Снижение яркости окружающего света в мониторах сердечного ритма

Использование трансимпедансного усилителя со связью по переменному току может значительно улучшить зеленые светодиоды. Освещенные датчики сердечного ритма невосприимчивы к шуму и другим посторонним воздействиям окружающей среды.

Благодаря своей простоте и низкой стоимости датчики сердечного ритма с зеленой светодиодной подсветкой теперь почти повсеместны, они встречаются в большинстве потребительских товаров для здоровья, а также во многих телефонах и наручных часах. Но, несмотря на все их преимущества, я заметил, что на них часто влияют факторы окружающей среды, которые снижают их точность и, в некоторых случаях, их способность вообще проводить измерения.

Эти факторы включают чувствительность к размещению пальца, различия в расстоянии между источником светодиода и датчиком, а также проникновение окружающего света. Это заставило меня задуматься о создании трансимпедансного усилителя со связью по переменному току (TIA), который был бы намного менее восприимчив к яркому окружающему свету, например солнечному свету или лампе накаливания мощностью 100 Вт в непосредственной близости от фотодиодного датчика.

Моделирование показало, что эта идея работает хорошо, и что постоянный ток в фотодиоде (смоделированный как источник переменного тока со смещением постоянного тока для имитации реакции окружающего света) подавлялся за счет связи переменного тока со входами TIA.

Рис. 1. TIA, связанный по переменному току, с малошумящим опорным уровнем 2,5 В.

Чтобы проверить симуляцию, я макетировал предварительную схему, используя компоненты, которые у меня уже были под рукой, в первую очередь Yi T1-3 / 4 или 5-миллиметровый «пулевый» фотодиод и обычный зеленый светодиод. Оба устройства были размещены в корпусах для поверхностного монтажа, которые также могли работать на близких расстояниях. Если требуется измерение импульсов на больших расстояниях, может потребоваться использование деталей, которые включают линзы в SMD-корпусах, чтобы уменьшить поле зрения.

Полученная схема продемонстрировала хорошую импульсную чувствительность на моем запястье на расстоянии до шести дюймов от фотодиода / светодиода, даже когда лампа накаливания мощностью 100 Вт была расположена как можно ближе к фотодиоду (без перекрытия оптического пути к моему запястью между фотодиод и светодиод). Точно так же чувствительность новой схемы к движениям тела (моего запястья) была минимальной.

Это полная схема, смоделированная, включая фильтр верхних и нижних частот, построенная и испытанная для получения указанных выше результатов:

щелкните, чтобы увидеть полноразмерное изображение

Рис. 2. Полная схема TIA включает полосовой фильтр, который помогает снизить его чувствительность к движениям тела и быстрым изменениям окружающего освещения. Как показано, ответ схемы составляет -3 дБ от 48 до 390 ударов в минуту.

щелкните, чтобы увидеть полноразмерное изображение

Рис. 3. Отклик выходного сигнала фильтра на переменный ток фотодиода 1 нА при частоте 0,5 Гц или 120 ударов в минуту.

Реализованный здесь TIA довольно нечувствителен к вариациям компонентов. Я использовал резисторы с допуском 5% и конденсаторы с допуском 10%. Сбалансированный вход переменного тока и фильтр нижних частот обеспечивают отличное подавление шума, наведенного сетью переменного тока.

В результате я не увидел «гула» в выходном сигнале, когда я приблизил свою кожу к пластиковому корпусу фотодиода и, в конечном итоге, соприкоснулся с ним. Нет отклика 120 Гц на фоновый свет, создаваемый ближайшей лампочкой мощностью 100 Вт. Схема также не продемонстрировала какой-либо отклик 60 Гц на непосредственную близость лампы к фотодиоду во время теста на подавление окружающего света.

Выводы

Многие общие проблемы, связанные с датчиками импульсов на основе зеленых светодиодов, можно уменьшить или устранить, используя трансимпедансный усилитель со связью по переменному току в схеме фотодетектора. Для большинства приложений любые возможные дополнительные затраты, связанные с компонентами TIA, намного перевешиваются увеличением помехозащищенности, позиционного допуска и дальности обнаружения.

Рис. 4. Относительное положение светодиода, фотодиода и поверхности кожи.

Ссылки:

• Фотодиодные усилители:решения для операционных усилителей Джеральда Грэма
• Операционные усилители:разработка и применение Грэма, Тоби, Хелсмана.
• Применение операционных усилителей:методы третьего поколения, Грэм

- Дэйв Конрад - инженер-электронщик на пенсии, имеющий опыт разработки систем питания, видео, аналоговых, цифровых, смешанных сигналов и программного обеспечения.

>> Эта статья изначально была опубликована на нашем дочернем сайте EDN .

Связанное содержание:

• Как разработать лучший пульсоксиметр:технические характеристики
• Устройство без манжеты обеспечивает клинически точные измерения артериального давления.
• Специализированные датчики подходят для носимых медицинских устройств.
• Использование радара mmWave для мониторинга жизненно важных функций
• Сенсорный модуль упрощает дизайн носимых устройств для здоровья и фитнеса

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.