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偏移校正提升了下一代心率智能手表的性能

已有 436 次阅读2015-9-14 16:02 |系统分类:模拟技术

作者：William Templeton

关于对光学心率智能手表准确度的抱怨和不满随处可见。很多技术博客评论说，对于用户来说，光学心率智能手表的活动性和睡眠跟踪功能在实现健康和健身目标方面比光学心率监视功能更有用。

当光学心率技术刚刚被引入时，准确性问题似乎为这项技术萌上了一层阴影，使其在提升消费者健康和健身水平的重要性方面大打折扣。到目前为止，光学心率读数准确度较差的原因在于人类解剖学提出了几项重大挑战。

光学心率监视器的运行需要用到光敏二极管的准确AC读数。然而，由于有太多来自系统外的DC输入，获得AC读数是一件很困难的事情。DC偏移校正使你能够在DC输出对性能造成最小影响的情况下读取AC波形。这项技术的工作方式是，一个偏移减少数模转换器 (DAC) 消除环境光等任何噪声源引入的DC噪声。还需要对来自皮肤和动脉的DC噪声进行校正。如图1所示，借助于这个偏移减少DAC，你能够获得更好的AC波形读数，并且将剩余信号放大，以获得高增益和更加精确的读数。

图1：实现更高增益的DC偏移校正

早期光学心率手表模型的另外一个问题就是皮肤上的汗液或任何液体对读数准确性的影响，从而严重限制了手表的效率。这个解决方案将一块玻璃放置在手表的发光二极管 (LED) 与皮肤之间，以隔离潮湿。然而，如图2所示，皮肤与LED之间的玻璃反射会导致串扰，再次造成心率读数的噪声误差。

图2：环境光、玻璃与智能手表底部LED之间的串扰

在一个TI实验室中进行的研究案例中，我们测试了一款没有玻璃格栅的手表，并且未在测试中使用DC校正，这种情况下测得的AC输出为3.5mV。在我们增加了玻璃格栅后，AC输出下降至2mV，有时还测不到。最后，我们引入了用于可穿戴、光学心率监视和生物感测应用的TI AFE4404模拟前端 (AFE)。AFE4404提供了一个DC偏移校正功能。通过将重要的AC信号与DC噪声相隔离，这个功能能够减轻串扰。在我们最近的一次测试中，我们测得的AC输出为15mV，大约为第一个实例中所测得数据的5倍，是第二种情况下测得数据的7倍。