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。心理學家在許多研究領域調查了情緒和呼吸模式之間的這些聯系（Boiten等人，1994）。大多數此類調查需要某種形式的電子患者監測設備，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的呼吸監測儀

圖1的呼吸監測器顯示呼吸模式，同時粗略地了解呼吸幅度。監視器顯示用于檢測焦慮的幾個重要參數：呼吸頻率、呼吸模式的規律性以及呼氣后和吸氣前的停頓持續時間。因為平靜、積極的情緒通常會產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。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監視器的視覺信息。

圖1.此框圖描繪了一個呼吸監測器。

圖1的監視器使用硅壓阻換能器（PRT）來檢測與吸氣和呼氣相對應的壓力的減少和增加。PRT輸出被饋送到信號調理IC，該IC校正PRT固有的誤差，然后將補償電壓信號傳遞給ADC。然后將ADC輸出（壓力信號的數字化版本）饋送到PC接口并轉換為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。

傳感器

PRT通常配置為封閉的惠斯通電橋。當對主動橋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出電阻變化。無論是全主動還是半主動，PRT傳感器的優點包括高靈敏度（>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。對于半主動橋PRT（b），只有兩條腿對壓力做出反應。

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

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烈非線性依賴性（高達1%/°K）、較大的初始偏移（高達滿量程的100%或更高），[以及]偏移隨溫度的強烈漂移。在一定范圍內，這些缺點可以用電子電路來補償“（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相當恒定的水平。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：溫度和溫度相關的電橋電壓。現代信號調理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。

傳統的矯正方案

圖3電路將PRT補償到合理的精度水平。它允許調整失調、隨溫度偏移漂移以及隨溫度變化的靈敏度漂移。與靈敏度漂移相關的是溫度范圍內的全跨度輸出漂移;這兩個參數隨溫度成比例變化。圖4顯示了偏移和全跨度輸出之間的關系。

圖3.PRT的傳統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成滿量程輸出。

該電路的零調整電阻在室溫下補償傳感器的失調電壓，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大于負向靈敏度系數，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。同樣，RTZ或 R'TZ校正偏移漂移。根據失調漂移隨溫度的方向，RTZ或 R'TZ被添加到線路中。

這種補償方案的主要問題是補償元件之間的電路相互作用，這使得校準變得繁瑣，并限制了可實現的精度。此外，使用這種技術時，電子修整是不可行的。

現代矯正方案

圖5中，信號調理IC（MAX1457）驅動呼吸監測儀的傳感器并校正傳感器誤差。它包含一個驅動傳感器的受控電流源和一個數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）和五個數模轉換器（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輸出電壓不足以驅動ADC。因此，MAX1457的內部運算放大器用于將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，導致全跨輸出溫度系數（FSOTC）誤差。但是，如果電橋電壓可以隨溫度升高，以補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如何實現該方案，以校正溫度引起的FSO誤差。利用來自ADC輸出的數字化電橋電壓，芯片確定先前計算的校正系數（存儲在EEPROM中）應應用于FSOTC DAC。然后，由此產生的DAC輸出電壓會改變為電橋供電的電流電平。這種新的電流水平通過調整電橋電壓來補償FSO，以補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的基準輸入，從而在每對連續的數字數字（由ADC提供給EEPROM）之間提供額外的校正。

圖6.MAX1457中的電路補償失調和全量程溫度誤差。

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

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

為了達到0.1%的精度，MAX1457允許在特定溫度下進行補償，并在每種溫度下重新計算FSOTC和OffsetTC。用戶確定此類校準點的數量（最多 120 個）。如果傳感器輸出誤差完全可重復，則傳感器-MAX1457組合的精度將優于0.1%。

MAX1457補償技術比圖3所示的傳統方法具有顯著優勢。MAX1457通過分離失調和量程調整來消除補償元件之間的相互作用：補償PGA處的失調，并通過電流源單獨調節FSO。另一個優點是通過在不同溫度下的特定調整獲得額外的精度。這種方法本質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償傳感器。

更簡單的補償IC

MAX1457提供比呼吸監測儀更高的精度;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，是因為它包括增強呼吸監測器的低電平傳感器信號所需的額外運算放大器。

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

MAX1450信號調理器（圖7）的功能基本上與MAX1457相同，但使用電阻而不是DAC來設置糾錯。由于MAX1450使用的校準點比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和激光調整電阻的組合提供了低成本的解決方案。

圖7.MAX1450信號調理器采用外部激光調整電阻工作，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償技術，但包括12位（相對于16位）補償DAC。MAX1458/MAX1478器件還包括一個EEPROM，用于板載存儲補償系數。與MAX1450一樣，它們提供1%的精度。

圖8.MAX1458/MAX1478信號調理器采用內部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）下測量的壓力數據，通過計算四個校正系數（如上所述）來補償傳感器。與這些器件不同，MAX1457允許在用戶選擇的溫度電平（多達120）下進行額外的溫度誤差校正。

審核編輯：郭婷