Mengurangi cahaya sekitar yang terang di monitor detak jantung

Menggunakan penguat transimpedansi yang dipasangkan AC dapat sangat meningkatkan LED hijau- kekebalan sensor detak jantung yang menyala terhadap kebisingan dan input lingkungan asing lainnya.

Berkat kesederhanaan dan biayanya yang rendah, sensor detak jantung bercahaya LED hijau sekarang hampir ada di mana-mana, ditemukan di sebagian besar produk kesehatan konsumen serta banyak ponsel dan jam tangan. Namun, terlepas dari semua kelebihannya, saya mengamati bahwa mereka sering dipengaruhi oleh faktor lingkungan yang mengurangi akurasinya dan, dalam beberapa kasus, kemampuannya untuk melakukan pengukuran sama sekali.

Faktor-faktor ini termasuk kepekaan terhadap penempatan jari, variasi jarak antara sumber LED dan sensor, dan serangan cahaya sekitar. Hal ini membuat saya berpikir untuk membuat penguat transimpedansi berpasangan AC (TIA) yang akan jauh lebih rentan terhadap cahaya sekitar yang terang, seperti sinar matahari atau bola lampu pijar 100W di dekat sensor fotodioda.

Simulasi menunjukkan bahwa ide tersebut bekerja dengan baik, dan arus DC di fotodioda (dimodelkan sebagai sumber arus AC dengan bias offset DC untuk mensimulasikan respons cahaya sekitar) ditolak oleh kopling AC ke input TIA.

Gambar 1:AC digabungkan TIA dengan tingkat referensi 2.5V kebisingan rendah.

Untuk memverifikasi simulasi, saya membuat papan tempat memotong roti sirkuit awal menggunakan komponen yang sudah saya miliki — terutama fotodioda “peluru” Yi T1-3/4 atau 5mm dan LED hijau generik. Kedua perangkat ditempatkan dalam paket pemasangan permukaan yang akan bekerja dengan baik untuk jarak dekat. Jika penginderaan pulsa jarak jauh diperlukan, mungkin perlu menggunakan bagian yang menyertakan lensa dalam paket SMD untuk mengurangi bidang pandang.

Sirkuit yang dihasilkan menunjukkan sensitivitas pulsa yang baik dengan pergelangan tangan saya pada jarak hingga enam inci dari pengaturan fotodioda/LED, bahkan ketika bola lampu pijar 100W diposisikan sedekat mungkin dengan fotodioda (tanpa menghalangi jalur optik ke pergelangan tangan saya antara fotodioda dan LED). Demikian juga, sensitivitas sirkuit baru terhadap gerakan tubuh (pergelangan tangan saya) sangat minim.

Ini adalah rangkaian lengkap yang disimulasikan, termasuk filter lolos tinggi dan lolos rendah, dibuat dan diuji untuk hasil di atas:

klik untuk gambar ukuran penuh

Gambar 2:Sirkuit TIA lengkap mencakup filter band-pass, yang membantu mengurangi kepekaannya terhadap gerakan tubuh dan variasi cahaya sekitar yang cepat. Seperti yang ditunjukkan, respons sirkuit adalah -3dB dari 48bpm hingga 390bpm.

klik untuk gambar ukuran penuh

Gambar 3:Respon keluaran filter terhadap arus AC fotodioda 1nA pada stimulus 0,5Hz atau 120bpm.

TIA yang diterapkan di sini cukup tidak sensitif terhadap variasi komponen. Saya menggunakan resistor dengan toleransi 5% dan kapasitor dengan toleransi 10%. Input AC yang seimbang dan filter lolos rendah memberikan penolakan yang sangat baik terhadap kebisingan yang disebabkan oleh saluran AC.

Akibatnya, saya tidak melihat "dengungan" dalam sinyal output saat saya mendekatkan kulit saya, dan akhirnya bersentuhan dengan paket fotodioda plastik. Tidak ada respons 120Hz terhadap cahaya latar yang dihasilkan oleh bola lampu 100 W terdekat. Sirkuit juga tidak menunjukkan respons 60Hz terhadap jarak dekat bohlam ke fotodioda selama pengujian untuk penolakan cahaya sekitar.

Kesimpulan

Banyak masalah umum yang terkait dengan sensor pulsa berbasis LED hijau dapat dikurangi atau dihilangkan dengan menggunakan penguat transimpedansi AC-coupled di sirkuit fotodetektor. Untuk sebagian besar aplikasi, kemungkinan biaya tambahan yang terkait dengan komponen TIA jauh lebih besar daripada keuntungan dalam kekebalan kebisingan, toleransi posisi, dan jangkauan penginderaan.

Gambar 4:Posisi relatif LED, fotodioda, dan permukaan kulit.

Referensi:

• Penguat Fotodioda:Solusi Op Amp oleh Jerald Graeme
• Penguat Operasional:Desain dan Aplikasi oleh Graeme, Tobey, Huelsman
• Aplikasi Penguat Operasional:Teknik Generasi Ketiga oleh Graeme

—Dave Conrad adalah pensiunan insinyur elektronik dengan pengalaman di bidang daya, video, analog, digital, sinyal campuran, dan desain perangkat lunak.

>> Artikel ini awalnya diterbitkan di situs saudara kami, EDN .

Konten Terkait:

• Cara merancang oksimeter denyut yang lebih baik:Spesifikasi
• Perangkat tanpa manset memberikan pengukuran tekanan darah yang akurat secara klinis
• Sensor khusus mendukung perangkat kesehatan yang dapat dikenakan
• Menggunakan radar mmWave untuk pemantauan tanda-tanda vital
• Modul sensor menyederhanakan desain perangkat kesehatan dan kebugaran

Untuk lebih banyak Tertanam, berlangganan buletin email mingguan Tersemat.