16位ADC高精度血氧仪方案--PCBA方案设计

谈到血氧仪方案，从最早的四运放+模拟开关方案，到目前的精简方案，把能省的都省了。血氧仪的软解码能力毕竟也是有限的。

软件信号采样，占用了MCU的时效不说，还降低了MCU的运行时效，速度变慢了。对于本身就是8位的MCU来说，12位ADC的采样精度基本能解决血氧的需求。但要真为了产品的效果和方案的成熟性，采用16位以上ADC才是王道。

下面就笔者收集的一点技术资料分享下，16位ADC高精度血氧仪的原理：

从上表可以看出，对于量程相同的情况下，AD位数越高，量化量级越小。假设AD位数为8，则量化电平间隔为78.1mV，模数转化后的幅值电压只能是78.1的倍数，而24位AD转换后的幅值电压则为1.19μV的倍数。这就是为什么AD位数低于16位，包括16位AD的数采设备在AD转换之前需要用运算放大器 ，要把AD转换前的信号放大之后再进行量化，以减小量化误差。

通过电路，将光信号通过接收管转换为电信号，通过采样信号参数而得出最终数字，就是血氧仪的原理。

下面我们再就高精度血氧仪的采样精度做深入的原理分享；

下图中考虑将量程为±1.5V用4位和5位AD进行量化，来说明不同AD位数带来的差异。4位AD只能用4位来存储数据，因此，满量程被划分为16份，而5位AD则可以划分为32份。从图中也可以看出，相同的量程高位AD对应的量化电平间隔越小，因此，测量相同的信号，高位AD精度越高。另外，4位AD对应的动态范围为24dB，5位AD对应的动态范围为30dB。关于这一点，将在下面进行说明。

量化误差是模数转换过程中另一个重要的幅值误差源，之前已说过采样频带也会给幅值带来误差。在模数转换过程中，实际模拟量值与量化数字值之间的差异称为量化误差或量化失真。这个误差归咎于取整（只能是量化量级的倍数）或截断造成的，误差大小是随机的，在不同的采样点这个误差大小也不相同。在进行量化时，是将信号的电压幅值按四舍五入的方式量化到最近的量化电平上。在这将通过一个实例数据来说明量化误差是如何产生的。

假设考虑如下图所示的采样，黑色实线表示信号实际大小，采样间隔为时间T，考虑第7个采样点的幅值量化误差。X表示相邻两个量化电平的平均值，从图中可以看出，在采集第7个数据点时，信号的实际幅值大小位于量化电平m6和m77之间，但这个数据量化之后，幅值要么是m66，要么是m7。首先，将该幅值与m6和m77的平均值x6进行比较，发现幅值大于x66，因此，按四舍五入方式量化到最近的量化电平m77上，m77与信号实际值之差即是量化误差。

高精度血氧仪ADC采样

当AD位数越高时，量化电平间隔会越小，因此，量化误差会越小，转化精度越高。理想的模数转换器，量化误差均匀分布于（−1/2量化量级）~（+1/2量化量级）之间，如理想的24位AD，其量化误差分布于-0.6μV~+0.6μV之间。对于理想的M位AD而言，信号与量化噪声之比(SQNR) （或称为动态范围）可由下式计算

SQNR=20log10(2^MM)=6.02M dB

从上式可以明白，1位AD，对应的动态范围为6.02dB。可以这样理解：由于每一位只能存储0和1，对应的数字大小为1=20和2=21，相差2倍。我们知道，线性2倍，对应6dB。因此，1位AD对应的动态范围为6dB，常见AD位数，对应的SQNR如下表所示。

现在我们已经明白了量化误差，除了用高位AD可减少量化误差之外，还有没有别的方法可以减小量化误差呢？除了用高位AD之外，还有以下两种方法可减小量化误差，提高信噪比。

通过以上的知识了解到，当我们ADC位数越高时，一：可以免除运放的运用，二：采样误差越小，精度越高，产品性能越稳定！

其利医疗血氧仪原理

某一特殊波长的光作用于人体指尖表皮时，可以将人的手指看作一个混合物，包括静态物质（光程不变）和动态物质（光程随物质容积变化而变化）两个部分。当光被指端组织吸收后，其透射光将被光电探测器接收。由于人体手指各组织成份的吸光能力，传感器采集到的透射光强度明显衰减。根据这一特点，建立人体指端光吸收的等效模型。

人体手指成分包括骨骼、指甲、皮肤、组织、静脉血以及动脉血，在与光相互作用过程中，由于心脏收缩向动脉充血，导致手指末梢动脉中血液体积随心脏的搏动而变化，导致测量光程的改变；而其他成分在整个光作用过程中光程不变化，是一个常数。

其利医疗血氧仪原理图

在生物组织光学中，通常把波段在 600～1300nm的光谱区称为“生物体光谱学之窗”，在这个波段的光对许多已知和未知的光谱治疗和光谱诊断具有特别意义。在红外区，水成为生物组织体中占主导地位的吸光物质，那么为了更好的获得目标物质对光的吸收信息，系统采用的波长必须避开水的吸收峰。由此，在近红外光谱范围 600～950nm 内，人体指端末梢组织有吸光能力的主要成份包括血液中的水、 O2Hb(氧合血红蛋白)、RHb(还原血红蛋白) 以及外周的皮肤黑色素等组织。