Het verminderen van helder omgevingslicht in hartslagmeters

Het gebruik van een AC-gekoppelde transimpedantieversterker kan de groene LED-verlichting aanzienlijk verbeteren de immuniteit van verlichte hartslagsensoren voor ruis en andere externe omgevingsinput.

Dankzij hun eenvoud en lage kosten zijn groene LED-verlichte hartslagsensoren nu bijna alomtegenwoordig, te vinden in de meeste gezondheidsproducten voor consumenten, evenals in veel telefoons en polshorloges. Maar ondanks al hun voordelen, heb ik vastgesteld dat ze vaak worden beïnvloed door omgevingsfactoren die hun nauwkeurigheid verminderen en in sommige gevallen zelfs hun vermogen om metingen uit te voeren.

Deze factoren omvatten gevoeligheid voor vingerplaatsing, variaties in de afstand tussen de LED-bron en de sensor en het binnendringen van omgevingslicht. Dit bracht me op het idee om een ​​AC-gekoppelde transimpedantieversterker (TIA) te maken die veel minder gevoelig zou zijn voor fel omgevingslicht, zoals zonlicht of een gloeilamp van 100 W in de buurt van de fotodiodesensor.

Simulatie toonde aan dat het idee goed werkte, en dat gelijkstroom in de fotodiode (gemodelleerd als een wisselstroombron met gelijkstroom-offset-bias om de omgevingslichtrespons te simuleren) werd afgewezen door de wisselstroomkoppeling naar de TIA-ingangen.

Figuur 1:AC gekoppelde TIA met geluidsarm 2,5V referentieniveau.

Om de simulatie te verifiëren, heb ik een voorlopige schakeling gemaakt met behulp van de componenten die ik al bij de hand had, met name een Yi T1-3/4 of 5 mm "bullet" fotodiode en een generieke groene LED. Beide apparaten waren ondergebracht in pakketten voor opbouwmontage die ook voor korte afstanden zouden werken. Als pulsdetectie op langere afstand nodig is, kan het nodig zijn om onderdelen te gebruiken die lenzen bevatten in de SMD-verpakkingen om het gezichtsveld te verkleinen.

Het resulterende circuit vertoonde een goede pulsgevoeligheid met mijn pols op een afstand van maximaal 15 cm van de fotodiode/LED-opstelling, zelfs wanneer een gloeilamp van 100 W zo dicht mogelijk bij de fotodiode was geplaatst (zonder het optische pad naar mijn pols tussen de fotodiode en de LED). Evenzo was de gevoeligheid van het nieuwe circuit voor lichaamsbeweging (mijn pols) minimaal.

Dit is het volledige circuit zoals gesimuleerd, inclusief een hoogdoorlaat- en laagdoorlaatfilter, gebouwd en getest voor de bovenstaande resultaten:

klik voor afbeelding op volledige grootte

Afbeelding 2:Het complete TIA-circuit bevat een banddoorlaatfilter, dat helpt de gevoeligheid voor lichaamsbeweging en snelle variaties in omgevingslicht te verminderen. Zoals te zien is, is de respons van het circuit -3dB van 48bpm tot 390bpm.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 3:Filteruitgangsreactie op een 1nA fotodiode wisselstroom bij 0,5 Hz of 120 bpm stimulus.

De hier geïmplementeerde TIA is redelijk ongevoelig voor componentvariaties. Ik gebruikte weerstanden met 5% tolerantie en condensatoren met 10% tolerantie. De gebalanceerde AC-ingang en het laagdoorlaatfilter zorgen voor een uitstekende onderdrukking van door de AC-lijn veroorzaakte ruis.

Als gevolg daarvan zag ik geen "gebrom" in het uitgangssignaal toen ik mijn huid dichter bij en uiteindelijk in contact bracht met het plastic fotodiodepakket. Er is geen 120 Hz-respons op het achtergrondlicht dat wordt geproduceerd door een gloeilamp van 100 W in de buurt. Het circuit vertoonde ook geen 60 Hz-respons op de nabijheid van de lamp tot de fotodiode tijdens de test voor afwijzing van omgevingslicht.

Conclusies

Veel voorkomende problemen die verband houden met op groene LED's gebaseerde pulssensoren kunnen worden verminderd of geëlimineerd door een AC-gekoppelde transimpedantieversterker in het fotodetectorcircuit te gebruiken. Voor de meeste toepassingen worden eventuele extra kosten met betrekking tot de componenten van de TIA ruimschoots gecompenseerd door de winst in ruisimmuniteit, positietolerantie en detectiebereik.

Figuur 4:relatieve posities van LED, fotodiode en huidoppervlak.

Referenties:

• Fotodiodeversterkers:opamp-oplossingen door Jerald Graeme
• Operationele versterkers:ontwerp en toepassingen door Graeme, Tobey, Huelsman
• Toepassingen van operationele versterkers:technieken van de derde generatie door Graeme

—Dave Conrad is een gepensioneerde elektronica-ingenieur met ervaring op het gebied van stroom, video, analoog, digitaal, gemengd signaal en softwareontwerp.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EDN .

---

Verwante inhoud:

• Een betere pulsoximeter ontwerpen:specificaties
• Het manchetloze apparaat levert klinisch nauwkeurige bloeddrukmetingen
• Gespecialiseerde sensoren ondersteunen wearables in de gezondheidszorg
• mmWave-radar gebruiken voor het bewaken van vitale functies
• Sensormodule vereenvoudigt draagbaar ontwerp voor gezondheid en fitness

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.