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作者：Doug Mercer，顧問研究員；Antoniu Miclaus，系統應用工程師 ADI公司 目標 本實驗活動通過旨在獲取心跳信息的實際范例，介紹了如何使用放大器鏈實現增益和濾波。系統的結果提供相關輸出，使用Scopy軟件工具可顯示該輸出。 在本實驗活動中，學生將學習如何驅動紅外LED和光電晶體管，設計并理解低通濾波器的行為，同時探索不同配置情況下的運算放大器功能。 結合前面提到的電子設備，本活動最終將展示如何利用最少的軟件和硬件設備設計實際應用。 背景知識 有一種心跳監測設備通過夾在指尖上的電路來實時監測心跳。該設備讓光線穿過手指，然后測量被吸收的光有多少，由此便能實現此功能。因為當心臟驅動血液經過手指時，測量值會發生上下波動。實驗使用了紅外LED和光電晶體管，來使光學心跳監測器正常工作。LED發出的光穿過手指，由光電晶體管進行檢測。光電晶體管就像一個可變電阻，根據接收到的光來傳導不同大小的電流。 從光電晶體管的集電極可以獲取隨心跳變化的電壓。將獲得的小信號用作電路的輸入，可以了解心跳監測器的行為。 為了獲得相關輸出，輸入信號要經過多個回路： ► 前置放大器：來自心跳監測設置的輸出信號通過串聯電容解耦，并使用負反饋電阻(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其電壓 ► 帶低通濾波器的反相放大器：放大電壓信號并去除高頻（噪聲）。 材料 ► ADALM2000主動學習模塊 ► 無焊試驗板 ► 跳線 ► 一個OP484精密軌到軌I/O運算放大器 ► 一個100 Ω電阻 ► 一個470 Ω電阻 ► 一個1 kΩ電阻 ► 一個10 kΩ電阻 ► 兩個47 kΩ電阻 ► 兩個1 µF電容 ► 一個47 µF電容 ► 一個紅外光LED(QED-123) ► 一個紅外晶體管(QSD-123) 
圖1.心跳監測電路 說明 在無焊試驗板上構建圖1所示的心跳監測電路，該電路在LTspice中設計。 LTspice仿真使用了LTspice標準模型集中的OP284s。實際電路由ADALP2000模擬部件套件中的四通道OP484FPZ構建，并由ADALM2000模塊的±5 V電源供電（總電源電壓為10 V）。 紅外LED 為了獲得不會損壞紅外LED的恰當電流，需要串聯一個電阻來限制電流。在工作范圍內改變電流值，將會改變紅外LED發出的信號強度。以下公式通過5 V正電壓電源(VP)、串聯電阻(R1)和LED上的正向壓降(VF)，計算出LED的正向電流(IF)的值：
光電晶體管 為了在光電晶體管(Q1)接觸紅外光時獲取相關信息，實驗設計了一個共發射極放大器電路。當光電晶體管檢測到紅外范圍內的光時，此電路會產生一個從高電平狀態轉換為低電平狀態的輸出。輸出是通過一個電阻(R2)產生的，該電阻連接在電壓源和器件的集電極引腳之間，其值通過實驗確定。 前置放大器 來自心跳監測設置的輸入信號被饋送到差分放大器電路（C1、A1、R3）。電容會阻礙任何直流成分通過，C1和R3充當高通濾波器，可通過以下公式確定截止頻率FC1：
除了濾波外，該級還用作放大器，將電流(IA1)作為輸入，并在輸出端生成一個基于負反饋電阻(R3)的反相電壓(VA1)：
有源低通濾波器 有源濾波器的電路設計中包含有源元件，例如運算放大器。這些器件需從外部電源獲取能量，并借此增強或放大輸出信號。有源低通濾波器的工作原理和頻率響應與簡單RC低通濾波器相同，唯一的區別在于其使用運算放大器進行放大和增益控制。 該一階低通有源濾波器（A2、R4、C2）僅包含一個無源RC濾波器，用于為同相運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相對應的高頻成分。考慮到心率不超過每分鐘180次(bpm)，并且bpm和頻率之間存在以下關系：
所以高于3 Hz的頻率應被去除。RC低通濾波器針對上述頻率值設計，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。 這種配置的優勢在于，運算放大器的高輸入阻抗可防止濾波器輸出端承受過大負載，而其低輸出阻抗可防止濾波器的截止頻率點受到負載阻抗變化的影響。雖然這種配置使濾波器具有良好的穩定性，但無法實現高于1的電壓增益，AV = 1。然而，由于濾波器級輸出阻抗遠低于其輸入阻抗，因此功率增益非常高。 帶低通濾波器的最終放大器 最后一級配置為具有直流增益控制功能的交流運算放大器積分器。簡而言之，該電路旨在對來自剩余不必要頻率（即高于心跳最大頻率）的信號進行低通濾波（R4、C2），并通過反相放大器放大有用信號，增益(AV)由R6和R5的比率確定：
仿真 考慮LTspice中設計的電路，需進行兩種類型的仿真： ► 瞬態：在電路的輸入端連接一個波形發生源。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.輸出電壓瞬態分析 ► 交流掃描：在電路的輸入端連接一個交流源。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，以圖形方式確定輸出信號在哪個頻率范圍的放大效果更佳（圖3）。
圖3.輸出電壓——交流掃描 硬件設置 使用ADALM2000模塊中設置為5 V的可變正負電源為電路供電。使用示波器通道1監測VOUT集電極節點的電壓。 試驗板上實現的電路應該類似于圖4所示電路。藍色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。發射器和接收器應對齊并且指向彼此。 觀察第三級運算放大器(A3)輸出端的電壓波形。輸出波形的示例如圖5所示。
圖4.試驗板心跳監測電路
圖5.心跳輸出波形 激活Scopy工具示波器功能的監測功能，以讀取所獲得信號的頻率。如需將頻率轉換為bpm，則可使用實驗說明中的公式。 問題： 使用實驗說明中提供的值和公式計算以下參數： ► 通過紅外LED的正向電流（使用QED-123數據手冊） 高通濾波器的截止頻率 第二級低通濾波器的截止頻率 第三級低通濾波器的截止頻率 第三級放大器的增益 ► 如果修改R5，哪些參數會發生變化？ ► 如果修改R6，哪些參數會發生變化？您可以在學子專區論壇上找到問題答案。 關于作者 Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。 Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為Circuits from the Lab、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。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軟件工程碩士項目的理學碩士生。他擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。 |
