模电大作业-心电信号放大电路设计.doc
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模电大作业
(二)
心电信号放大电路的设计
一:
问题背景及总体思路:
1,心电信号的特点及检测
心电信号十分微弱,幅值约20μV到5mV,频率在0.05Hz-100Hz之间,能量主要聚集在17Hz附近。
所需放大倍数大约在1000-10000倍。
心电信号取自于活体,所以信号源内阻较高,且存在着较强的背景噪声和干扰,主要是电源工作频率(50Hz)的干扰,临床上一些操作设备工作频率的干扰等,在这里我们主要考虑电源工作频率的干扰。
电源工频干扰主要是以共模形式存在,幅值可达几V甚至几十V,所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。
由于信号源内阻可达几十KΩ、乃至几百KΩ,所以,心电放大器的输入阻抗必须在几MΩ以上,而且KCMR也要在80dB以上。
2,设计要求及结构组成
根据以上特点对心电信号放大器的要求是需要有高输入阻抗、高增益,高共模抑制比、低噪声,低漂移以及合适的通频带等。
根据题目要求,我们可以用高通滤波器、低通滤波器来保证信号带宽为0.1HZ-100HZ之间;三运放仪表放大器保证输入阻抗≥1MΩ,共模抑制比KCMR≥80dB;双T带阻滤波器用来消除50HZ工作频率的干扰;最后的电压放大器则保证了电路总增益在60-80dB之间可调。
二:
电路组成:
1,100Hz低通滤波器
在这里我们将其内在两个电阻并联,并将电容接在运放的正相端,因为电容具有隔直通交的特性,对低频信号,电容相当于开路,信号无损输入正相端,随着频率增大,部分信号通过电容流向了地,频率越高,电容相当于短路,大部分高频信号流入了地,只有低频信号才通过正相端。
此时呈现一种通低频阻高频的特性。
取,
其截止频率:
仿真电路为:
波特仪显示如下:
2,0.1Hz高通滤波器
直接将输入信号经过一个电容,当输入信号频率过低时,电容相当于断路,当输入高频时,电容相当于短路。
其输出特性与低通滤波器相反,将信号通过高通滤波器时,当输入信号频率大于时,输出信号保持不变或略有下降,认为此信号可以通过滤波器,反之,当输入信号频率小于时,输出信号的幅度会急剧下降而无法通过滤波器。
取,其截止频率:
。
模拟电路如下:
其波特仪显示波形为:
3,50Hz陷波器
U1组成带通滤波器,U2组成相加器。
信号经50Hz陷波器处理后,50Hz干扰被抑制,就会输出比较干净的信号。
该电路可以作为生物电信号放大电路中的工频抑制电路。
电路图如下:
波特仪显示如下:
从图中可以看出中心频率在50.895Hz附近。
4,三运放仪表放大器
该电路由三个运算放大器~组成,,组成同相比例放大器,输入电阻大,且电路完全对称,组成相减电路,在实际应用中我们在前面加两个INA133运放,构成电压跟随器,这样增加了电路的输入阻抗,使所设仪表放大器更符合要求。
5,终端电压放大器
根据对增益可调,输入输出阻抗大等要求,我们可以采用低噪声、宽频带集成运算放大器NE5532构成的电压放大器。
如图
6 ,把上述电路组合在一起,得到整体电路如下所示
电路总体波特图:
从图中我们可以看到中心频率大致在50Hz附近。
在信号输入端接入1mv,50Hz正弦电压和2mv,2Hz正弦电压,可以得到以下图形:
从图中可以看出本电路具有50Hz陷波功能和放大功能,符合题目中的要求。
7,电路分析
(1)滤波电路
经过波特图显示及电路测试试验,我们可以清楚地观察到高通滤波器能实现阻止小于0.1HZ频率信号的作用,低通滤波器能实现阻止大于100HZ频率信号的作用,故可实现题目要求带宽0.1HZ-100HZ的作用。
(2)三运放仪表放大器
共模抑制比测量方法:
差动输入端,一端接信号源信号,另一端接地,输入信号为30mV,测量INA133的输出端对地的电压,其值为89.991mV。
所以,差模增益为。
两输入端输入50Hz共模信号,测量输出端对地电压。
输入4V输出63.558uV。
所以,共模增益为。
共模抑制比为:
,符合题目共模抑制比的要求。
(3)双T50HZ陷波电路
根据公式带入元件参数可以准确的计算出中心频率。
由上波特图可看出中心衰减为,满足题目中心衰减大于的要求。
(4)输入阻抗
输出开路,用万用表测量两输入端之间的阻抗,即输入阻抗。
测得输入阻抗为,符合题目要求。
(5)电路总增益
最后一级放大器中的滑动电阻实现了60-80dB即电路总增益可以在1000-10000范围内可调。
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