焦慮并不是對呼吸模式的唯一影響;可能是每一種感覺都會影響我們的呼吸。心理學(xué)家在許多研究領(lǐng)域調(diào)查了情緒和呼吸模式之間的這些聯(lián)系（Boiten等人，1994）。大多數(shù)此類調(diào)查需要某種形式的電子患者監(jiān)測設(shè)備，部分原因是觀察一個人的呼吸的行為本身就改變了它的模式。

采用智能傳感器技術(shù)的呼吸監(jiān)測儀

圖1的呼吸監(jiān)測器顯示呼吸模式，同時粗略地了解呼吸幅度。監(jiān)視器顯示用于檢測焦慮的幾個重要參數(shù)：呼吸頻率、呼吸模式的規(guī)律性以及呼氣后和吸氣前的停頓持續(xù)時間。因?yàn)槠届o、積極的情緒通常會產(chǎn)生一種比靈感更長的模式，所以靈感與到期時間的比率可以作為焦慮的額外指標(biāo)。相對較高的胸腔呼吸水平（相對于腹式呼吸）也表明焦慮。因此，觀察胸腔呼吸增加可以增強(qiáng)監(jiān)視器的視覺信息。

圖1.此框圖描繪了一個呼吸監(jiān)測器。

圖1的監(jiān)視器使用硅壓阻換能器（PRT）來檢測與吸氣和呼氣相對應(yīng)的壓力的減少和增加。PRT輸出被饋送到信號調(diào)理IC，該IC校正PRT固有的誤差，然后將補(bǔ)償電壓信號傳遞給ADC。然后將ADC輸出（壓力信號的數(shù)字化版本）饋送到PC接口并轉(zhuǎn)換為RS-232電平。這些又被傳遞到PC上，PC顯示呼吸波形并允許分析上述參數(shù)。

傳感器

PRT通常配置為封閉的惠斯通電橋。當(dāng)對主動橋PRT施加壓力時（圖2a），對角線相對腿的阻力沿同一方向變化。當(dāng)一組對角線相對腿的阻力隨壓力增加時，另一組腿中的阻力減小，反之亦然。半主動電橋PRT（圖2b）僅在電橋的一半中表現(xiàn)出電阻變化。無論是全主動還是半主動，PRT傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括高靈敏度（>10mV / V），恒定溫度下良好的線性度，以及跟蹤壓力變化而沒有信號滯后的能力，直至破壞性極限（Konrad和Ashauer 1999）。

圖2.主動橋PRT的所有四個支腿（a）都對壓力做出反應(yīng)。對于半主動橋PRT（b），只有兩條腿對壓力做出反應(yīng)。

當(dāng)今的工程師在中低精度應(yīng)用中使用PRT，但高端應(yīng)用傳統(tǒng)上迫使設(shè)計人員使用應(yīng)變片，盡管成本較高。新增功能 然而，允許精確PRT傳感器校正的IC技術(shù)也使這些器件能夠在高端應(yīng)用中使用。

傳感器錯誤

校正PRT傳感器的主要障礙是它們表現(xiàn)出的誤差幅度范圍很廣。PRT傳感器的制造方法多種多樣，會產(chǎn)生各種類型的誤差和一系列誤差幅度。即使對于來自一個制造商的給定型號，這些誤差大小也因傳感器而異。

PRT 錯誤可以包括“. .滿量程信號對溫度的強(qiáng)烈非線性依賴性（高達(dá)1%/°K）、較大的初始偏移（高達(dá)滿量程的100%或更高），[以及]偏移隨溫度的強(qiáng)烈漂移。在一定范圍內(nèi)，這些缺點(diǎn)可以用電子電路來補(bǔ)償“（Konrad和Ashauer 1999）。

在給定溫度下，圖2中的兩種PRT類型都保持其電橋電阻（V之間）抄送和地面）在廣泛的壓力范圍內(nèi)相當(dāng)恒定的水平。然而，隨著溫度的升高，電橋電阻顯著增加。如果電橋由恒流源供電，則結(jié)果是電橋電壓增加。

PRT靈敏度隨著電橋電壓隨溫度升高而增大而增加。然而，當(dāng)電橋電壓保持恒定時，PRT對壓力的敏感性會隨著溫度而降低。因此，靈敏度是兩個相反因素的函數(shù)：溫度和溫度相關(guān)的電橋電壓?，F(xiàn)代信號調(diào)理IC可以利用電橋電阻或電橋電壓的這種變化來校正PRT中隨溫度變化的靈敏度誤差。這些IC利用電橋電阻的變化來校正靈敏度隨溫度的變化。

傳統(tǒng)的矯正方案

圖3電路將PRT補(bǔ)償?shù)胶侠淼木人?。它允許調(diào)整失調(diào)、隨溫度偏移漂移以及隨溫度變化的靈敏度漂移。與靈敏度漂移相關(guān)的是溫度范圍內(nèi)的全跨度輸出漂移;這兩個參數(shù)隨溫度成比例變化。圖4顯示了偏移和全跨度輸出之間的關(guān)系。

圖3.PRT的傳統(tǒng)校正方案具有溫度敏感電阻。

圖4.PRT的偏移和全跨度輸出構(gòu)成滿量程輸出。

該電路的零調(diào)整電阻在室溫下補(bǔ)償傳感器的失調(diào)電壓，電阻器RTS和 RTZ（或 R'TZ） 糾正溫度錯誤。如前所述，電橋電阻隨著溫度的升高而升高，這會增加傳感器兩端的電壓。該附加電壓增加了傳感器的靈敏度;即，對于給定的壓力，其輸出電壓較高。

然而，當(dāng)傳感器兩端的電壓保持恒定時，傳感器的靈敏度會隨著溫度的升高而降低。由于電橋電阻隨溫度增加引起的正向靈敏度系數(shù)大于負(fù)向靈敏度系數(shù)，因此全跨度輸出隨溫度增大。電阻器 RTS通過分流隨著溫度升高而增加的電橋電流來抵消這種效應(yīng)。同樣，RTZ或 R'TZ校正偏移漂移。根據(jù)失調(diào)漂移隨溫度的方向，RTZ或 R'TZ被添加到線路中。

這種補(bǔ)償方案的主要問題是補(bǔ)償元件之間的電路相互作用，這使得校準(zhǔn)變得繁瑣，并限制了可實(shí)現(xiàn)的精度。此外，使用這種技術(shù)時，電子修整是不可行的。

現(xiàn)代矯正方案

圖5中，信號調(diào)理IC（MAX1457）驅(qū)動呼吸監(jiān)測儀的傳感器并校正傳感器誤差。它包含一個驅(qū)動傳感器的受控電流源和一個數(shù)字化傳感器電橋電壓的ADC。該電壓是來自電流源的電流和與溫度相關(guān)的電橋電阻的乘積。

圖5.專用IC（MAX1457）為壓力傳感器提供電流源激勵和補(bǔ)償，精度為0.1%。

MAX1457還包括一個用于放大傳感器差分輸出的可編程增益放大器（PGA）和五個數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），用于校正各種傳感器誤差。由于傳感器輸出是低電平信號，PGA輸出電壓不足以驅(qū)動ADC。因此，MAX1457的內(nèi)部運(yùn)算放大器用于將PGA輸出提升至合適的電平。

電橋電壓隨溫度升高而增加，這種溫度依賴性可用于補(bǔ)償全跨程溫度誤差。使用恒壓電橋激勵時，全跨輸出（FSO）隨溫度降低，導(dǎo)致全跨輸出溫度系數(shù)（FSOTC）誤差。但是，如果電橋電壓可以隨溫度升高，以補(bǔ)償全跨度靈敏度隨溫度的降低，則FSO將保持不變。

圖6所示為MAX1457如何實(shí)現(xiàn)該方案，以校正溫度引起的FSO誤差。利用來自ADC輸出的數(shù)字化電橋電壓，芯片確定先前計算的校正系數(shù)（存儲在EEPROM中）應(yīng)應(yīng)用于FSOTC DAC。然后，由此產(chǎn)生的DAC輸出電壓會改變?yōu)殡姌蚬╇姷碾娏麟娖?。這種新的電流水平通過調(diào)整電橋電壓來補(bǔ)償FSO，以補(bǔ)償特定溫度下傳感器靈敏度的變化。為了平滑這種校正，芯片將模擬橋電壓施加到FSOTC DAC的基準(zhǔn)輸入，從而在每對連續(xù)的數(shù)字?jǐn)?shù)字（由ADC提供給EEPROM）之間提供額外的校正。

圖6.MAX1457中的電路補(bǔ)償失調(diào)和全量程溫度誤差。

同樣的技術(shù)補(bǔ)償溫度失調(diào)，只是OFFSETTC DAC電壓饋送到PGA輸出端的求和結(jié)（而不是MAX1457電流源）。

計算溫度系數(shù)并按以下順序存儲在EEPROM中：大多數(shù)情況下，傳感器和MAX1457在最低溫度下獲取不同壓力下的傳感器數(shù)據(jù)，然后在最高溫度下用傳感器和MAX1457獲取相同的數(shù)據(jù)。利用極端溫度數(shù)據(jù)，為MAX1457編寫的軟件計算四個校正系數(shù)（FSO、FSOTC、Offset和OffsetTC）。這四個系數(shù)糾正了PRT的一階誤差。（對于此呼吸監(jiān)測器所需的精度水平，第五個系數(shù)來校正壓力非線性被認(rèn)為是不必要的。

為了達(dá)到0.1%的精度，MAX1457允許在特定溫度下進(jìn)行補(bǔ)償，并在每種溫度下重新計算FSOTC和OffsetTC。用戶確定此類校準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)量（最多 120 個）。如果傳感器輸出誤差完全可重復(fù)，則傳感器-MAX1457組合的精度將優(yōu)于0.1%。

MAX1457補(bǔ)償技術(shù)比圖3所示的傳統(tǒng)方法具有顯著優(yōu)勢。MAX1457通過分離失調(diào)和量程調(diào)整來消除補(bǔ)償元件之間的相互作用：補(bǔ)償PGA處的失調(diào)，并通過電流源單獨(dú)調(diào)節(jié)FSO。另一個優(yōu)點(diǎn)是通過在不同溫度下的特定調(diào)整獲得額外的精度。這種方法本質(zhì)上比基于外部電阻的方法更精確，后者的值無法在特定溫度下精確補(bǔ)償傳感器。

更簡單的補(bǔ)償IC

MAX1457提供比呼吸監(jiān)測儀更高的精度;即，其校正DAC的16位分辨率超過要求。然而，之所以選擇該器件，是因?yàn)樗ㄔ鰪?qiáng)呼吸監(jiān)測器的低電平傳感器信號所需的額外運(yùn)算放大器。

雖然MAX1457提供比本應(yīng)用所需的精度更高的精度，但即使溫度變化適中，也需要能夠補(bǔ)償溫度誤差：10°C的變化通常會導(dǎo)致PRT的FSO發(fā)生3%的變化。由于MAX1457使呼吸監(jiān)測儀能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)工作，因此監(jiān)測儀的潛在應(yīng)用可能包括太空探索和水肺潛水。

MAX1450信號調(diào)理器（圖7）的功能基本上與MAX1457相同，但使用電阻而不是DAC來設(shè)置糾錯。由于MAX1450使用的校準(zhǔn)點(diǎn)比MAX1457少得多，因此其精度為1%，而不是0.1%。MAX1450芯片通常包含在混合型芯片中，MAX1450和激光調(diào)整電阻的組合提供了低成本的解決方案。

圖7.MAX1450信號調(diào)理器采用外部激光調(diào)整電阻工作，精度為1%。

第三個IC（圖1458的MAX1478/MAX8）提供與其他兩個相同的基本補(bǔ)償技術(shù)，但包括12位（相對于16位）補(bǔ)償DAC。MAX1458/MAX1478器件還包括一個EEPROM，用于板載存儲補(bǔ)償系數(shù)。與MAX1450一樣，它們提供1%的精度。

圖8.MAX1458/MAX1478信號調(diào)理器采用內(nèi)部12位DAC工作，精度為1%。

MAX1450/MAX1458/MAX1478器件利用在兩種溫度（通常是工作溫度范圍的極端值）下測量的壓力數(shù)據(jù)，通過計算四個校正系數(shù)（如上所述）來補(bǔ)償傳感器。與這些器件不同，MAX1457允許在用戶選擇的溫度電平（多達(dá)120）下進(jìn)行額外的溫度誤差校正。

審核編輯：郭婷