16位ADC高精度血氧儀方案--PCBA方案設(shè)計(jì)

談到血氧儀方案，從最早的四運(yùn)放+模擬開關(guān)方案，到目前的精簡方案，把能省的都省了。血氧儀的軟解碼能力畢竟也是有限的。

軟件信號采樣，占用了MCU的時(shí)效不說，還降低了MCU的運(yùn)行時(shí)效，速度變慢了。對于本身就是8位的MCU來說，12位ADC的采樣精度基本能解決血氧的需求。但要真為了產(chǎn)品的效果和方案的成熟性，采用16位以上ADC才是王道。

下面就筆者收集的一點(diǎn)技術(shù)資料分享下，16位ADC高精度血氧儀的原理：

從上表可以看出，對于量程相同的情況下，AD位數(shù)越高，量化量級越小。假設(shè)AD位數(shù)為8，則量化電平間隔為78.1mV，模數(shù)轉(zhuǎn)化后的幅值電壓只能是78.1的倍數(shù)，而24位AD轉(zhuǎn)換后的幅值電壓則為1.19μV的倍數(shù)。這就是為什么AD位數(shù)低于16位，包括16位AD的數(shù)采設(shè)備在AD轉(zhuǎn)換之前需要用運(yùn)算放大器 ，要把AD轉(zhuǎn)換前的信號放大之后再進(jìn)行量化，以減小量化誤差。

通過電路，將光信號通過接收管轉(zhuǎn)換為電信號，通過采樣信號參數(shù)而得出最終數(shù)字，就是血氧儀的原理。

下面我們再就高精度血氧儀的采樣精度做深入的原理分享；

下圖中考慮將量程為±1.5V用4位和5位AD進(jìn)行量化，來說明不同AD位數(shù)帶來的差異。4位AD只能用4位來存儲數(shù)據(jù)，因此，滿量程被劃分為16份，而5位AD則可以劃分為32份。從圖中也可以看出，相同的量程高位AD對應(yīng)的量化電平間隔越小，因此，測量相同的信號，高位AD精度越高。另外，4位AD對應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍為24dB，5位AD對應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍為30dB。關(guān)于這一點(diǎn)，將在下面進(jìn)行說明。

量化誤差是模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中另一個(gè)重要的幅值誤差源，之前已說過采樣頻帶也會給幅值帶來誤差。在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，實(shí)際模擬量值與量化數(shù)字值之間的差異稱為量化誤差或量化失真。這個(gè)誤差歸咎于取整（只能是量化量級的倍數(shù)）或截?cái)嘣斐傻?，誤差大小是隨機(jī)的，在不同的采樣點(diǎn)這個(gè)誤差大小也不相同。在進(jìn)行量化時(shí)，是將信號的電壓幅值按四舍五入的方式量化到最近的量化電平上。在這將通過一個(gè)實(shí)例數(shù)據(jù)來說明量化誤差是如何產(chǎn)生的。

假設(shè)考慮如下圖所示的采樣，黑色實(shí)線表示信號實(shí)際大小，采樣間隔為時(shí)間T，考慮第7個(gè)采樣點(diǎn)的幅值量化誤差。X表示相鄰兩個(gè)量化電平的平均值，從圖中可以看出，在采集第7個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，信號的實(shí)際幅值大小位于量化電平m6和m77之間，但這個(gè)數(shù)據(jù)量化之后，幅值要么是m66，要么是m7。首先，將該幅值與m6和m77的平均值x6進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)幅值大于x66，因此，按四舍五入方式量化到最近的量化電平m77上，m77與信號實(shí)際值之差即是量化誤差。

高精度血氧儀ADC采樣

當(dāng)AD位數(shù)越高時(shí)，量化電平間隔會越小，因此，量化誤差會越小，轉(zhuǎn)化精度越高。理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，量化誤差均勻分布于（?1/2量化量級）~（+1/2量化量級）之間，如理想的24位AD，其量化誤差分布于-0.6μV~+0.6μV之間。對于理想的M位AD而言，信號與量化噪聲之比(SQNR) （或稱為動(dòng)態(tài)范圍）可由下式計(jì)算

SQNR=20log10(2^MM)=6.02M dB

從上式可以明白，1位AD，對應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍為6.02dB?？梢赃@樣理解：由于每一位只能存儲0和1，對應(yīng)的數(shù)字大小為1=20和2=21，相差2倍。我們知道，線性2倍，對應(yīng)6dB。因此，1位AD對應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍為6dB，常見AD位數(shù)，對應(yīng)的SQNR如下表所示。

現(xiàn)在我們已經(jīng)明白了量化誤差，除了用高位AD可減少量化誤差之外，還有沒有別的方法可以減小量化誤差呢？除了用高位AD之外，還有以下兩種方法可減小量化誤差，提高信噪比。

通過以上的知識了解到，當(dāng)我們ADC位數(shù)越高時(shí)，一：可以免除運(yùn)放的運(yùn)用，二：采樣誤差越小，精度越高，產(chǎn)品性能越穩(wěn)定！

其利醫(yī)療血氧儀原理

某一特殊波長的光作用于人體指尖表皮時(shí)，可以將人的手指看作一個(gè)混合物，包括靜態(tài)物質(zhì)（光程不變）和動(dòng)態(tài)物質(zhì)（光程隨物質(zhì)容積變化而變化）兩個(gè)部分。當(dāng)光被指端組織吸收后，其透射光將被光電探測器接收。由于人體手指各組織成份的吸光能力，傳感器采集到的透射光強(qiáng)度明顯衰減。根據(jù)這一特點(diǎn)，建立人體指端光吸收的等效模型。

人體手指成分包括骨骼、指甲、皮膚、組織、靜脈血以及動(dòng)脈血，在與光相互作用過程中，由于心臟收縮向動(dòng)脈充血，導(dǎo)致手指末梢動(dòng)脈中血液體積隨心臟的搏動(dòng)而變化，導(dǎo)致測量光程的改變；而其他成分在整個(gè)光作用過程中光程不變化，是一個(gè)常數(shù)。

其利醫(yī)療血氧儀原理圖

在生物組織光學(xué)中，通常把波段在 600～1300nm的光譜區(qū)稱為“生物體光譜學(xué)之窗”，在這個(gè)波段的光對許多已知和未知的光譜治療和光譜診斷具有特別意義。在紅外區(qū)，水成為生物組織體中占主導(dǎo)地位的吸光物質(zhì)，那么為了更好的獲得目標(biāo)物質(zhì)對光的吸收信息，系統(tǒng)采用的波長必須避開水的吸收峰。由此，在近紅外光譜范圍 600～950nm 內(nèi)，人體指端末梢組織有吸光能力的主要成份包括血液中的水、 O2Hb(氧合血紅蛋白)、RHb(還原血紅蛋白) 以及外周的皮膚黑色素等組織。