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實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 | 心電圖信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)與仿真特性分析 | ||
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一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span> 通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明Pspice對(duì)設(shè)計(jì)方案和具體電路進(jìn)行分析的過(guò)程，理解電路的自上而下的設(shè)計(jì)方法。 二、實(shí)驗(yàn)原理 設(shè)計(jì)一個(gè)心電圖信號(hào)放大器。 已知: (1）心電信號(hào)幅度在50μV～5mV之間，頻率范圍為0.032Hz～250Hz。 (2）人體內(nèi)阻、檢測(cè)電極板與皮膚的接觸電阻(即信號(hào)源內(nèi)阻)為幾十千歐。 (3）放大器的輸出電壓最大值為-5V～+5V。 1、 確定總體設(shè)計(jì)目標(biāo) 由已知條件（1)可知該放大器的輸入信號(hào)屬于微弱信號(hào),所要求的放大器應(yīng)具有較高的電壓增益和低噪聲、低漂移特性。由已知條件（2)可知,為了減輕微弱心電信號(hào)源的負(fù)載,放大器必須有很高的輸入阻抗。另外，為了減小人體接收的空間電磁場(chǎng)的各種信號(hào)(即共模信號(hào))，要求放大器應(yīng)具有較高的共模抑制比。因此，最后決定的心電放大器的性能指標(biāo)如下： 差模電壓增益：1000(5V/5mV)； 差模輸入阻抗： >10MΩ； 共模抑制比：80dB； 通頻帶：0.032Hz～250Hz。 2、方案設(shè)計(jì) 根據(jù)性能指標(biāo)要求,要采用多級(jí)放大電路，其中前置放大器的設(shè)計(jì)決定了輸入阻抗,共模抑制比和噪聲,可選用BiFET型運(yùn)放,本設(shè)計(jì)采用了LF4111型運(yùn)放(其中Avo=410,Rid≈410Ω,Avc=2)，由于單極同相放大器的共模抑制比無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求(可通過(guò)Pspice仿真波形看出)，本設(shè)計(jì)采用了由三個(gè)LF411型運(yùn)放構(gòu)成的儀用放大器。 第二級(jí)放大器的任務(wù)是進(jìn)一步提高放大電路的電壓增益，使總增益達(dá)到1000。其次為了消除高、低噪聲，需要設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器。因?yàn)闉V波器沒(méi)有特殊要求，本設(shè)計(jì)可采用較簡(jiǎn)單的一階高通濾波器和一階低通濾波器構(gòu)成的帶通濾波器。 3、 詳細(xì)設(shè)計(jì) 根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，確定了心電放大電路的原理圖，如圖4-1所示。A1、A2、A3及相應(yīng)的電阻構(gòu)成前置放大器，其差模增益被分配為40，其中A1、A2構(gòu)成的差放被分配為16，其計(jì)算公式為：Avd1=(Vo1-Vo2)/Vi=(R1+R2+R3)/R1，Avd2=Vo3/(Vo1-Vo2)=-R6/R4=1.6。 為了避免輸入端開(kāi)路時(shí)放大器出現(xiàn)飽和狀態(tài),在兩個(gè)輸入端到地之間分別串接兩個(gè)電阻R11、R22，其取值很大，以滿足差模輸入阻抗的要求。第二級(jí)由 A4及相應(yīng)的電阻、電容構(gòu)成。在通帶內(nèi)，其被分配的差模增益應(yīng)為(1000/40=25)，即Avd3=vo/vo3=1+R10/R9=25 取R9=1KΩ，R10=24KΩ。C1、R8 構(gòu)成高通濾波器，要求f=0.032Hz。取R8=1MΩ，則可算出C1=4.58μF，取標(biāo)稱值電容C1=4.7μF，算得fL=1/(2лC1R8)=0.034Hz。C2，R10構(gòu)成低通濾波器,要求f=250Hz。取R10=24KΩ,可算出C2=0.03316μF,取標(biāo)稱值電容C2=0.033μF，最后算出f=1/(2лC2R10)=251.95Hz?？梢?jiàn)滿足帶寬要求。 圖 4-1 心電放大器原理圖 三、預(yù)習(xí)內(nèi)容 完成心電圖信號(hào)放大器原理圖的初步設(shè)計(jì) 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 計(jì)算機(jī)仿真調(diào)試 本調(diào)試要完成兩個(gè)任務(wù) 1、功能分析與指標(biāo)測(cè)量。 2、參數(shù)靈敏度分析及容差分析。 五、實(shí)驗(yàn)步驟 參考的輸入網(wǎng)單文件如下： A AMP VI 1 2 AC 1 *VIl 1 0 AC 1 *VI2 2 0 AC 1 *V14 14 0 AC 1 R11 1 0 20000000 R12 2 0 20000000 R1 3 5 2K R2 3 6 24K R3 5 7 24K R4 6 13 10K R5 7 12 10K R6 13 14 16K R7 12 0 16K *R8 17 0 1000000 *R9 18 0 1K *R10 18 19 24K *C1 14 17 4.7U *C2 18 19 0.033U X1 1 3 8 9 6 LF411 X2 2 5 10 11 7 LF411 X3 12 13 15 16 14 LF411 *X4 17 18 20 21 19 LF411 Vc1 8 0 8 Ve1 9 0 -8 Vc2 10 0 8 Ve2 11 0 -8 Vc3 15 0 8 Ve3 16 0 -8 *Vc4 20 0 8 *Ve4 21 0 -8 .LIB EVAL.LIB .AC DEC 10 1.0m 1.0MEG .TF V(14) VI *.TF V(14) VIl .PROBE .END 1、由直流小信號(hào)分析(即 .TF語(yǔ)句)得到差模輸入電阻為4107Ω,共模輸入電阻為2107 Ω。可見(jiàn)滿足性能指標(biāo)要求。 2、由幅頻特性分析(.AC語(yǔ)句)得到前置放大器的差模幅頻特性和共模幅頻特性如圖4-2、4-3 所示。可測(cè)得差模增益Avd=40，頻寬BW=345151Hz,共模增益Avc=7.9510-6?？梢?jiàn), 共模抑制比為40/（7.9510-6）≈5106=134dB，滿足性能指標(biāo)要求。 3、由幅頻特性分析得到第二級(jí)帶通放大器的幅頻特性如圖4-4所示,可測(cè)得Av≈25,f≈0.032Hz,f=250Hz.滿足設(shè)計(jì)要求。 4、由差模輸入阻抗仿真圖4-5所示，可滿足差模輸入阻抗 >10MΩ的要求。 5、通過(guò)蒙特卡羅容差分析，得到如下結(jié)論：只有在電阻R1～R7的精度為0.5%時(shí)，才能保證共模增益小于4×10-3，共模抑制比才能大于80dB，由此看出，儀用放大器的共模抑制比取決于電阻精度和A1與A2的匹配程度(對(duì)A1與A2的參數(shù)進(jìn)行分析也能得到同樣的結(jié)果)。但是要購(gòu)買到精度這樣高的電阻并不容易，實(shí)際上簡(jiǎn)單而有效的辦法是在相應(yīng)的支路上串接一個(gè)精密電位器，如圖1中的Rp1、Rp2等，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器將電路調(diào)整到最佳匹配狀態(tài)。 圖 4-2 前置放大器的差模幅頻特性 圖 4-3 前置放大器的共模幅頻特性 圖 4-4 第二級(jí)帶通放大器的幅頻特性 圖 4-5 差模輸入阻抗仿真圖 六、思考題 1、改變通頻帶的下限頻率和上限頻率應(yīng)調(diào)整什么器件的參數(shù)？其對(duì)放大倍數(shù)是否有影響？ 改變通頻帶的下限頻率和上限頻率，應(yīng)調(diào)整A4的電阻R8或R10，C1、R8構(gòu)成高通濾波器，該調(diào)整對(duì)放大倍數(shù)沒(méi)有影響，C2、R10構(gòu)成低通濾波器，對(duì)放大倍數(shù)有影響，因?yàn)?/span>Avd=Vo/Vo3=25。 2、用語(yǔ)句如何描述共模和差模信號(hào)？ 共模信號(hào)即為兩個(gè)或兩個(gè)以上的幅值大小相等，相位相同，周期等參數(shù)均相同的信號(hào)；差摸信號(hào)即為兩個(gè)或兩個(gè)以上的幅值相等，相位相差180°的信號(hào)。 七、總結(jié)分析 根據(jù)測(cè)量值與理論數(shù)據(jù)相比較，掌握了該電路的特性，A1,A2,A3均用來(lái)放大信號(hào)，A4用于對(duì)信號(hào)頻帶的選擇，對(duì)電路的設(shè)計(jì)有了一定的了解。 | |||
本文發(fā)布于:2023-06-03 09:54:42，感謝您對(duì)本站的認(rèn)可！
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