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感測器/MEMS  

為智慧手錶許一個心跳

上網時間: 2016年04月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:智慧手錶  ADPD103  光度測定前端IC  HRV  PPG 

類比電子訊號連接數位世界

在系統中選擇並設計光學元件後,下一步是使電子連接至數位世界。發射訊號鏈和接收訊號鏈可以單獨設計,但並非總能解決大多數穿戴式裝置的尺寸限制。當尺寸不再是最大的障礙時,投資於開發一個更大的電池來延長電池壽命,比在電子產品上浪費寶貴的電路板空間來的好。

ADI ADP103提供了高性能光學訊號鏈所需的一切。它是一個內建類比數位轉換器(ADC)和I2C介面的高效類比光度測定前端,專為功率與尺寸至關重要的應用而設計,如穿戴電子裝置。圖1為該元件的電路圖。


圖1:ADP103電路方塊圖

在形容一個電子系統時,通常由感測器和輸入訊號鏈開始。然而,在光學系統中,無法在產生光脈衝以前測量到光的反射或吸收。因此,我們以支援三個可編程LED驅動器的ADPD103傳輸路徑來啟動,並在兩個獨立的時間帶(time slot)操作,每個時間帶連續地執行。電流源是脈衝可編程的,並能降低電流至10mA至250mA之間。除了強度以外,脈衝寬度和脈衝數可由ADPD103的整合式狀態機來編程。依據LED的類型和波長不同,可彈性化調節LED正向電壓。由於大多數的可攜式系統是以一個鈕扣電池的電力來運作,也許需要升壓轉換器將電壓提高到超過電池的供電電壓。ADP2503/4則可滿足這些需求。

在接收器方面,ADPD103具有四個相同的輸入訊號鏈,能夠連接多達八個光電二極體。每兩個光電二極體輸入就整合了一個多工器,接著是一個可將光的電流轉成電壓的跨阻抗放大器。放大器的輸出之後則是一個帶通濾波器,最後則是一個同步解調積分器。除了光的電流放大,去除環境光干擾是類比訊號鏈的主要目標。然而,陽光並非最難阻擋的干擾,日光燈和省電燈泡等光源也難去除,因為這些可被視為是重要的訊號。但ADPD103可非常出色地抑制這些干擾。為了保持彈性度,採用TIA-ADC模式來旁路帶通濾波器和積分器。要選擇使用哪些以及多少個光感測器則取決於整體的使用案例。

大多數應用只需要一個光偵測器。對於這種情況,建議將感測器連接到PD1或PD5輸入來最大化訊號雜訊比(SNR)的性能。為了最大化動態範圍,我們建議將光感測器連接到第一個或最後一個四輸入(four inputs),如圖2所示。另外,也可以將多個光電二極體連接至系統以增加靈敏度,或使其在身體的相對位置上變得較不敏感。在如毛髮或色素斑點的接收訊號鏈中,阻斷器會強烈地影響整體性能。藉由可於頻道之間進行切換以及選擇最佳化接收訊號的輸入,連接至多個光感測器可提供更多彈性。


圖2:光感測器連接四相輸入,實現最佳化SNR性能

另一種選擇是使用多個光感測器,並作為光學近接感測器。當裝置未穿戴在身上時,所有的輸入大約都有相同的光輸入位準。然而,當身上穿戴該裝置,最接近激發光源(LED)的光感測器將具有最高訊號位準。該技術能讓裝置在未接觸身體時關掉LED以延長電池壽命。圖3顯示ADPD103內部傳輸-接收處理的順序。此圖顯示一個時間帶內的測定時間。


光度測定前端IC內部傳輸–接收處理的順序

在產生可編程振幅與時間的LED脈衝後,可使用跨阻抗放大器測量並濾波光電電流,並透過某個時間窗(time window)進行積分運算。每個積分器的已調節輸出可被多工傳輸成為14位元逐次漸近暫存器類比數位轉換器(SAR ADC)。在0.1Hz至最大2.6kHz之間的可編程取樣頻率範圍內,每個LED脈衝進入數位域(digital domain)後,該SAR ADC將轉換光電二極體輸出訊號。每個連續發生的轉換結果可與前一次的結果(最多255個脈衝)加總,為每個取樣期間達成20位元的最終最大範圍。在圖4中,顯示利用每次取樣5個脈衝以10Hz資料率取樣的光學式心跳量測(PPG)訊號。

透過累積及平均20位元的結果可取得更多的解析度,實現27位元的最高解析度。這些結果可以被儲存在32位元暫存器中,然而,它也能只以一個16位元數字提供這些結果。其讀數可以直接讀取,或者透過內建的FIFO存取。上述的這些特性使得ADPD103非常有彈性,適於廣泛的應用案例。


圖4:以每個資料點5個LED脈衝取樣PPG訊號

(下一頁繼續:最佳化每瓦SNR)


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