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作者：Doug Mercer，顧問(wèn)研究員；Antoniu Miclaus，系統(tǒng)應(yīng)用工程師 ADI公司 目標(biāo) 本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)通過(guò)旨在獲取心跳信息的實(shí)際范例，介紹了如何使用放大器鏈實(shí)現(xiàn)增益和濾波。系統(tǒng)的結(jié)果提供相關(guān)輸出，使用Scopy軟件工具可顯示該輸出。 在本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，學(xué)生將學(xué)習(xí)如何驅(qū)動(dòng)紅外LED和光電晶體管，設(shè)計(jì)并理解低通濾波器的行為，同時(shí)探索不同配置情況下的運(yùn)算放大器功能。 結(jié)合前面提到的電子設(shè)備，本活動(dòng)最終將展示如何利用最少的軟件和硬件設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用。 背景知識(shí) 有一種心跳監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)夾在指尖上的電路來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心跳。該設(shè)備讓光線穿過(guò)手指，然后測(cè)量被吸收的光有多少，由此便能實(shí)現(xiàn)此功能。因?yàn)楫?dāng)心臟驅(qū)動(dòng)血液經(jīng)過(guò)手指時(shí)，測(cè)量值會(huì)發(fā)生上下波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)使用了紅外LED和光電晶體管，來(lái)使光學(xué)心跳監(jiān)測(cè)器正常工作。LED發(fā)出的光穿過(guò)手指，由光電晶體管進(jìn)行檢測(cè)。光電晶體管就像一個(gè)可變電阻，根據(jù)接收到的光來(lái)傳導(dǎo)不同大小的電流。 從光電晶體管的集電極可以獲取隨心跳變化的電壓。將獲得的小信號(hào)用作電路的輸入，可以了解心跳監(jiān)測(cè)器的行為。 為了獲得相關(guān)輸出，輸入信號(hào)要經(jīng)過(guò)多個(gè)回路： ► 前置放大器：來(lái)自心跳監(jiān)測(cè)設(shè)置的輸出信號(hào)通過(guò)串聯(lián)電容解耦，并使用負(fù)反饋電阻(R4)放大 ► 低通濾波器：去除高頻（噪聲）的RC濾波器 ► 電壓跟隨器：緩沖低通濾波器的輸出，并以低輸出阻抗再現(xiàn)其電壓 ► 帶低通濾波器的反相放大器：放大電壓信號(hào)并去除高頻（噪聲）。 材料 ► ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊 ► 無(wú)焊試驗(yàn)板 ► 跳線 ► 一個(gè)OP484精密軌到軌I/O運(yùn)算放大器 ► 一個(gè)100 Ω電阻 ► 一個(gè)470 Ω電阻 ► 一個(gè)1 kΩ電阻 ► 一個(gè)10 kΩ電阻 ► 兩個(gè)47 kΩ電阻 ► 兩個(gè)1 µF電容 ► 一個(gè)47 µF電容 ► 一個(gè)紅外光LED(QED-123) ► 一個(gè)紅外晶體管(QSD-123) 
圖1.心跳監(jiān)測(cè)電路 說(shuō)明 在無(wú)焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖1所示的心跳監(jiān)測(cè)電路，該電路在LTspice中設(shè)計(jì)。 LTspice仿真使用了LTspice標(biāo)準(zhǔn)模型集中的OP284s。實(shí)際電路由ADALP2000模擬部件套件中的四通道OP484FPZ構(gòu)建，并由ADALM2000模塊的±5 V電源供電（總電源電壓為10 V）。 紅外LED 為了獲得不會(huì)損壞紅外LED的恰當(dāng)電流，需要串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)限制電流。在工作范圍內(nèi)改變電流值，將會(huì)改變紅外LED發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度。以下公式通過(guò)5 V正電壓電源(VP)、串聯(lián)電阻(R1)和LED上的正向壓降(VF)，計(jì)算出LED的正向電流(IF)的值：
光電晶體管 為了在光電晶體管(Q1)接觸紅外光時(shí)獲取相關(guān)信息，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)共發(fā)射極放大器電路。當(dāng)光電晶體管檢測(cè)到紅外范圍內(nèi)的光時(shí)，此電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從高電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換為低電平狀態(tài)的輸出。輸出是通過(guò)一個(gè)電阻(R2)產(chǎn)生的，該電阻連接在電壓源和器件的集電極引腳之間，其值通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。 前置放大器 來(lái)自心跳監(jiān)測(cè)設(shè)置的輸入信號(hào)被饋送到差分放大器電路（C1、A1、R3）。電容會(huì)阻礙任何直流成分通過(guò)，C1和R3充當(dāng)高通濾波器，可通過(guò)以下公式確定截止頻率FC1：
除了濾波外，該級(jí)還用作放大器，將電流(IA1)作為輸入，并在輸出端生成一個(gè)基于負(fù)反饋電阻(R3)的反相電壓(VA1)：
有源低通濾波器 有源濾波器的電路設(shè)計(jì)中包含有源元件，例如運(yùn)算放大器。這些器件需從外部電源獲取能量，并借此增強(qiáng)或放大輸出信號(hào)。有源低通濾波器的工作原理和頻率響應(yīng)與簡(jiǎn)單RC低通濾波器相同，唯一的區(qū)別在于其使用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大和增益控制。 該一階低通有源濾波器（A2、R4、C2）僅包含一個(gè)無(wú)源RC濾波器，用于為同相運(yùn)算放大器的輸入提供低頻路徑。 該濾波器旨在去除與噪聲信號(hào)相對(duì)應(yīng)的高頻成分。考慮到心率不超過(guò)每分鐘180次(bpm)，并且bpm和頻率之間存在以下關(guān)系：
所以高于3 Hz的頻率應(yīng)被去除。RC低通濾波器針對(duì)上述頻率值設(shè)計(jì)，公式如下：
放大器配置為電壓跟隨器（緩沖器），其直流增益為1，AV = 1。 這種配置的優(yōu)勢(shì)在于，運(yùn)算放大器的高輸入阻抗可防止濾波器輸出端承受過(guò)大負(fù)載，而其低輸出阻抗可防止濾波器的截止頻率點(diǎn)受到負(fù)載阻抗變化的影響。雖然這種配置使濾波器具有良好的穩(wěn)定性，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)高于1的電壓增益，AV = 1。然而，由于濾波器級(jí)輸出阻抗遠(yuǎn)低于其輸入阻抗，因此功率增益非常高。 帶低通濾波器的最終放大器 最后一級(jí)配置為具有直流增益控制功能的交流運(yùn)算放大器積分器。簡(jiǎn)而言之，該電路旨在對(duì)來(lái)自剩余不必要頻率（即高于心跳最大頻率）的信號(hào)進(jìn)行低通濾波（R4、C2），并通過(guò)反相放大器放大有用信號(hào)，增益(AV)由R6和R5的比率確定：
仿真 考慮LTspice中設(shè)計(jì)的電路，需進(jìn)行兩種類型的仿真： ► 瞬態(tài)：在電路的輸入端連接一個(gè)波形發(fā)生源。配置該源生成幅度為500 µV、頻率為2 Hz、偏置500 mV的正弦波。觀察輸出信號(hào)幅度，以圖形方式確定電路的總增益（圖2）。
圖2.輸出電壓瞬態(tài)分析 ► 交流掃描：在電路的輸入端連接一個(gè)交流源。將該交流源的幅度配置為500 µV。觀察選定頻域（100 mHz至1 kHz）中的輸出信號(hào)，以圖形方式確定輸出信號(hào)在哪個(gè)頻率范圍的放大效果更佳（圖3）。
圖3.輸出電壓——交流掃描 硬件設(shè)置 使用ADALM2000模塊中設(shè)置為5 V的可變正負(fù)電源為電路供電。使用示波器通道1監(jiān)測(cè)VOUT集電極節(jié)點(diǎn)的電壓。 試驗(yàn)板上實(shí)現(xiàn)的電路應(yīng)該類似于圖4所示電路。藍(lán)色LED代表紅外LED，灰色LED代表光電晶體管。 程序步驟 將指尖放在紅外LED (D1)和光電晶體管(Q1)之間。發(fā)射器和接收器應(yīng)對(duì)齊并且指向彼此。 觀察第三級(jí)運(yùn)算放大器(A3)輸出端的電壓波形。輸出波形的示例如圖5所示。
圖4.試驗(yàn)板心跳監(jiān)測(cè)電路
圖5.心跳輸出波形 激活Scopy工具示波器功能的監(jiān)測(cè)功能，以讀取所獲得信號(hào)的頻率。如需將頻率轉(zhuǎn)換為bpm，則可使用實(shí)驗(yàn)說(shuō)明中的公式。 問(wèn)題： 使用實(shí)驗(yàn)說(shuō)明中提供的值和公式計(jì)算以下參數(shù)： ► 通過(guò)紅外LED的正向電流（使用QED-123數(shù)據(jù)手冊(cè)） 高通濾波器的截止頻率 第二級(jí)低通濾波器的截止頻率 第三級(jí)低通濾波器的截止頻率 第三級(jí)放大器的增益 ► 如果修改R5，哪些參數(shù)會(huì)發(fā)生變化？ ► 如果修改R6，哪些參數(shù)會(huì)發(fā)生變化？您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到問(wèn)題答案。 關(guān)于作者 Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來(lái)，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。 Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生。他擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。 |
