1术语和定义

af	模拟前端
ec	心电图
人力资源	心率
我知道了	集成电路
opamp.	运算放大器
S＆H.	样品并保持
TIA.	跨阻抗放大器

2 References

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https://www.dialog-semicondiondiondum亚博电竞菠菜/products/greenpak/analog-greenpaks.

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1. GreenPAK Designer Software，软件下载和用户指南，对话框半导体yabo国际娱乐
2. 心率监测器的AN-CM-307模拟前端, GreenPAK Design File, Dialog Semiconductor
3. GreenPAK Development Tools，GreenPak开发工具网页，对话框半导体yabo国际娱乐
4. GreenPak应用笔记, GreenPAK Application Notes Webpage, Dialog Semiconductor
5. SLG47004，数据表，对话半导体yabo国际娱乐

作者：vladyslav kozlov

3介绍

心率是其中一个重要生命体征humans. The monitoring and tracking of heart rate (HR) is a relatively simple task for modern electronics. That's why modern wearable devices like smartwatches and activity trackers widely utilize a HR monitoring function. In addition, such devices can detect possible diseases like tachycardia (fast HR), bradycardia (slow HR), arrhythmia (often changed HR), and others.

Also, HR monitors are widely used in sports. With the help of an HR measurement, athletes can define appropriate load and rest intervals.

4心率监测技术

有几种不同的技术如何监控心率。所有这些技术都使用不同类型的信号。

4.1脑心动画

该技术使用通过心阀的打开和关闭产生的声音信号。通常，在DSP的帮助下过滤并处理信号。经过适当的过滤后，不仅可以检测心率，还可以检测心脏异常。

4.2压力传感技术

This technique utilizes a signal from a piezo sensor attached to one of the defined places on the human body, for example, on the wrist. Contraction and relaxation of the heart cause a corresponding change of pressure in the blood vessels.

4.3心电图

该技术基于心脏产生的电场的测量。在人体的特定点上必须有两个或更多个电极。ECG的图形表示由六个峰和谷名称，称为P，Q，R，S，T和U.通过在定义的时段（例如，15，30或60秒）。

图1：健康心脏的典型心电图

4.4 Photoplethysmography

This technique is based on the measurement of the volume variations of light reflected from the skin. When light emitted from a LED passes through a blood vessel, the received light has pulsations that correspond to heartbeat. Typically, a green or infrared LED is used as a light source because of the characteristic of bloods' absorption to light with specific wavelengths. This technique is the most common way of heart rate monitoring in wearables.

用于光学读物读物术的最合适的绿光波长为540nm至570nm。但通常，由于发光强度的高值，使用具有530nm的LED。

5 Proposed Design of Analog Front End

所提出的模拟前端电路如图2所示。

图2：模拟前端原理图

The circuit consists of the following parts: LED driver, transimpedance amplifier (TIA), sample and hold circuit, high pass filter, offset correction circuit, biased non-inverting amplifier, analog comparator with digital filter, and analog power supply filter. The structure of the proposed design is shown in Figure 3.

图3：模拟前端结构

5.1.1 LED驾驶员

LED驱动器周期性地打开/关闭两个绿色LED。该期间是11.7毫秒（85.3 Hz）。打开时间持续时间为100我们。因此，占空比为0.1 / 11.7 = 0.85％。通过每个LED的工作电流为12.5 mA，通过SLG47004的一个引脚给出25 mA。通过引脚的平均电流为213μA。

5.1.2 Transimpedance Amplifier

In this example the TIA operates in photovoltaic mode to convert small photodiode current to voltage. The photodiode part number is BPW34. It's possible to use other LEDs or photodiode, but in that case gain resistor R5 must be changed to provide an appropriate voltage level at the output.

可选电容器C2增加TIA的稳定性。建议将C2放置在TIA阶段的稳定性问题。C2的值可以使用以下公式计算：

在哪里C_D.， C_厘米， C_差- are diode capacitance, common-mode operational amplifier capacitance, and differential mode operational amplifier capacitance;

GBWP - 是运算放大器的带宽产品;

R._F- 是反馈电阻。

According to the datasheet, amplifiers of the SLG47004 haveC_厘米= 7 pf和C_差= 8 pf。光电二极管的电容C_D.= 40 pf。GBWP = 512 kHz（设置）和R._F=30kΩ。所以C_F= 23.9 PF或22 PF（最近的标准值）。

5.1.3样品和保持电路

S＆H电路包括模拟开关，电容和缓冲区。当LED打开时，采样在30 US暂停后开始，参见图15.在暂停期间，opamp的输出稳定。当打开模拟开关（采样阶段）时，采样电容器C3被充电到Opamp0输出的电压电平。采样时间的持续时间为70美国。

D.uring the hold phase the analog switch is closed. The sampling capacitor is disconnected from OpAmp0.

缓冲区（ACMP缓冲区）消除了高通滤波器对采样电容的影响。

5.1.4高通滤波器

第一阶高通滤波器具有2.3 Hz的截止频率。该滤波器之后信号的直流分量是v_DD./ 2 V.

5.1.5偏移校正电路

通过改变分压器的一个分支的电阻（R9，R10，R11和数字Rheostat RH0）来实现放大器和缓冲偏移电压的校正。分频器的配置提供了在输出电压的100 MV精度（最坏情况）中修整系统的能力。如果不需要高精度，则可以简化分频器。

5.1.6偏置非反相放大器

非反相放大器具有151的增益和V的偏置电压_DD./ 2（2.5 V for v_DD.= 5 V).

5.1.7 Analog Comparator with Digital Filter

D.igital filtering of the signal is performed by Delay5, configured as rising edge delay.

5.1.8模拟电源滤波器和接地考虑

混合信号电路的常见做法是提供从由原理图的数字部分产生的噪声过滤的模拟电源电压。在当前项目中，这是在L-C过滤器的帮助下完成的。

在路由地面迹线时必须特别小心。模拟和数字地应在一点连接。从公共接地到电源源的迹线的电阻应尽可能地是最小的。此外，建议使用具有低输出阻抗的电源源。

6内部块配置

6.1 Opamp0和Opamp1配置

OPAMP配置如图4所示。

图4：运算放大器0,1设置

6.2斩波器ACMP配置

斩波器ACMP配置如图5所示。

图5：斩波器ACMP设置

6.3 HD缓冲区配置

HD缓冲区使用opamp0宏小区共享内部电压引用。请注意，在当前项目中，内部VREF与Opamp0断开连接。HD缓冲器的电源上电源是连接矩阵信号。HD缓冲区和Opamp0 Vref配置如图6所示。

图6：HD缓冲区和OPAMP0 VREF设置

6.4 ACMP Buffer Configuration

要使用ACMP缓冲器作为电压跟随器，应配置ACMP1和VREF1宏小区，如图7所示：

图7：ACMP1L和VREF1设置

6.5振荡器配置

振荡器1使用默认设置。振荡器0配置如图8所示。

图8：振荡器0设置

6.6延迟宏小区配置

延迟配置如图9所示。

图9：延迟宏小区设置

6.7 P DLY配置

p dly配置如图10所示。

图10：p dly设置

6.8 LUTs Configurations

LUT配置如图11所示。

图11：LUTS设置

6.8 Digital Rheostat 0 Configuration

数字变阻器0配置如图12所示。

Figure 12: Digital Rheostat 0 Settings

6.10模拟开关1配置

模拟开关1配置如图13所示。

图13：模拟开关1设置

6.11I²C宏COLL配置

I²C macrocell uses default configurations.

6.12 GPIOs Configurations

GPIOS配置如图14所示。

图14：GPIOS设置

7 Normal Operation Mode

当上电输入（GPI0）的电压变为高电平或I²C主设备将I²C虚拟输入0到1时，模拟前端开始操作。

当上电输入（I²Cindep0）变高时，自动调整过程在短延迟（Delay4 Time = 5.4 ms）之后每次开始。自动修剪过程的最大持续时间为512（Rheostat_code）/ 2048（Khz_clock）= 250毫秒。

在校准过程期间，模拟开关关闭，高通滤波器分频器的电阻被改变，直到斩波器ACMP的反相输入处的电压（Vref = AV_DD./ 2）不等于斩波器ACMP（Opamp1输出）的非反相输入处的电压。

After the Auto-Trim process is done AFE begins to sense heart rate. LEDs are turned on 85 times per second during short intervals (100 us). The sample and hold circuit takes samples when LEDs are turned on after a pause of 30 us, see Figure 15. The sample and hold principle greatly minimizes the average current consumed by the LEDs.

Figure 15: Sample and Hold Phases During Normal Operation Mode

8软件仿真和硬件原型测试

Figure 16 and Figure 17 show the simulation results of the first four seconds of AFE operation. The sensor (photodiode) is modeled as a sine voltage source with 10 mV amplitude. As shown in Figure 17, the desired point of trim (V_DD./ 2）在自动修剪过程开始后达到114毫秒。然后，自动修剪系统继续运行并在所需修剪点附近切换变阻器，直到释放内部设定信号。

图16：操作前四秒钟的仿真结果

图17：自动修剪过程的仿真结果

The waveforms of the hardware prototype testing are shown in Figure 18.

Figure 18: Analog (Yellow) and Digital (Pink) Output Signals of AFE Applied to Finger

The frequency of pulses at the digital output (Figure 18) is f_输出= 1.063 Hz。这种频率对应于（f_输出* 60）=每分钟64次。

模拟输出信号上的短电压尖峰是由LED的开/关引起的。这些尖峰不会影响数字输出信号，因为它们在SLG47004内的数字滤波器过滤。如果需要，这些尖峰也可以通过位于Opamp1输出端的1阶RC低通滤波器过滤。

模拟输出信号的饱和区域是由HD缓冲器引起的。该缓冲区的电流吸收能力有限。但是HD缓冲区的这种限制不会影响数字输出信号。

9结论

所提出的心率监测是基于从皮肤反射的测量光。信号处理和LED控制都由单个SLG47004 IC执行。额外的样品和保持电路允许大大降低电流消耗。

心率监测器的性能高度取决于光学系统设置：来自LED，LED波长，LED和光电二极管之间的波长和角度的光照方向等。此外，测量受环境光和传感器的小运动会影响。

如果心率信号相对较小，就像来自人手腕的信号一样，可能需要额外的软件信号处理。