包含有兩個級。最後一個級(亦即輸出級)是一個差分放大器，它能夠拒絕直流電平以及同時影響兩個輸入的幹擾和噪聲電壓源。由兩個放大器組成的第一級(亦即是輸入級)則(ze)被(bei)配(pei)置(zhi)成(cheng)一(yi)個(ge)可(ke)將(jiang)輸(shu)入(ru)隔(ge)離(li)的(de)緩(huan)衝(chong)器(qi)。可(ke)是(shi)，基(ji)於(yu)放(fang)大(da)器(qi)間(jian)的(de)失(shi)配(pei)使(shi)它(ta)們(men)彼(bi)此(ci)不(bu)能(neng)相(xiang)互(hu)連(lian)接(jie)，所(suo)以(yi)要(yao)在(zai)兩(liang)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)之(zhi)間(jian)加(jia)裝(zhuang)平(ping)衡(heng)電(dian)阻(zu)。將(jiang)兩(liang)個(ge)級(ji)的(de)增(zeng)益(yi)相(xiang)乘(cheng)便(bian)可(ke)得(de)出(chu)測(ce)量(liang)儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi)的(de)增(zeng)益(yi)。理(li)論(lun)上(shang)

，共(gong)模(mo)抑(yi)製(zhi)比(bi)(CMPR)應ying該gai是shi無wu限xian大da，但dan由you於yu出chu現xian電dian阻zu失shi配pei

，導dao致zhi輸shu出chu級ji的de非fei零ling共gong模mo增zeng益yi非fei常chang小xiao。在zai電dian路lu的de輸shu入ru級ji中zhong，流liu經jing所suo有you電dian阻zu的de電dian流liu是shi一yi樣yang的de。這zhe都dou有you賴lai於yuLMP2234具有高輸入阻抗和低輸入偏置電流的特點。　　

輸出電壓被定義成：　　


輸入信號的最大幅度僅為5mV

，但為了建立增益
，我們必須考慮到電極的直流偏移電壓，它有時甚至可高至±300mV。LMP2234的軌到軌輸出可從電源電壓軌搖擺至15mV

，從而增加了係統的動態範圍。此外
，由R10和R11組成的偏置分壓器可提供一個電壓
，該電壓恰好等於正確診段病人體征所需電源電壓的一半。　　

正如圖3所示，會采用一個高通濾波器來抑製能夠引致下一個增益級飽和的直流器件。這個高通濾波器的截止頻率為0.5Hz。該濾波器采用二階Sallen Key型的 Butterworth 拓撲技術來實現。至於第二級是一個低通濾波器，其擁有100Hz的截止頻率和100的增益，並且同樣以Sallen Key 拓撲來實現。諸Sallen Key 類的模擬濾波器是圍繞著有電阻器和電容器的運算放大器而建立。當中沒有采用電感器是因為它體積過大、笨重和不夠完美。　　
 

C1: 1 μF  R3: 5.36 kΩ
C2: 220 nF R4: 14.3 kΩ
R1: 1.24 MΩ C3: 33 nF
R2: 365 kΩ C4: 1 μF
R5: 10 kΩ
R6: 1 MΩ

兩個濾波器都是采用低功耗的運算放大器LMV552來實現
，而這款放大器是采用美國國家半導體VIP50工藝製成。擁有3MHz的帶寬，同時每個放大器僅需消耗34μA的電流，帶寬/功耗比是同級運算放大器中最高的。LMV552擁有一個軌到軌輸出級和一個擴展到接地以下的輸入共模範圍，操作電源電壓範圍是2.7V到5.5V。　　

用電池操作的係統需要一個直流/直流升壓來提供信號路徑所需的3.3V電壓。LM2623是一款高效率的通用式升壓直流-直流開關穩壓器，專門應用於采用電池供電的低輸入電壓係統。這款穩壓器可接受8V到14V的輸入電壓並把它們轉換成1.24V到14V的穩定輸出電壓。配合LM2623
，係統的效率可高達90%。　　

假如係統要求有病人安全性隔離，可通過采用伽伐尼隔離(galvanic isolation)、光電耦合電容和磁耦合來實現。本文雖然著重討論ECG的前端，但在開發醫療電子係統時
，安全標準問題不容忽視。　　

藍牙傳輸　　

心跳的記錄可以用無線傳送到電腦、移動電話或PDA中。藍牙技術穩定可靠、簡單易用
，成本經濟，而且覆蓋範圍廣

，因此在病人監視方麵成為普遍采用的無線技術。　　

美國國家半導體的LMX9838藍牙串行端口模塊是一款高度集成的器件，當中包含有藍牙2.0基帶控製器
、2.4GHz的無線電機、晶體、天線、LDO和分立元件。該藍牙節點功能完整
，而且體積小巧(10 mm x 17 mm x 2.0 mm)。　　
 

在這個完整的方案中包括硬件和軟件
，適用於具有完整的高低藍牙堆疊層的天線、通用存取規範(GAP)、服務發現應用規範(SDAP)和串行端口規範(SPP)等的應用。該模塊包含有一個可配置的服務數據庫以便迎合主控上的附加服務規範要求。此外，LMX9838通過了藍牙終端產品認證，無需再通過任何測試或支付技術牌照費就可以直接使用到最終應用上。　　

基於美國國家半導體的CompactRISC 16位處理器架構和數字智能無線電技術，LMX9838作為一個優化解決方案可以完全滿足藍牙節點所需的數據處理和鏈路管理要求。　　
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另一例子：血糖測量儀　　

血糖測量儀是針對患糖尿症病人的重要設備。血糖控製無疑可有助於降低病患的風險，改善病人的生活品質。血糖測量通常有兩個方法：fansheguangducelianghedianhuaxue。zaiguangxuefangfazhong，xuetangyushizhishangdelingyihuahewuchanshengfanyinghouhuichanshengmouzhongyansejihao
，qiyansedeshenqianchengduhuiyuxuetangdenongduchengzhengbi。fansheguangduceliangdeyuanlishitongguoliangduLED的反射光線來量化顏色的深度：血糖濃度越高
，反射出來的光線便越弱。LED會捕捉光線並把它轉換成電子信號。　　
 

raner，daduoshudexuetangceliangyidoucaiyongyiyanghuazuoyongweijichudedianhuaxuefangfa。zaizheyifangfazhong
，xuetangchuanganqishiyizhangbaohanyoumeihesangedianjideshizhi。qizhongdelianggedianjiyonglaizuoceliang，lingyigezeyonglaizuocankao。dangxueyeyangpinfangzaishizhishangshi
，dianzihuibeichuansongdaodianji。dianhuaxuehuilianghuadianzideshuliang：所產生的電子數量會與血糖的濃度成正比。當一個參考電壓(典型為200mV)施(shi)加(jia)到(dao)試(shi)紙(zhi)上(shang)時(shi)，電(dian)子(zi)會(hui)被(bei)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)一(yi)個(ge)與(yu)血(xue)糖(tang)濃(nong)度(du)成(cheng)比(bi)例(li)的(de)電(dian)流(liu)
，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)被(bei)稱(cheng)作(zuo)電(dian)流(liu)分(fen)析(xi)法(fa)。不(bu)過(guo)
，產(chan)生(sheng)出(chu)來(lai)的(de)電(dian)流(liu)相(xiang)當(dang)微(wei)弱(ruo)
，一(yi)般(ban)介(jie)乎(hu)μA 到 nA級，並需要再轉換成一個可供處理的電壓。　　

圖5所示為一個完整方案的框圖

，該係統是由電池供電並可使用LM2623來提供3.3V的電源電壓。通過電極量度出來的電流之後會經由一個運算放大器被轉換成一個電壓，這個電壓再被送到微控製器處理
，最後顯示在LCD熒幕上。
 

R1= 47 kΩ and R2= 3 kΩ, RF= 25 kΩ　　

jiexialaizaishenrutantaoyixiazhegeyouyigekuazufangdaqilaishixiandedianliudaodianyadezhuanhuan。zhezhongtuopudezengyihuiyishuchudianyaheshurudianliudebililailiangdu
，yijifankuidianzuqi Rf 必須夠大至可檢測到細小的電流。然而，放大器輸入的電容(Cin)加上反饋電阻器(Rf)便產生出一個相位落後
，而這個落後會導致增益峰值出現並影響電路的穩定性。電容器Cf是(shi)用(yong)來(lai)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)極(ji)和(he)增(zeng)加(jia)相(xiang)角(jiao)的(de)穩(wen)定(ding)裕(yu)度(du)。此(ci)外(wai)，此(ci)電(dian)容(rong)器(qi)亦(yi)可(ke)用(yong)來(lai)限(xian)製(zhi)帶(dai)寬(kuan)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)對(dui)噪(zao)聲(sheng)的(de)抑(yi)製(zhi)。正(zheng)如(ru)前(qian)文(wen)提(ti)及(ji)的(de)，傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)電(dian)流(liu)是(shi)非(fei)常(chang)微(wei)弱(ruo)的(de)，這(zhe)意(yi)味(wei)放(fang)大(da)器(qi)必(bi)須(xu)有(you)極(ji)高(gao)精(jing)度(du)的(de)規(gui)格(ge)。首(shou)先(xian)，使(shi)用(yong)中(zhong)放(fang)大(da)器(qi)的(de)電(dian)流(liu)噪(zao)聲(sheng)必(bi)須(xu)很(hen)低(di)
，因(yin)此(ci)帶(dai)有(you)10 fA/sqrt(Hz)的LMP2232是最佳的選擇。　　

lingyigexuyaozhuyidecanshushifangdaqidepianzhidianliu，youqishidangfankuidianzuhendashi，cicanshuxiandeyouweizhongyao。ciwai
，pianyidianyadeyingxiangyitongyangzhongyao，laizizhelianggecanshudewuchakejisuanchengVerror = Vos + Ib x Rf。LM2232在工作溫度範圍下的偏移電壓和偏置電流分別為230μV (典型值為10μV) 和 50pA (典型值為20fA)。因此，LM2232可謂此類應用的最佳選擇。　　

正如上述指出的，這一放大器是一個微功率組件
，雙通道型號隻僅消耗13μA的電流。　　

結論　　

無(wu)論(lun)是(shi)心(xin)電(dian)圖(tu)還(hai)是(shi)血(xue)糖(tang)測(ce)量(liang)應(ying)用(yong)，對(dui)便(bian)攜(xie)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)來(lai)說(shuo)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)都(dou)是(shi)保(bao)證(zheng)病(bing)人(ren)的(de)安(an)全(quan)和(he)移(yi)動(dong)的(de)便(bian)利(li)性(xing)。在(zai)設(she)計(ji)係(xi)統(tong)的(de)時(shi)候(hou)，超(chao)低(di)功(gong)耗(hao)和(he)超(chao)高(gao)精(jing)度(du)都(dou)是(shi)不(bu)可(ke)妥(tuo)協(xie)的(de)要(yao)求(qiu)。上(shang)述(shu)兩(liang)個(ge)例(li)子(zi)顯(xian)示(shi)出(chu)美(mei)國(guo)國(guo)家(jia)半(ban)導(dao)體(ti)產(chan)品(pin)在(zai)精(jing)度(du)、功耗
、尺寸和靈活性等方麵具有優勢。