Abschwächen von hellem Umgebungslicht in Herzfrequenzmonitoren

Die Verwendung eines AC-gekoppelten Transimpedanzverstärkers kann die grüne LED- Immunität der beleuchteten Herzschlagsensoren gegenüber Rauschen und anderen äußeren Umwelteinflüssen.

Dank ihrer Einfachheit und geringen Kosten sind grüne LED-beleuchtete Herzschlagsensoren heute fast allgegenwärtig und finden sich in den meisten Gesundheitsprodukten sowie in vielen Telefonen und Armbanduhren. Aber trotz all ihrer Vorteile habe ich beobachtet, dass sie häufig von Umweltfaktoren beeinflusst werden, die ihre Genauigkeit und in einigen Fällen sogar ihre Fähigkeit, Messungen durchzuführen, beeinträchtigen.

Zu diesen Faktoren gehören die Empfindlichkeit gegenüber der Fingerplatzierung, Variationen im Abstand zwischen der LED-Quelle und dem Sensor und das Eindringen von Umgebungslicht. Dies führte mich dazu, darüber nachzudenken, einen AC-gekoppelten Transimpedanzverstärker (TIA) zu entwickeln, der viel weniger anfällig für helles Umgebungslicht wie Sonnenlicht oder eine 100-W-Glühbirne in unmittelbarer Nähe des Fotodiodensensors ist.

Die Simulation zeigte, dass die Idee gut funktionierte und dass Gleichstrom in der Fotodiode (als Wechselstromquelle mit DC-Offset-Vorspannung modelliert, um die Umgebungslichtreaktion zu simulieren) durch die Wechselstromkopplung an die TIA-Eingänge zurückgewiesen wurde.

Abbildung 1:AC-gekoppelter TIA mit rauscharmem 2,5-V-Referenzpegel.

Um die Simulation zu überprüfen, habe ich eine vorläufige Schaltung mit den Komponenten, die ich bereits zur Hand hatte, gesteckt – vor allem eine Yi T1-3/4 oder 5mm „Kugel“-Fotodiode und eine generische grüne LED. Beide Geräte waren in SMD-Gehäusen untergebracht, die auch für kurze Distanzen funktionieren würden. Wenn eine Impulserfassung über längere Distanzen erforderlich ist, kann es erforderlich sein, Teile mit Linsen in den SMD-Gehäusen zu verwenden, um das Sichtfeld zu verringern.

Die resultierende Schaltung zeigte eine gute Pulsempfindlichkeit mit meinem Handgelenk in einer Entfernung von bis zu 15 cm vom Fotodioden- / LED-Setup, selbst wenn eine 100-W-Glühbirne so nah wie möglich an der Fotodiode positioniert war (ohne den optischen Weg zu meinem Handgelenk dazwischen zu blockieren). die Fotodiode und die LED). Ebenso war die Empfindlichkeit der neuen Schaltung für Körperbewegungen (mein Handgelenk) minimal.

Dies ist die gesamte simulierte Schaltung, einschließlich eines Hochpass- und Tiefpassfilters, gebaut und getestet für die obigen Ergebnisse:

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Abbildung 2:Die gesamte TIA-Schaltung enthält einen Bandpassfilter, der dazu beiträgt, die Empfindlichkeit gegenüber Körperbewegungen und schnellen Umgebungslichtschwankungen zu reduzieren. Wie gezeigt, beträgt die Reaktion der Schaltung -3 dB von 48 bpm bis 390 bpm.

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Abbildung 3:Filterausgangsantwort auf einen 1-nA-Photodioden-Wechselstrom bei 0,5 Hz oder 120 bpm Stimulus.

Der hier implementierte TIA ist relativ unempfindlich gegenüber Bauteilvariationen. Ich habe Widerstände mit 5% Toleranz und Kondensatoren mit 10% Toleranz verwendet. Der symmetrische AC-Eingang und das Tiefpassfilter bieten eine hervorragende Unterdrückung von durch die AC-Leitung induziertem Rauschen.

Als Ergebnis sah ich kein "Brummen" im Ausgangssignal, als ich meine Haut näher an das Kunststoff-Fotodiodengehäuse heranbrachte und es schließlich berührte. Es gibt keine 120-Hz-Reaktion auf das Hintergrundlicht, das von einer nahegelegenen 100-W-Glühbirne erzeugt wird. Auch zeigte die Schaltung keine 60-Hz-Reaktion auf die unmittelbare Nähe der Glühbirne zur Fotodiode während des Tests auf Umgebungslichtunterdrückung.

Schlussfolgerungen

Viele häufige Probleme, die mit Pulssensoren auf Basis von grünen LEDs verbunden sind, können durch Verwendung eines wechselstromgekoppelten Transimpedanzverstärkers in der Fotodetektorschaltung reduziert oder beseitigt werden. Bei den meisten Anwendungen werden alle möglichen zusätzlichen Kosten im Zusammenhang mit den Komponenten des TIA bei weitem durch die Verbesserung der Störfestigkeit, Positionstoleranz und des Erfassungsbereichs aufgewogen.

Abbildung 4:Relative Positionen von LED, Photodiode und Hautoberfläche.

Referenzen:

• Photodiodenverstärker:Op-Amp-Lösungen von Jerald Graeme
• Operationsverstärker:Design und Anwendungen von Graeme, Tobey, Huelsman
• Anwendungen von Operationsverstärkern:Techniken der dritten Generation von Graeme

—Dave Conrad ist ein Elektroniker im Ruhestand mit Erfahrung in den Bereichen Stromversorgung, Video, Analog, Digital, Mixed-Signal und Software-Design.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EDN . veröffentlicht .

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