醫(yī)用眼科前房高精度侵入式壓力傳感器

醫(yī)用眼科前房高精度侵入式壓力傳感器.硬件方案

忙到飛起？（可能是我磨蹭吧）

之前寫過(guò)這個(gè)東西，后面又?jǐn)鄶嗬m(xù)續(xù)的寫了其他的一些東西，這篇文章是盡量的給出一個(gè)詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)。但是后面又看到不少好玩的東西我就都寫進(jìn)去了，所以文章和以往一樣沒(méi)有那么純粹，而且一些具體的參數(shù)性調(diào)節(jié)的計(jì)算可能不會(huì)寫很多，不過(guò)之后都會(huì)補(bǔ)上的。

一個(gè)電子設(shè)計(jì)其實(shí)大多數(shù)的時(shí)候都是圍繞著一個(gè)關(guān)鍵的器件展開工作的，這次的設(shè)計(jì)就是以一個(gè)壓力的傳感器展開。

最簡(jiǎn)單的電橋包括由4條支路(又稱橋臂)形成的閉封回路(即橋體)和輔助設(shè)備(見(jiàn)圖。后者主要有電源和檢測(cè)儀表各支路由電參數(shù)元件組成，它們的4個(gè)連接點(diǎn)A、B、C、D稱作頂點(diǎn)。電源接在兩個(gè)相對(duì)頂點(diǎn)間，檢測(cè)儀表接在另兩個(gè)相對(duì)頂點(diǎn)間。橋式測(cè)量電路于1833年首先由S,H.克里斯蒂發(fā)明。當(dāng)時(shí)電橋一詞系指連接兩個(gè)相對(duì)頂點(diǎn)的支路，特別是圖中的檢測(cè)儀表支路，如同在相對(duì)頂點(diǎn)間架設(shè)的一座小橋。后來(lái)，電橋這一名詞被用來(lái)泛指整個(gè)線路。復(fù)雜的電橋還包括更多數(shù)量的橋臂。

電橋有兩種工作方式。

平衡方式。檢測(cè)儀表支路兩端的電位差為零，且該支路中的電流為零，因而檢測(cè)儀表又稱指零儀表。如以被測(cè)元件為一個(gè)橋臂，而其他各臂由標(biāo)準(zhǔn)元件組成，則當(dāng)電路平衡時(shí)，可讀出或計(jì)算出被測(cè)參數(shù)的量值。工作在平衡方式的電橋，特點(diǎn)之一是測(cè)量結(jié)果不受電源電壓高低和變化的影響。這種工作方式多用于對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度要求較高的情況。

不平方式。檢測(cè)儀表支路兩端的電位差不為零，該支路中有電流通過(guò)。檢測(cè)儀表的指示數(shù)是被測(cè)參數(shù)變化的函數(shù)。這種工作方式多用于非電量的電測(cè)量和生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)中。電橋主要用于測(cè)量電路元件(如直流電阻、交流電感、電容、電阻等)的量值、變化量，也用于測(cè)量轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的非電量

我們使用的這個(gè)歐姆龍是第一種模式

在使用以前需要知道引腳怎么連接

正好嘉立創(chuàng)有這樣的封裝

搬我文章以前的圖了，大概測(cè)量的圖就是這樣，要連接4個(gè)口

因?yàn)殡姌虻脑捠遣罘值碾妷狠敵?，而且必須要加一個(gè)恒壓提供激烈，不然傳感器本體是出不來(lái)什么信號(hào)的，即使它再小，也沒(méi)有。

我個(gè)人是用AD620多，這里也放一個(gè)測(cè)量用的電路

是一個(gè)3Kg的壓力電橋，后面的AD705是一個(gè)緩沖器，就是給REF的。這個(gè)AD705是沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的。

停產(chǎn)了呀

看這個(gè)輸入的偏置電流就知道是個(gè)FET器件的運(yùn)放

然后需要一個(gè)恒流源的電流，這些是具體的計(jì)算

恒流

增益

注意，要加一個(gè)恒流源的電路，需要使用一個(gè)運(yùn)放

運(yùn)放反相和正相輸入端電壓總是相等 運(yùn)放反相和正相輸入端沒(méi)有電流輸入

只需要在正相輸入端提供穩(wěn)定參考電壓，反相連接限流電阻和負(fù)載，就可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的恒流源。恒流源的電流大小只和限流電阻阻值有關(guān)系，與負(fù)載阻值沒(méi)關(guān)系。調(diào)節(jié)負(fù)載阻值不會(huì)改變電流大小，但是會(huì)改變運(yùn)放輸出端的電壓。

知乎老哥的一個(gè)文章不錯(cuò)

參考電壓3V，限流電阻10KΩ，意味著恒流源電流為0.3mA（300uA）。負(fù)載阻值從100Ω到9.9kΩ可調(diào)。

特別的，在100Ω情況下，運(yùn)放輸出端電壓為3V（3.02V）。

還有一個(gè)搭配三極管的電路也很好~

電阻R2起到對(duì)運(yùn)放的保護(hù)作用，這個(gè)值不能太大，一般取值10R左右。（一點(diǎn)小經(jīng)驗(yàn)吧，我們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品中一般都有加）； 電阻R3為三極管提供一個(gè)基極電流； 電阻R4位采樣電阻，RL為負(fù)載電阻； 電阻R5起緩沖限流的作用，一般選取1K~100K之間（也有些電路沒(méi)加這個(gè)電阻）。 原理是：實(shí)際原理是當(dāng)采樣電阻R4的電壓變化時(shí)，直接反饋到運(yùn)放的反相輸入端，它與同相輸入端電壓的差值被運(yùn)放放大，輸出控制三極管的基極電流，改變?nèi)龢O管的內(nèi)阻，從而改變發(fā)射極與集電極間的電壓降，從而使采樣電阻的電壓保持不變，以達(dá)到負(fù)載電流恒定的目的。 電路的缺點(diǎn)： 雖然，三極管發(fā)射極電流與集電極電流近似相等，但實(shí)際上，發(fā)射極的電流還包含了基極電流。

可以看出，運(yùn)放輸出級(jí)使用三極管時(shí)，輸出電流會(huì)產(chǎn)生基極電流分量這一誤差。如果此時(shí)還不滿足電路精度要求，可將三極管改成MOS管。 MOS管屬于壓控器件，柵極需要的電流很小。IRL和IR4可以非常的接近，相比三極管而言，電流的精度提升了。

升級(jí)；一點(diǎn)點(diǎn)

這個(gè)也是一個(gè)，穩(wěn)定的電壓通過(guò)一個(gè)R1轉(zhuǎn)換成電流

在這樣推薦的電路圖中，儀表放大器如德州儀器LMV324具有四個(gè)運(yùn)算放大器，可用于增益調(diào)節(jié)。R3應(yīng)采用具有良好溫度特性的金屬膜電阻器。

此外，還需要根據(jù)要使用的增益調(diào)整連接在R10上的Ref 電壓值。

例如：

如果增益= 21，則Ref= 1.0 [V]，

如果增益=201，則需要Ref= 1.5 [V]。

本來(lái)是想好好的寫到尾的，但是沒(méi)有辦法，文檔里面的知識(shí)太多了。

20年前的文檔，后面是有仿真的結(jié)果的，也說(shuō)明了這里到底是什么設(shè)計(jì)

現(xiàn)在的，方案還是一樣

INA系列具有低失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓漂移的特點(diǎn)。大多數(shù)應(yīng)用不需要外部偏移調(diào)整。顯示了用于調(diào)整輸出失調(diào)電壓的可選電路。

施加到 Ref 引腳的電壓被添加到輸出信號(hào)中。運(yùn)算放大器緩沖器在 Ref 引腳處提供低阻抗，以保持良好的共模抑制。

這就是提供一個(gè)泄露使用的通道

輸入阻抗極高，約為 10^9 Ω。然而，必須為兩個(gè)輸入的輸入偏置電流提供一條路徑。該輸入偏置電流通常為 –10 nA（電流從輸入引腳流出）。高輸入阻抗意味著該輸入偏置電流隨著輸入電壓的變化而變化很小。 輸入電路必須為該輸入偏置電流提供一條路徑才能正常運(yùn)行。如果沒(méi)有偏置電流路徑，輸入會(huì)浮動(dòng)到超過(guò)共模范圍的電位，并且輸入放大器將飽和。如果差分源電阻較低，則可以將偏置電流返回路徑連接到一個(gè)輸入。 我是想著就用歐姆龍的傳感器，然后也是使用Ti 的 INA 儀表放大器，然后是LMC6482，里面一個(gè)運(yùn)放做恒流源，一個(gè)做同向放大器（或是是REF的偏移器，需要我調(diào)試），系統(tǒng)也是喜歡一個(gè)穩(wěn)健的電源以及一個(gè)MCU和一個(gè)顯示器和交互的按鍵啥的？還需要一個(gè)上位機(jī)。 還是把以前的圖拿來(lái)，繼續(xù)的分析

原理圖是這樣繪制

先簡(jiǎn)單的來(lái)把電橋雞兒運(yùn)放塞一起

使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽讓它看起來(lái)好看一些，注意電橋上面的電源是下面運(yùn)放給的

然后核心器件是電橋，所以這里就按照參考設(shè)計(jì)搭建，但是這個(gè)恒流源也不難。

現(xiàn)在的問(wèn)題是還有一個(gè)運(yùn)放，是做REF還是同相放大器呢？

可以先看一個(gè)換算

大概就是這樣

按照這個(gè)來(lái)看，就是0~10mV之間的

模擬信號(hào)從壓力傳感器傳遞過(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)換為通過(guò)Arduino Due板的采集速率為50毫秒（20Hz).

采樣次數(shù) = 采樣頻率 × 時(shí)間（秒） 在這種情況下，采樣頻率為20Hz，時(shí)間為50毫秒，將時(shí)間轉(zhuǎn)換為秒： 時(shí)間 = 50毫秒 = 0.05秒 現(xiàn)在，使用公式計(jì)算采樣次數(shù)： 采樣次數(shù) = 20Hz × 0.05秒 = 1次采樣

這個(gè)是原版論文里面的采樣率也就是20Hz。

內(nèi)部電路確保外部壓力測(cè)量范圍不會(huì)產(chǎn)生大的電壓足以損壞Arduino。這是實(shí)現(xiàn)通過(guò)內(nèi)置在壓力傳感器中的惠斯通電橋。然后電壓以精確的增益放大。使用儀表放大器，設(shè)置靈敏度的的壓力測(cè)量。

再看看，前面是INA，走線等長(zhǎng)差分，下面是運(yùn)放搞得恒流源。不對(duì)，兩個(gè)順序換一下，第二個(gè)是INA，因?yàn)楹苊黠@有增益電阻，然后接著是一個(gè)LDO，給運(yùn)放接電，倆電容實(shí)在是搶眼。看著是直接他媽的接了個(gè)電阻在輸出口上，應(yīng)該是還有一個(gè)二極管，小信號(hào)的，但是跨在芯片之間。

然后限制輸出使用兩個(gè)限制器電路；一個(gè)為上界，另一個(gè)為其他為期望壓力下界范圍內(nèi)。

上界和下界由由于Arduino的內(nèi)部ADC，但靈敏度測(cè)量值的大小可以通過(guò)調(diào)整儀表放大器的反饋電阻。這內(nèi)部Arduino的ADC將模擬信號(hào)數(shù)字化信號(hào)在用戶定義的采樣率。

那就按照是3.6V吧

放大倍數(shù) = 輸出電壓范圍 / 輸入電壓范圍 在這種情況下，輸出電壓范圍是3.6V，輸入電壓范圍是5mV。 放大倍數(shù) = 3.6V / 5mV = 720

需要一個(gè)精密的電阻+一個(gè)電位器

大概輸出的擺幅在-2.5~2.5之間是最好的

看著參考設(shè)計(jì)最后是給了一個(gè)1V DC的參考，這里就最后一個(gè)運(yùn)放就這樣用。

OK，大概就是這樣，需要緩沖的地方設(shè)置成1V

大概就先這樣，還有很多的細(xì)節(jié)我沒(méi)有繪制上，不過(guò)最重要的還是布線

這張圖我是覺(jué)得有學(xué)習(xí)的地方，其一級(jí)是精密的運(yùn)放，那么為了整體的性能，下一級(jí)就是放一個(gè)低噪音的運(yùn)放了。

劉總出來(lái)挨打

我看的設(shè)計(jì)書里面這個(gè)也有大量的論述（就幾頁(yè)而已）

在找芯片的時(shí)候，看見(jiàn)了國(guó)產(chǎn)的潤(rùn)石，基本上是常見(jiàn)的領(lǐng)域都有替代了。

我朋友圈吐槽的時(shí)候被抓到了，怪不得感覺(jué)潤(rùn)石的文檔一股子TI味

是我的菜

感覺(jué)參數(shù)還是很好看的，F(xiàn)ET的應(yīng)該是

是經(jīng)典的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)

封裝沒(méi)有SOIC

這些就不說(shuō)了，一股子的TI味道（好喜歡）

這個(gè)芯片值得好好研究

我仿真了一下，原來(lái)是這個(gè)電路可以提供一個(gè)非常小的電壓

pV

還是非常小的pV級(jí)別的

上面的電壓和這個(gè)Vos會(huì)加在一起，要校準(zhǔn)芯片的直流性能

RS8541是一款低功耗、零漂移、軌對(duì)軌輸入輸出的精密運(yùn)算放大器，它的工作電壓范圍在2v到5.5v，失調(diào)電壓為±7uV，失調(diào)電壓溫漂為±0.08uV/℃的，它具有低至40uA的靜態(tài)電流，這些特性保證了它的高精度和低功耗。電源抑制比為110db，共模抑制比為120dB，提高了抗電源噪聲和共模干擾的能力，130dB的高開環(huán)增益也保證了運(yùn)放的高精度。Rs8541的這些特性也使其廣泛應(yīng)用于各種傳感、儀表、醫(yī)療器械以及精密計(jì)量設(shè)備等。

也就是看右上角的這個(gè)框圖，也就是低阻+運(yùn)放構(gòu)成的一個(gè)直流校準(zhǔn)系統(tǒng)（我瞎說(shuō)的）

下面是我看的一個(gè)拆機(jī)的視頻，感覺(jué)有很多要需要的地方。

首先就是一些芯片可以提起繪制好，為了升級(jí)，以及使用GH的小接口

充電和復(fù)位安裝在一起，看起來(lái)也是比較合理的

然后在做展示的時(shí)候使用這樣的動(dòng)畫效果

這個(gè)是接口的細(xì)節(jié)，DJI的硬件也是喜歡這樣的搞

記得留下很多的測(cè)試點(diǎn)，在測(cè)試點(diǎn)上面寫好絲印

這個(gè)是一個(gè)驗(yàn)?zāi)虻臋C(jī)器，LCD的屏幕很小巧

PCB是繪制的真漂亮啊

然后就是欣賞PCB

這個(gè)是一個(gè)我沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的傳感器

測(cè)試時(shí)，首先尿液順著結(jié)構(gòu)浸潤(rùn)試紙的膜塊上，膜塊會(huì)跟你尿液中的物質(zhì)發(fā)生顏色變化，顏色深淺與尿液中的相應(yīng)物質(zhì)的濃度成正比，然后膜塊受到 LED 光源照射會(huì)產(chǎn)生不同的反射光，不同的反射光也就是對(duì)應(yīng)尿液中不同的生化成分的含量（到這里你其實(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，這部分檢測(cè)原理本質(zhì)上就是對(duì)光的吸收和反射，也就是光電比射原理），然后彩色傳感器接受反射光轉(zhuǎn)化為電信號(hào) --->再通過(guò) MCU 計(jì)算處理輸出到屏幕上。同時(shí)，如果你手機(jī)綁定了 HiPee，結(jié)果也會(huì)通過(guò) WiFi 同時(shí)推送到你手機(jī)上。

這個(gè)是上面的方案圖

還有爆炸的裝配圖

我一直以為是彩色的屏幕最好，沒(méi)想到普通的屏幕用到恰到好處也很美

審核編輯：湯梓紅