心率監測器

心率監測器(1)

人的心率快慢是情緒狀態、運動強度和心臟功能的客觀指標之一。但是一般人都很難時刻而准確地測出自己的心率數值。如果將心率監測器帶在身上，用心電電極將心電信號檢出，經過監測器將信號處理後，使用者便能隨時得知自己的心率變化情況，自我監測心率的變化狀態。

心率監測器的方框圖如圖22-1所示，由心電電極、放大器、頻率/電壓變換器、電壓控制門、音頻振盪器及發聲器組成。

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圖22-1

心率監測器(Ⅰ)適用的心率范圍是(60～160)次/分。通過調整電路中的有關元件，在(60～160)次/分范圍內可改變發聲報警時的心率范圍。此心率范圍的寬度設計在中心值的±20%范圍內。比如若將中心值調在100次/分外，則心率信號范圍為(80～120)次/分，如果心率超出此范圍的上、下限，儀器不發聲，如果心率處于上述范圍內，儀器則會發出心電信號聲。且該信號聲的節拍與心跳的節拍相同。如果心率正好為儀器預調范圍的中心值，儀器發出信號聲的頻率為2200Hz，此時輸出音量最大；如果心率加快了，則音調隨之變高且節拍加快；心率減慢，則音調隨之變低且節拍減慢。心率加快或心率減慢時，儀器輸出音量都減小。這樣，使用者就可以根據信號聲的節拍、音調和響度三方面的變化，較明顯地辨別自身心率的變化情況了。

該儀器因為要隨身攜帶，所以體積要盡量小，耗電要省。其電源電壓為3V，靜態電流為150μA。

心率監測器(Ⅰ)的電原理圖如圖22-2所示。為便于分析，將電路分成A、B、C、D四部分。A部分電路為心電信號放大器，由心電電極拾取的心電信號波形如圖22-3所示。其中最高幅度約為1mV左右，變化最陡的脈衝叫R波，另外還有變化較緩慢的P波及T波等。每心跳一次就有一個R波。

心電信號從貼在人體上的電極取出，從1、3兩端子(見圖22-2)送到輸入迴路。

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圖22-2

輸入迴路由RC網絡組成，因時間常數取得較小，所以可將心電信號中的R波分離出來，再經過集成運算放大器(A)放大，在a點就能輸出一個幅度恒定(寬度稍有變化)的脈衝序列。由于集成運放電路開環增益極高，R波足以使電路處于飽和削頂狀態，所以在a點得到的方脈衝前、後沿都很陡，不需要再對方脈衝進行整形。

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圖22-3

B部分電路為頻率棗電壓變換電路，其功能是利用計數率電路將a點輸出的脈衝信號轉換成直流電壓，要求從b點輸出的電壓與脈衝頻率(即心率)成正比，即完成頻率/電壓的線性轉換。

開始時，C3、C4上沒有電荷。晶體管VT1為零偏壓，不導通。當第一個心電正脈衝到來時，二極管VD正偏導電，三極管VT1反偏不導通。這時輸入脈衝直接給C3、C4充電。C4充電同時還要通過R5放電。由于R5很大，C4放電很慢，所以暫不考慮它的影響。如果輸入脈衝有一定寬度，即可保證C3、C4充電。如果忽略二極管VD的壓降，根據電容分壓可得，

VC3=C4/C3+C4Vm·VC4=C3/C3+C4Vm，

Vm為輸入脈衝的幅度，設Vm=1.5V，C3=1.5μF，C4=1.5μF，則

VC3=1.5/1.5+0.43×1.5=1.2(V)

VC4=0.43/1.5+0.43×1.5=0.3(V)

當第一個脈衝過去後，二極管VD反偏不導通，三極管VT1正偏導通，VT1對C3反向通電，直到C3、C4上的電壓相等(方嚮相反)，VT1才截止。因此這時從輸入端向右看進去，C3、C4串聯電壓為零，也就是說串聯電容上沒有剩餘電荷。所以當第二個脈衝再一次輸入時，起始條件與前一個脈衝完全一樣。由此可知，第二個脈衝過去後在C4上又充上0.3V電壓，於是C4上的電壓為：

VC4=2×C3/C3+C4Vm=0.6V

如此繼續下去，C4上電壓就會積累起來，如果輸入n個脈衝，則

VC4=n×C3/C3+C4Vm

但是C4上的電壓不能無限制的增加，在C3充電的同時還要通過R5放電。若C4每秒鐘得到的電荷量與放掉的電荷量相等，達到動平衡，C4上的電壓不再升高。所以最後決定C4上電壓高低的不是脈衝的數量，而是脈衝的頻率，即每秒鐘的脈衝數，VC4=Vm·Rb5·C3·f。從上式不難看出，電容C4上的電壓與輸入脈衝頻率成正比。

電位器RP1可預調發聲時心率范圍。它實際上是改變了計數率電路的輸入脈衝幅度Vm，使得不論心電脈衝中心值是多少，b點的輸出電壓均相同，於是末級的工作狀態相同，發出的音響規律一樣。

在集成運算放大器A輸出脈衝的同時，還通過電阻R4給末級VT3的基極提供一個偏置電流，於是末級音頻振盪器開始產生振盪。當沒有心電脈衝時，VT3得不到偏置電流，音頻振盪器不振盪，此時末級也不消耗電能。這樣就能保證音響的節拍與心跳相同並且能節約電能。

C部分電路是電壓控制門，其工作原理是：b點輸出的電壓約為+1.2V的直流電壓加在場效應管VT2柵極。場效應管在電路中的作用相當于一個壓控可變電阻。隨著加在柵極VE上電位的不同，D、S極之間的電阻RDS隨之變化。在圖22-2電路中，VT2處于反偏狀態，電源電壓減去b點電壓即為反偏值。由于b點的電壓值與心電脈衝的頻率成正比，因此當心率加快時使b點電壓相應提高，於是反偏減小。RDS減小。而RDS為後級移相音頻振盪器的移相RC網絡中的一部分，所以使末級產生的音頻振盪頻率升高(具體原理見後面D段電路)，即心率加快時所產生的聲音音調也變高。

由于電池用久之後，電壓會逐漸降低，使得a點的輸出電壓減小，b點電壓也將降低，會給測量帶來誤差。但由于場效應管VT2工作在反偏，當電源電壓降低的同時，使得VT2反偏減小，RDS減小，其作用就相當于對b點電壓進行了一定補償。但不能完全補償，為了保證一定精度，當電池電壓降低10%以後，就應更換電池。

D部分電路工作原理：這一部分為四級RC移相正弦振盪電路。每一級RC網絡移相45°。這種電路工作穩定，波形良好，使得聲音較悅耳。另一個優點是電源電壓變化時對振盪頻率影響很小，可使電路穩定可靠的工作。

改變移相網絡中的電阻，振盪頻率隨之改變。場效應管VT2的D、S極之間的電阻RDS相當于移相網絡的一級電阻。RDS變化時，可控制振盪頻率，RDS大時振盪頻率低；R阻值偏小振盪頻率高，但不管變大變小，當偏離正常值時(5.1kΩ)振盪都減弱，當R大于20kΩ、小于2kΩ時則停止振盪。

發聲器可採用壓電陶瓷片(加助聲腔)。

(胡天奇)